微波溷频器技术指标

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1、第 3章 微 波 混 频 器3.2 微 波 混 频 器 的 小 信 号 传 输 特 性变 频 损 耗 微 波 混 频 器 的 作 用 是 将 微 波 信 号 转 换 为 中 频 信 号 ， 频 率变 换 后 的 能 量 损 耗 即 为 变 频 损 耗 。 微 波 混 频 器 的 小 信 号 传 输特 性 的 研 究 任 务 包 括 ： (1) 输 入 信 号 功 率 经 过 混 频 器 后 有 多 少 功 率 转 换 成 中 频信 号 功 率 ， 即 变 频 损 耗 。 (2) 当 混 频 器 的 源 电 导 G g和 输 出 电 导 G0为 何 值 时 ， 变 频损 耗 最 小 。 变 频

2、损 耗 定 义 为 微 波 信 号 资 用 功 率 Psa与 输 出 中 频 资 用功 率 Poa之 比 ， 常 用 分 贝 表 示 ， 即 第 3章 微 波 混 频 器 变 频 损 耗 主 要 包 括 以 下 三 部 分 ： (1) 由 寄 生 频 率 产 生 的 净 变 频 损 耗 L0。 (2) 由 混 频 二 极 管 寄 生 参 量 引 起 的 结 损 耗 Lj。 (3) 混 频 器 输 入 /输 出 端 的 失 配 损 耗 L a。 (3-19)saoa10lg( ) (dB)PL P 第 3章 微 波 混 频 器3.2.1 净 变 频 损 耗 在 混 频 过 程 中 产 生 的 寄

3、 生 频 率 都 含 有 一 部 分 信 号 功 率 ，如 果 它 们 消 耗 在 电 阻 上 ， 就 会 造 成 损 耗 ， 这 些 损 耗 称 为 净 变频 损 耗 。 计 算 净 变 频 损 耗 时 ， 认 为 混 频 器 输 入 、 输 出 端 口 均已 匹 配 ， 且 将 二 极 管 只 看 做 是 一 个 受 本 振 电 压 控 制 的 时 变 电导 g(t)。 混 频 器 的 等 效 电 路 是 一 个 三 端 口 网 络 ， 净 变 频 损 耗 不 但与 二 极 管 的 特 性 有 关 ， 还 与 各 端 口 的 负 载 阻 抗 有 关 。 实 际 应用 中 ， 最 关 心 的

4、 是 镜 像 短 路 、 镜 像 匹 配 和 镜 像 开 路 这 三 种 混频 器 的 净 变 频 损 耗 。 为 普 遍 起 见 ， 首 先 讨 论 镜 像 端 口 负 载 电导 G i为 任 意 值 时 的 净 变 频 损 耗 ， 然 后 再 讨 论 三 种 主 要 混 频 器的 净 变 频 损 耗 。 第 3章 微 波 混 频 器 1. Gi为 任 意 值 时 的 净 变 频 损 耗 混 频 器 的 等 效 电 路 如 图 3-6(b)所 示 ， 根 据 网 络 方 程 式 (3-16)， 由 镜 像 端 口 得 Ii=GiUi (3-20)对 式 (3-16)和 式 (3-20)联 立

5、 求 解 ， 得IS=m11US+m12U0I0=m21US+m22U0 用 矩 阵 表 示 为 (3-21) S S11 120 21 22 0I Um mI m m U (3-22) 第 3章 微 波 混 频 器式 中 ：于 是 把 三 端 口 网 络 简 化 成 二 端 口 网 络 ， 如 图 3-7所 示 。 网 络参 数 与 镜 像 端 口 的 负 载 电 导 G i有 关 。 (3-23) 2211 0 0 igm g g G 1 212 21 1 0 ig gm m g g G 2122 0 0 igm g g G 第 3章 微 波 混 频 器图 3-7 镜 像 电 导 G为 任

6、 意 值 时 的 混 频 器 等 效 电 路 第 3章 微 波 混 频 器 为 计 算 净 变 频 损 耗 ， 首 先 应 求 出 信 号 源 的 资 用 功 率 和 混频 器 输 出 的 中 频 资 用 功 率 ， 然 后 求 两 者 之 比 。 信 号 源 的 资 用 功 率 (Gi=Gg时 )为 式 中 ： I A是 信 号 的 电 流 幅 值 。 为 求 得 混 频 器 输 出 的 中 频 资 用功 率 ， 在 中 频 端 口 使 用 戴 维 南 定 理 ， 把 输 出 端 口 以 左 的 电 流等 效 成 一 个 新 的 恒 流 源 ， 如 图 3-8所 示 。 (3-24)2 2S

7、 Ain g g8U IP R G 第 3章 微 波 混 频 器图 3-8 中 频 输 出 端 等 效 电 路 第 3章 微 波 混 频 器 图 3-8中 ， Ie是 恒 流 源 电 流 ， 即 输 出 端 短 路 电 流 的 幅 值 ；G0是 恒 流 源 的 内 电 导 ， 即 获 取 的 中 频 输 出 电 导 。 当 中 频 端口 短 路 时 ， Ie=I0， 混 频 器 的 外 部 方 程 为 IS=IA USGg U0=0将 式 (3-25)和 式 (3-23)联 立 求 解 ， 得 (3-25) 21e Ag 11mI IG m (3-26) 第 3章 微 波 混 频 器 混 频

8、器 的 中 频 输 出 电 导 G0是 输 入 端 恒 流 源 IA开 路 时 (即 IA 0)由 输 出 端 向 左 看 过 去 的 等 效 电 导 。 当 IA 0时 ， IS=USGg， 代 入 式 (3-23)得 于 是 混 频 器 输 出 的 中 频 资 用 功 率 为 (3-27)o 12 2122 o 11 go U m mG mI m G 2 2 2e 21 Aoa 0 g 11 22 11 g 12 218 8( ) ( ) I m IP G G m m m G m m (3-28) 第 3章 微 波 混 频 器 因 此 ， 镜 频 端 口 的 负 载 电 导 Gi为 任 意

9、 值 时 ， 混 频 器 的 净变 频 损 耗 为 可 见 ， 净 变 频 损 耗 是 信 号 源 电 导 Gg与 网 络 参 数 m 的函 数 。 当 混 频 器 的 激 励 状 态 一 定 时 ， L 0随 Gg变 化 。 调 整 Gg可使 L0达 到 最 小 。 令 ， 即 可 求 得 最 小 变 频 损 耗 及 其 相应 的 最 佳 源 电 导 和 最 佳 输 出 电 导 ， 即 (3-29)g 11 22 11 g 12 21sa0 2oa 21 g( )( ( ) )G m m m G m mPL P m G 0g 0LG 第 3章 微 波 混 频 器 (3-30)11 22 12

10、 21 11 22 11 22 12 212211 2 2 ( )m m m m m m m m m mm 11gopt 11 22 12 2122 ( )mG m m m mm 22copt 11 22 12 2111 ( )mG m m m mm (3-31)(3-32) gopt 11 22 11 g 12 210min 221 g( )( ( ) )G m m m G m mL m G 第 3章 微 波 混 频 器 2. 镜 像 匹 配 (Gi Gg)时 的 净 变 频 损 耗 当 混 频 器 输 入 回 路 的 带 宽 相 对 于 中 频 来 说 足 够 宽 时 ， 输入 回 路 对

11、 镜 频 呈 现 的 电 导 Gi和 对 信 号 频 率 所 呈 现 的 电 导 差 不多 相 等 ， 即 Gi Gg， 这 种 情 况 称 为 镜 像 匹 配 。 在 镜 像 匹 配 混频 器 中 ， 镜 频 电 压 和 镜 频 电 流 都 不 等 于 零 。 将 Gi Gg代 入 式(3-31)， 得 到 镜 像 匹 配 混 频 器 的 最 小 变 频 损 耗 、 最 佳 源 电 导和 最 佳 输 出 电 导 为 (3-33) 21 0 0 221 0 0 21 1 2 ( )21 1 2 ( )g g g gL g g g g 匹 第 3章 微 波 混 频 器 (3-34)(3-35)2

12、10 2g 0 0 22100 0 0 22( ) 1 ( )21 ( )gG g g g g ggG g g g g 匹匹 第 3章 微 波 混 频 器 3. 镜 像 短 路 (Gi )时 的 净 变 频 损 耗 如 果 在 输 入 端 加 入 对 镜 频 短 路 的 窄 带 滤 波 器 ， 使 输 入 回路 对 镜 频 呈 现 短 路 ， 则 称 为 镜 像 短 路 混 频 器 ， 如 图 3-9所 示 。在 镜 像 短 路 混 频 器 中 ， 由 于 镜 频 电 流 没 有 流 过 信 号 源 内 阻 ，因 此 镜 频 能 量 没 有 消 耗 ， 而 是 被 反 射 回 混 频 器 ，

13、所 以 净 变 频损 耗 比 镜 像 匹 配 时 要 小 。 将 Gi 代 入 式 (3-30) 式 (3-32)求得 镜 像 短 路 混 频 器 的 最 小 变 频 损 耗 、 最 佳 源 电 导 和 最 佳 输 出电 导 为 第 3章 微 波 混 频 器 (3-36) 2100 01 ( )g gG G g g 短 短 (3-37)210 2101 1 ( )1 1 ( ) ggL gg 短 第 3章 微 波 混 频 器 图 3-9 镜 像 短 路 混 频 器 第 3章 微 波 混 频 器 4. 镜 像 开 路 (Gi 0)时 的 净 变 频 损 耗 如 果 在 混 频 器 的 输 入 端

14、 与 二 极 管 之 间 嵌 入 一 个 镜 频 抑 制滤 波 回 路 ， 则 形 成 镜 像 开 路 ， 如 图 3-10所 示 。 在 镜 像 开 路 混 频 器 中 ， 由 于 镜 频 电 流 Ii 0， 因 此 不 消 耗镜 频 能 量 ， 而 将 镜 频 能 量 储 存 起 来 ， 在 镜 频 抑 制 滤 波 器 的 两端 形 成 镜 频 电 压 U， U又 与 本 振 基 波 混 频 (L i=0)， 得 到有 用 的 中 频 能 量 ， 使 输 出 的 中 频 功 率 增 加 。 所 以 镜 像 开 路 混频 器 具 有 最 低 的 净 变 频 损 耗 。 将 G i 0代 入

15、到 式 (3-30) 式 (3-32)， 得 到 镜 像 开 路 混 频器 的 最 小 净 变 频 损 耗 、 最 佳 信 号 源 电 导 和 最 佳 输 出 电 导 为 第 3章 微 波 混 频 器 图 3-10 镜 像 开 路 混 频 器 第 3章 微 波 混 频 器 (3-38) 2 22 2 2 00 2 0 2 21 01g g gG g g g g g 2 0开 2 0（ 1-g g ）（ 1- ） (1+g g )(1- )(3-39) 2 21 0 2 21 02 21 0 2 21 01 11 1 g g g gL g g g g 2 02 0开 2 02 0（ 1-g g

16、）(1+g g )(1- )（ 1-g g ）(1+g g )(1- ) 第 3章 微 波 混 频 器 图 3-11是 采 用 正 弦 电 压 激 励 时 三 种 镜 像 状 态 的 最 小 变 频损 耗 和 本 振 电 压 幅 值 的 关 系 曲 线 。 由 图 可 见 ， 镜 像 开 路 混 频器 和 镜 像 短 路 混 频 器 由 于 镜 频 能 量 回 收 ， 使 得 L开 L短 L1。 (2) 当 接 收 宽 带 或 “ 双 边 带 ” 信 号 时 ， Fm=L2tm双 /2， 故整 机 噪 声 系 数 为 (3-64) 2mA m 1F 1)2LF t F 双（ 第 3章 微 波

17、混 频 器当 tm双 1时 ， 则 DSB： FmAL2+FIF 3 (dB) SSB： FmAL2+FIF (dB)3.3.4 混 频 器 的 其 他 电 气 指 标 变 频 损 耗 和 噪 声 系 数 是 微 波 混 频 器 的 关 键 指 标 ， 是 设 计混 频 器 时 必 须 谨 慎 考 虑 的 。 设 计 一 个 工 程 化 的 混 频 器 ， 还 要正 确 处 理 下 列 指 标 ， 才 能 满 足 整 机 使 用 要 求 。 第 3章 微 波 混 频 器 1. 信 号 端 口 与 本 振 端 口 的 隔 离 度 如 果 信 号 端 口 与 本 振 端 口 的 隔 离 较 差 ，

18、 信 号 能 量 将 会 泄漏 到 本 振 端 口 ， 造 成 能 量 损 失 ， 以 及 本 振 能 量 泄 漏 到 信 号 端口 ， 造 成 信 号 源 的 不 稳 定 及 向 外 辐 射 能 量 ， 因 此 要 求 信 号 端口 与 本 振 端 口 之 间 具 有 一 定 的 隔 离 度 。 用 PS表 示 输 入 信 号 功 率 ， PLS表 示 信 号 泄 漏 到 本 振 端 口的 功 率 ， 则 隔 离 度 定 义 为 L SL=10 lg(PS/PLS)。 也 可 用 PL表 示输 入 本 振 功 率 ， PSL表 示 本 振 泄 漏 到 信 号 端 口 的 功 率 ， 则 隔离

19、 度 定 义 为 LLS=10 lg(PL/PSL)。 根 据 互 易 原 理 ， 可 得 到LLS=LSL。 一 般 信 号 端 口 与 本 振 端 口 的 隔 离 是 通 过 采 用 特 殊的 电 路 结 构 来 实 现 的 ， 如 采 用 定 向 耦 合 器 来 接 入 信 号 及 本 振 。 第 3章 微 波 混 频 器 2. 输 入 驻 波 比 混 频 器 的 输 入 端 反 射 不 仅 导 致 失 配 损 耗 ， 而 且 当 混 频 器为 接 收 机 前 置 级 时 ， 由 于 反 射 信 号 在 天 线 与 接 收 机 之 间 来 回传 输 ， 从 而 使 输 入 端 信 号 产

20、 生 相 位 失 真 。 在 某 些 相 位 关 系 要求 较 高 的 系 统 里 ， 对 输 入 驻 波 比 有 特 别 严 格 的 要 求 ， 在 一 般情 况 下 ， 输 入 驻 波 比 应 小 于 2。 第 3章 微 波 混 频 器 3. 动 态 范 围 混 频 器 的 动 态 范 围 指 能 够 使 混 频 器 有 效 工 作 的 输 入 电 平范 围 。 如 果 用 图 3-17来 表 示 混 频 器 变 频 损 耗 与 输 入 功 率 的 关系 ， 结 合 前 面 对 小 信 号 混 频 器 的 讨 论 ， 可 见 当 输 入 电 平 较 低时 ， 输 入 功 率 与 输 出 中

21、 频 功 率 成 线 性 关 系 ， 变 频 损 耗 也 是 常数 ； 当 输 入 功 率 增 加 到 一 定 电 平 时 ， 由 于 大 信 号 作 用 ， 寄 生频 率 增 多 ， 因 而 使 变 频 损 耗 增 加 。 定 义 变 频 损 耗 相 对 于 低电 平 恒 定 值 增 大 1 dB时 的 输 入 电 平 为 1 dB压 缩 点 ， 混 频 器 的动 态 范 围 上 限 即 是 1 dB压 缩 点 ， 下 限 决 定 于 噪 声 电 平 。 第 3章 微 波 混 频 器图 3-17 混 频 器 的 动 态 特 性 第 3章 微 波 混 频 器 混 频 器 的 动 态 范 围 也

22、 可 用 输 入 微 波 功 率 和 输 出 中 频 功 率的 关 系 来 描 述 ， 类 似 于 饱 和 功 率 放 大 器 ， 只 要 输 入 功 率 大 于1 dB压 缩 点 ， 就 存 在 交 调 干 扰 (IMD)的 可 能 。 如 果 输 入 为 单一 频 率 ， 则 输 出 为 中 频 的 各 次 谐 波 ， 即 Nfi=NfL NfS 如 果 输 入 为 两 个 接 近 的 微 波 信 号 ， 就 会 出 现 高 次 双 音 交调 ， 即 上 IM边 带 ： f L NfS1 (N 1)fS2 下 IM边 带 ： fL NfS2 (N 1)fS1 N 2， 3， 4 第 3章

23、微 波 混 频 器 图 3-18给 出 了 双 音 IMD的 频 谱 图 ， 图 中 本 振 频 率 为 10 GHz， 信 号 频 率 为 9.9 GHz， 输 出 中 频 为 100 MHz， 假 定 输入 的 两 个 微 波 频 率 为 9.89 GHz和 9.91 GHz。 可 见 ， 最 显 著 的IMD是 3阶 输 出 fL (2fS1 fS2) 70 MHz和 fL (2fS2 fS1)=130 MHz， 最 容 易 出 现 在 中 频 带 宽 内 。 第 3章 微 波 混 频 器 图 3-18 双 音 IMD的 频 谱 图 第 3章 微 波 混 频 器 图 3-19给 出 了

24、1 dB压 缩 点 与 三 阶 交 调 的 关 系 。 输 入 信 号的 功 率 大 于 1 dB压 缩 点 后 ， 线 性 外 推 到 基 频 响 应 与 三 阶 IMD响 应 相 交 的 点 成 为 理 论 三 阶 截 点 。 混 频 器 的 三 阶 截 点 值 越 大 ，对 三 阶 IMD的 抑 制 越 好 ， 典 型 值 为 大 于 1 dB压 缩 点 10 dB左右 。 混 频 器 应 工 作 在 输 入 功 率 小 于 1 dB压 缩 点 的 范 围 内 ， 门限 噪 声 电 平 与 1 dB压 缩 点 的 区 间 成 为 线 性 范 围 ， 一 般 应 大 于60 dB 。 第

25、3章 微 波 混 频 器 图 3-19 1 dB压 缩 点 与 三 阶 交 调 的 关 系 第 3章 微 波 混 频 器 对 于 一 般 接 收 机 ， 动 态 范 围 的 限 制 一 般 并 不 构 成 太 大 的影 响 ， 但 对 用 于 测 试 仪 表 的 混 频 器 ， 由 于 需 用 混 频 器 输 出 来表 征 待 测 量 参 数 ， 因 此 输 入 、 输 出 信 号 之 间 需 保 持 严 格 的 线性 关 系 ， 动 态 范 围 就 必 须 予 以 限 制 。 对 于 运 动 目 标 系 统 ， 接收 机 在 近 距 离 时 是 大 功 率 工 作 ， 动 态 范 围 直 接

26、 影 响 系 统 的 工作 性 能 。 4. 频 带 宽 度 频 带 宽 度 是 指 满 足 各 项 指 标 的 混 频 器 工 作 频 率 范 围 ， 它主 要 取 决 于 二 极 管 的 寄 生 参 量 及 组 成 电 路 各 元 件 的 频 带 宽 度 。除 了 这 些 指 标 ， 由 于 应 用 场 合 的 不 同 ， 对 混 频 器 还 会 有 不同 的 要 求 ， 应 用 中 应 具 体 问 题 具 体 分 析 。 第 3章 微 波 混 频 器 5. 结 构 尺 寸 和 环 境 条 件 混 频 器 的 外 形 结 构 及 接 口 形 式 由 整 机 给 出 ， 在 此 基 础 上来 确 定 混 频 器 的 电 路 拓 扑 形 式 ， 并 进 行 电 气 指 标 设 计 。 环境 条 件 包 括 温 度 、 湿 度 、 振 动 、 冲 击 、 加 速 度 、 盐 雾 和 低 气压 等 ， 应 根 据 混 频 器 的 使 用 场 合 采 取 相 应 的 措 施 ， 以 保 证 混频 器 的 电 气 指 标 。