混頻器/變頻器的原理及分類

什麼是混頻器

變頻,是將信號頻率由一個量值變換爲另一個量值的過程。具有這種功能的電路稱爲變頻器(或混頻器)。
一般用混頻器產生中頻信號

混頻器將天線上接收到的射頻信號與本振產生的信號相乘,cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2
可以這樣理解,α爲射頻信號頻率量,β爲本振頻率量,產生和差頻。當混頻的頻率等於中頻時,這個信號可以通過中頻放大器,被放大後,進行峯值檢波。檢波後的信號被視頻放大器進行放大,然後顯示出來。由於本振電路的振盪頻率隨着時間變化,因此頻譜分析儀在不同的時間接收的頻率是不同的。
混頻器原理

工作原理

兩個不同頻率的高頻電壓作用於非線性器件時, 經非線性變換,電流中包含直流分量、基波、諧波、和頻、差頻分量等。其中差頻分量fLo-fs就是混頻所需要的中頻成分,通過中頻帶通濾波器把其它不需要的頻率分量濾掉,取出差頻分量完成混頻。

主要應用

( 1 )頻率變換。這是混頻器的一一個衆所周知的用途。常用的有雙平衡混頻器和三平衡混頻器。三平衡混頻器由於採用了兩個二二極管電橋。三端口都有變壓器,因此其本振、射頻及中頻帶寬可達幾個倍頻程,且動態範圍大,失真小,隔離度高。但其製造成本高,工藝複雜,因而價格較高。

( 2 )鑑相。理論上所有中頻是直流耦合的混頻器均可作爲鑑相器使用。將兩個頻率相同,幅度一 致的射頻信號加到混頻器的本振和射頻端口,中頻端將輸出隨兩信號相差而變的直流電壓。當兩信號是正弦時,鑑相輸出隨相差變化爲正弦,當兩輸入信號是方波時,鑑相輸出則爲三角波。使用功率推薦在標準本振功率附近,輸入功率太大,會增加直流偏差電壓,太小則使輸出電平太低。

(3 )可變衰減器。此類混頻器也要求中頻直流耦合。信號在混頻器本振端口和射頻端F 1間的傳輸損耗是有中頻電流大小控制的。當控制電流爲零時,傳輸損耗即爲本振到射頻的隔離,當控制電流在20mA以上時,傳輸損耗即混頻器的插入損耗。這樣,就可用正或負電流連續控制以形成約30dB變化範圍的可變衰減器,且在整個變化範圍內端口駐波變化很小。同理,用肪波控制就可形成開關。

( 4 )相位調製器。此類混頻器也要求中頻直流耦合。信號在混頻器本振端口和射頻端口間傳輸相位是由中頻電流的極性控制的。在中頻端口交替地改變控制電流極性,輸出射頻信號的相位會隨之在0°和180°兩種狀態下交替變化。

( 5)參量混頻器。主要是利用非線性電抗特性將輸入信號變換爲中頻信號的電路。電抗元件在理想情況下既不消耗功率也不產生噪聲,所以參量混頻器具有變換效率高、噪聲小的優點。雷達和微波系統常用參量混頻來實現低噪聲接收。圖6爲並聯電流型參量混頻電路。用亮Q濾波器Fc、F1和Fi隔開的三個迴路,分別只允許信號電流ic、本振電流i1和差頻電流i流過。非線性電抗元件-般由變容= 極管構成,它在本振電壓(又稱泵電壓)的控制下,在輸入與輸出信號間起非線性變換作用。

( 6 )正交相移鍵控調製。QPSK是由兩個BPSK、一個90度電橋和一個0度功分器構成。I/Q調製/解調器調製與解調實爲相互逆反的過程,在系統中是可逆。這裏主要介紹I/Q解調器, I/Q解調器由兩個混頻器、一個90度電橋和一個同相功分器構成。

( 7 )鏡像抑制混頻器。抑制鏡像頻率的濾波器一 般都是固定帶寬的。但當信號頻率改變時,鏡頻頻率也隨之改變,可能移出濾波器的抑制頻帶。在多信道接收系統或頻率捷變系統中,這種濾波器將失去作用。這時採用鏡頻抑制混頻器,本振頻率變化時,由於混頻器電路內部相位配合關係,被抑制的鏡頻範圍也將隨之改變,使其仍能起到鏡頻抑制的作用。 由於電路不是完全理想特性,存在幅度不平衡和相位不平衡,可能使鏡像抑制混頻器的電性能發生惡化,下圖爲幅度不平衡和相位不平衡對電性能響加以說明。

( 8 )單邊帶調製器。在多信道發射系統中,由於基帶頻率很低若採用普通混頻器作頻譜搬移,則在信道帶寬內將有兩個邊帶,從而影響頻譜資源的利用。這時可採用單邊帶調製器來抑制不需要的邊帶, 其基本結構爲兩個混頻器、一個90度功分器和一個同相功分器。將基帶信號分解爲正交兩路與本振的正交兩路信號混頻,採用相位抵銷技術來抑制不需要的邊帶,本振由於混頻器自身的隔離而得到抑制。

IQ混頻器

IQ混頻器與常規混頻器的區別在於:

中頻IF由I、Q兩路組成
LO內有有電橋
內部由2個混頻組成。

在這裏插入圖片描述
圖1:IQ混頻器原理框圖

1. 上變頻,邊帶抑制混頻器 SSB Mixer

用作上變頻時,也叫邊帶抑制混頻器,IF端口加電橋。

通過選擇輸入電橋端口,選擇射頻的上邊帶或下邊帶;

通過調節IQ偏置電壓可以調節LO本振泄露;

通過IQ兩路的平衡度調節邊帶抑制。
圖2:上變頻,邊帶抑制
2. 下變頻,也叫鏡像抑制混頻器IR Mixer

在IF端加電橋,可以抑制鏡像干擾產生的中頻信號。
在這裏插入圖片描述

3. 典型的超外超系統
在這裏插入圖片描述
如果使用常規的平衡混頻器,將IF上變頻後,在LO兩端有同樣功率大小的頻率,LO+IF和LO-IF,需要用濾波器將其濾波器;

在接收端,必須加前置濾波器,否則鏡像頻率和目標頻率與LO混頻後,產生的頻率都是IF,無法區分。

4. IQ混頻器系統
在這裏插入圖片描述
採用IQ混頻器,在發射端和接收端可以減去濾波器,從而減小系統尺寸,簡化設計。

5. Marki IQ Mixer

產品封裝包括:同軸、表貼SMT、裸芯片Die等。

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