4.3 混频电路地位：超外差接收机的重要组成部分。作用：将天线上感生的输入高频信号变换为固定 的中频信号。重要性：靠近天线，直接影响接收音机的性能。种类：(1) 一般接收机中：三极管混频器。(2) 高质量通信接收机：二极管环形混频器、双差分对平衡调制器混频器。 4.3.1 通信接收机中的混频电路一、主要性能指标1混频增益 定义：混频器的输出中频信号电压 Vi（或功率PI ）对输入信号电压 Vs（或功率 PS）的比值，用分贝表 示(与混频损耗 Lc 类似) 或2噪声系数定义：输入信号噪声功率比(PS/Pn)i对输出中频信 号噪声功率比(PI/Pn)o的比值，即 接收机的噪声系数主要取决于它的前端电路，若 无高频放大器，主要由混频电路决定。 31dB 压缩电平 当输入信号功率较小时，输出 中频功率随输入信号功率线性地增 大，混频增益为定值；以后由于非线性，输出功率 的增大趋于缓慢。定义：比线性增长低 1 dB 时所对应的输出中频功 率电平，用 PI1dB 表示。 dBm ：高于1mW 的分贝数，P(dBm) = 10lgP(mW)。意义：PI1dB 所对应的输入信号功率 PS 是混频器动态范围的上限电平。 4混频失真在接收机中，加在混频器输入端的除了有用输入信 号外，还往往存在着多个干扰信号。由于非线性，混频器件输出电流中将包含众多组合 频率分量，其中，可能有某些组合频率分量的频率十分 靠近中频，中频滤波器无法将它们滤除。它们叠加在有用中频信号上，引起失真，称混频失 真，它将严重影响通信质量。5隔离度理论上，混频器各端口之间相互隔离，任一端口上的功率不会窜到其它端口上。实际上，总有极少量功率在各端口之间窜通。定义：本端口功率与其窜通到另一端口的功率之 比(用分贝表示)。意义：用来评价窜通大小的性能指标。危害：在接收机中，本振端口功率向输入端口的 窜通危害最大。为保证混频性能，加在本振端口的本 振功率都比较大，当它窜通到输入信号端口时，就会 通过输入信号回路回到天线上，产生本振功率的反向 辐射，严重干扰邻近接收机。 二、二极管环形混频器和双差分对混频器高性能通信接收机混频器种类：二极管环形混频 器、双差分对平衡调制器混频器。1二极管环形混频器已形成完整的系列，常用的是 Level7、Level17、 Level23 三种系列，它们所需的本振功率分别为 7dBm(5mW)， 17dBm(50mW)， 23dBm(200mW)(用保证二极管开关工作所需本振功率电平的高低进行分 类)。显然，本振功率电平越高，相应的 1dB 压缩电平也就越高，混频器的动态范围就越大。对于上述三种系列，1dB 压缩电压所对应的最大输入信号功率分别为 1dBm(1.25mW)，10dBm(10mW)， 15dBm(32mW)。优点：工作频带宽、噪声系数低、混频失真小、动 态范围大。应用广泛。 缺点：没有混频增益、端口间的隔离度较低。实际二极管环形混频器各端口的匹配阻抗均为 50 。应用时，各端口都必须接入滤波匹配网络，分别实现 混频器与输入信号源，本振信号源，输出负载间的阻抗 匹配。 2双差分对平衡混频器继 XFC1596 后，已出现多种双差分对平衡调制器 产品，其中 AD831 的工作频率可达 500 MHz 以上，它由双差分对平衡调制器、输出低噪声放大器和本振驱 动组成(p205)。 特点：混频增益高，输入端只需电压激励，一般不 需匹配网络，使用方便。同时，AD831中设有本振驱动放大器，为保证开关工作而所需的本振功率很小，且端 口间隔离度很高。不必考虑天线反向辐射的问题。缺点：噪声系数较大，动态范围小。4.3.2 三极管混频电路一、作用原理 1原理电路 L1C1 输入信号回路，调谐在 fc L2C2输出中频回路，调谐在 fI本振电压 vL = VLmcosLt 接在基极回路中，VBBO 为 基极静态偏置电压。 vBE = VBBO + vL + vS2工作原理将 VBB0 + vL 作为三极管的等效基极偏置电压，用 vBB(t)表示，称为时变基极偏置电压，则当输入信号电 压 vS = Vsmcosct 很小，满足线性时变条件时，三极管集电极电流为 iC f(vBE) IC0(vL) + gm(vL) vS在时变偏压作用下，gm(vL)的傅氏级数展开式为：gm(vL) = gm(t) = g0 + gm1cosLt + gm2cos2Lt + gm(t) 中的基波分量gmlcosLt 与输入信号电压 vS 相乘 gmlcosLt Vsmcosct =令 I = L - c，得中频电流分量为iI = IImcosIt = 其中 gmc = IIm/Vsm = gm1称为混频跨导，定义为输出中频电流幅值 IIm 对输入信号电压幅值 Vsm 之比，其值等于 gm(t) 中基波分量幅度 gm1 的一半。= gmlVsmcos(L - c)t + cos(L + c)t若设中频回路的谐振电阻为 Re，则所需的中频 输出电压 vI = - iIRe ，相应的混频增益为AC= = - gmc Re3小结(1) 在满足线性时变条件下，三极管混频电路的混 频增益与混频跨导 gmc 成正比。而gmc 又与 VLm 和静态偏置有关。(2) 三极管的转移特性曲性(iC vBE)，它的各点斜 率的连线即为跨导特性 gm(vBE)。在 vBE = VBB(t) 的作用 下，便可画出 gm(t) 波形。由图可见，当 VBB0 一定， VLm 由小增大 时，gm1 即 gmc 也相应地由小增大，直到 gm(t) 趋近方波时，相应的 gmc 便达到最大值。 实际上，三极管混频电 路中，一般均采用分压式偏 置电路，因而，当 VLm 增大到一定值后，由于特性的非线性，产生自给偏置效应，基极偏置电压将自静态值 VBB0 向截止方向移动，因而相应的 gmc 也就比上述恒定 偏置时小，结果使 gmc 随 VLm 的变化如图实线所示。可 见，相应于某一 VLm 值，gmc 和相应的混频增益达到最 大值。 实验指出，在中波广播收音机 中，这个最佳的 VLm 约为 (20 200)mV。反之，当 VLm 一定时，改 变 VBB0(或 IEQ) 时，gmc 也会相应变 化。实验指出，IEQ 在 (0.21)mA 时，gmc 近似不变，并接近最大值。二、电路1本机振荡器电感三点式电路。产生 的本机振荡电压通过耦合线 圈 Le 加到 T1 管的发射极上。天线上感生的信号电压 通过耦合线圈 La 加到输入信 号回路，再通过耦合线圈 Lb 加到 T1 管的基极上。 在实际电路中， La 和 Lb 的取值较小，这样对输入 信号频率而言，本振回路严重失谐，它在 Le 两端呈现的阻抗很小，可看成短路；同理，对本振频率而言， 输入信号回路严重失谐，它在 Lb 两端呈现的阻抗很小，也可成短路。因而保证了输入信号电压和本振电 压都有良好的通路，能有效地加到 T1 管发射结上，同时有效地克服了本振电压经输入信号回路泄漏到天 线上，产生反向辐射。4.3.3 混频失真由于混频器件特性的非线性，混频器将产生各种 干扰和失真(干扰哨声、寄生通道干扰、交叉调制失真 、互相调制失真等)，现以接收机为对象讨论其成因和 危害。一、干扰哨声和寄生通道干扰 1干扰哨声混频器输入有用信号时，混频器件输出电流将出 现众多组频率分量： fp,q =这种情况犹如混频器中存在着无数个变换通道，其 中只有一个变换通道(p = q = 1)是有用的，它可以将输入信号频率变换为所需的中频，而其余大量的变换通道 都是无用的，甚至有的还十分有害。例如对应于某一对 p 和 q 值的 fp,q(除 p = q = 1 以外)，若其值十分接近于 中频，即 = f1 F (4-3-5)( F 为可听的音频频率)则在混频器中，输入信号除了 通过(p = q = 1)有用通道变换为中频信号以外，还可通 过 p 和 q 满足上式的那些通道变换为接近于中频的寄生信号。它们都将顺利地通过中频放大器。这样，收 听者就会在听到有用信号声音的同时，还听到由检波 器检出的差拍信号(频率为 F)所形成的哨叫声，故称这 种干扰为混频器的干扰哨声。 由满足干扰哨声的频率关系式(4-3-5)可见，它可分 解为四个关系式： qfc - pfL = fI FpfL - qfc = fI FpfL + qfc = fI F- pfL - qfc = fI F若令 fL - fc = fI，因 pfL + qfc 恒大于 fI，- pfL - qfc 是无意义的负频率，则只有前两式有可能成立，后两式是无 效的。 将前两式合并，便可得到产生干扰哨声的输入有用 信号频率为： 一般情况下，fI F，上式可简化为讨论：(1) 上式表明，若 p 和 q 取不同的正整数，则会产生干扰哨声的输入有用信号频率有无限多个，并且其 值均接近于 fI 的整数倍或分数倍。 (2) 减小干扰哨声的办法实际上，任何一部接收机的接收频段是有限的（例 如中波段广播收音机的接收频段为 5351605 kHz）。因此，其中只有落在接受频段内的才会产生干扰哨声。 另外，由于组合频率分量电流的振幅随(p + q)的增加而 迅速减小，因而，其中只有对应于 p 和 q 为较小值的输 入有用信号才会产生明显的干扰哨声，而对于 p 和 q 为较大值产生的干扰哨声一般可以忽略 。可见，只要将产生最强干扰哨声的信号频率移到接 收频段以外，就可大大减小干扰哨声的有害影响。例如，由 可知，对应于 p = 0，q = 1的干扰哨声最强，相应输入信号频率接近于中频，即 fc fI，因此，为了避免这个最强的干扰哨声，接收机的中频总是选在接收频段以外。例如，上述中频接收 机，fI 规定为 465 kHz。 2. 寄生通道干扰当接收机接收频率为 fc 的信号时，本振频率应为 fL ，且 fL - fc = fI。这时，若干扰信号(频率为 fM)加到混频器输入端，则混频器输出电流中将出现由下列频率通式 表示的众多组合频率分量: fp,q=其中，某些通道的 p 和 q 值及其所取的正、负号满足下列关系式(4-3-8)则干扰信号就将其频率 fM 变换为 fI，顺利地通过中频放大器，造成干扰(收音机听到干扰信号)。这种干扰 称为寄生通道干扰。 由于受到 fL - fc = fI 的限制，因而产生寄生通道干 扰的频率关系式(4-3-8)只有下列两式才能成立pfL - qfM = fI ，qfM - pfL = fI将它们合并，就得到能形成寄生通道干扰的输入干扰 信号频率为 fM = (4-3-9)上式表明，fM 对称地分布在 pfL/q 的左右，并且与 pfL/q 的间隔均为 fI/q 。当接收机调谐于给定信号频率 fc 时，fL 则定，混频器就能为频率满足上式的干扰信号提 供寄生通道，将它变换为中频。 根据(4-3-9)式，可以求得两个形成最强寄生通道干 扰的频率。一个是对应于 p = 0，q = 1 的寄生通道，相 应的 fM = fI ，故称中频干扰。对于这种干扰信号，混频器实际上起到了中频放大器的作用，具有比有用信号更 强的传输能力。 另一个是对应于 p = 1，q = 1 的寄生通道，相应的 fM 用 fK 表示，其值为 fK = fL + fI = fc + 2fI 如果将 fL 想象为一面镜子，则 fK 就 是 fc 的镜像，如图所示，故称镜像频率干扰或对象频率干扰。对于这种干扰信号，它所通过的寄生通道具有与有用通道相同的 p 和 q 值(p = q = 1)，因而具有与有用信号通道相同的变换能力。可见，如果上述两种干扰信号能够加到混频器的输入