混頻器基礎概念大盤點
發布時間:2020-11-09 來源:亞德諾半導體 責任編輯:lina
【導讀】顧名思義,混頻器將兩個輸入信號混合,產生其頻率之和或頻率之差。利用混頻器產生比輸入信號高的輸出頻率時(兩個頻率相加),稱為上變頻;利用混頻器產生比輸入信號低的輸出頻率時,稱為下變頻。
在RF和微波設計中,混頻是信號鏈最關鍵的部分之一。今天我們就講講各種類型的混頻器以及各自的優缺點。
顧名思義,混頻器將兩個輸入信號混合,產生其頻率之和或頻率之差。利用混頻器產生比輸入信號高的輸出頻率時(兩個頻率相加),稱為上變頻;利用混頻器產生比輸入信號低的輸出頻率時,稱為下變頻。
單/雙/三平衡無源混頻器
最常見的混頻器類型是無源混頻器。此類混頻器有不同的設計樣式,如單端、單平衡、雙shuang平ping衡heng和he三san平ping衡heng等deng。使shi用yong最zui廣guang泛fan的de架jia構gou是shi雙shuang平ping衡heng混hun頻pin器qi。這zhe種zhong混hun頻pin器qi很hen受shou歡huan迎ying,因yin為wei其qi性xing能neng出chu色se,實shi現xian和he架jia構gou簡jian單dan,性xing價jia比bi高gao,並bing能neng提ti供gong多duo種zhong選xuan項xiang。
無源混頻器通常以簡易性而出名,不需要任何外部直流電源或特殊設置。此類混頻器還有其他為人所稱道的特性,包括寬帶寬性能、良好的動態範圍、低噪聲係數(NF)yijiduankoujianlianghaodegeli。cileihunpinqideshejijiqiwuwaibuzhiliudianyuanyaoqiudeyoushi,shidehunpinqishuchuduandezaoshengxishuhendi。yigejiaohaodejingyanfazeshi,wuyuanhunpinqidezaoshengxishudengyuqizhuanhuansunhao。cileihunpinqifeichangshiheyoudizaoshengxishuyaoqiudeyingyong,eryouyuanhunpinqiwufamanzuzheyiyaoqiu。cileihunpinqishanchangdelingyigelingyushigaopinhekuandaikuansheji。congRF一(yi)直(zhi)到(dao)毫(hao)米(mi)波(bo)頻(pin)率(lv),它(ta)們(men)都(dou)能(neng)提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)性(xing)能(neng)。混(hun)頻(pin)器(qi)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)特(te)性(xing)是(shi)不(bu)同(tong)端(duan)口(kou)之(zhi)間(jian)的(de)隔(ge)離(li)。此(ci)特(te)性(xing)往(wang)往(wang)決(jue)定(ding)了(le)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)可(ke)使(shi)用(yong)何(he)種(zhong)混(hun)頻(pin)器(qi)。三(san)平(ping)衡(heng)無(wu)源(yuan)混(hun)頻(pin)器(qi)的(de)隔(ge)離(li)性(xing)能(neng)通(tong)常(chang)最(zui)佳(jia),但(dan)其(qi)架(jia)構(gou)複(fu)雜(za),而(er)且(qie)其(qi)他(ta)特(te)性(xing)(如線性度等)有些不足;雙平衡無源混頻器的端口間隔離性能良好,同時架構較簡單。對大多數應用而言,雙平衡混頻器實現了隔離度、線性度和噪聲係數的最佳組合。
就信號鏈整體而言,線性度(也常用三階交調截點IIP3來衡量)是RF和微波設計的最重要特性之一。無源混頻器通常以高線性度性能而出名。遺憾的是,為了實現最佳性能,無源混頻器需要高LO輸入功率。多數無源混頻器使用二極管或FET晶體管,需要大約13 dBm到20 dBm的LO驅動,這對某些應用情形來說是相當高的。高LO驅qu動dong要yao求qiu是shi無wu源yuan混hun頻pin器qi的de最zui大da弱ruo點dian之zhi一yi。無wu源yuan混hun頻pin器qi的de另ling一yi個ge弱ruo點dian是shi混hun頻pin器qi輸shu出chu端duan的de轉zhuan換huan損sun耗hao。此ci類lei混hun頻pin器qi是shi無wu增zeng益yi模mo塊kuai的de無wu源yuan元yuan件jian,故gu而er混hun頻pin器qi輸shu出chu端duan往wang往wang有you很hen高gao的de信xin號hao損sun耗hao。例li如ru,若ruo混hun頻pin器qi的de輸shu入ru功gong率lv為wei0 dBm,且混頻器有9 dB的轉換損耗,則混頻器輸出將是–9 dBm。總的來說,此類混頻器非常適合測試測量和軍用市場
無源混頻器的優勢
●寬帶寬
●高動態範圍
●低噪聲係數
●高端口間隔離

圖1. I/Q混頻器框圖和鏡像抑製頻域圖
I/Q鏡像抑製(IRM)混頻器
I/Q混(hun)頻(pin)器(qi)是(shi)一(yi)類(lei)無(wu)源(yuan)混(hun)頻(pin)器(qi),它(ta)不(bu)但(dan)擁(yong)有(you)常(chang)規(gui)無(wu)源(yuan)混(hun)頻(pin)器(qi)的(de)優(you)勢(shi),還(hai)具(ju)備(bei)其(qi)他(ta)優(you)勢(shi),即(ji)不(bu)通(tong)過(guo)任(ren)何(he)外(wai)部(bu)濾(lv)波(bo)便(bian)可(ke)消(xiao)除(chu)不(bu)需(xu)要(yao)的(de)鏡(jing)像(xiang)信(xin)號(hao)。此(ci)類(lei)混(hun)頻(pin)器(qi)用(yong)作(zuo)下(xia)變(bian)頻(pin)器(qi)時(shi)也(ye)稱(cheng)為(wei)IRM(鏡像抑製混頻器),用作上變頻器時則稱為SSB(單邊帶混頻器)。I/Q混頻器由兩個雙平衡混頻器構成,LO信號一分為二,然後經過相移而相差90°(一個混頻器為0°,另一個混頻器為90°)。通過此相移,混頻器得以僅產生一個邊帶(需要的)信號,而抑製不需要的信號。
圖2在同一頻譜圖上顯示了I/Q混頻器(紫色線)和雙平衡混頻器(藍色線)的性能。可以看到,I/Q混頻器通過提供45 dB抑製來抑製不需要的低邊帶,而雙平衡混頻器同時產生了高邊帶和低邊帶。

圖2. HMC773A無源混頻器和HMC8191 I/Q混頻器的頻譜圖,IF輸入為1 GHz, LO輸入為16 GHz
像雙平衡無源混頻器一樣,I/Q混頻器也需要高LO輸入功率。從架構看,I/Q混頻器采用兩個雙平衡混頻器,因此與兩個雙平衡混頻器相比,所需的LO驅動往往要再多出大約3 dB。I/Q混頻器對精密平衡的相位和幅度輸入匹配很敏感。輸入信號、混合結構、係統板或混頻器本身的任何偏離90°的相移或幅度失衡,都會直接影響鏡像抑製水平。通過外部校準混頻器以改善性能,可以校正這些誤差的影響。
由於邊帶抑製特性,I/Q混(hun)頻(pin)器(qi)常(chang)用(yong)於(yu)需(xu)要(yao)消(xiao)除(chu)邊(bian)帶(dai)但(dan)不(bu)通(tong)過(guo)外(wai)部(bu)濾(lv)波(bo)的(de)應(ying)用(yong),同(tong)時(shi)它(ta)能(neng)提(ti)供(gong)非(fei)常(chang)好(hao)的(de)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)和(he)線(xian)性(xing)度(du)。此(ci)類(lei)市(shi)場(chang)的(de)常(chang)見(jian)例(li)子(zi)是(shi)微(wei)波(bo)點(dian)對(dui)點(dian)回(hui)程(cheng)通(tong)信(xin)、測試測量儀器儀表和軍事用途。
I/Q混頻器的優勢
●固有的鏡像抑製
●無需昂貴的濾波
●良好的幅度和相位匹配
有源混頻器
有源混頻器主要有兩類:單平衡和雙平衡(也稱為吉爾伯特單元)混頻器。有源混頻器的優勢是LO端口和RF輸出端內置增益模塊。此類混頻器會為輸出信號提供一定的轉換增益,並且輸入LO功率要求較低。有源混頻器的典型LO輸入功率是0 dBm左右,遠低於大多數無源混頻器。
有源混頻器常常還集成LO倍頻器,用來將LO頻率倍乘到更高的頻率。此倍頻器對客戶非常有利,無需高LOpinlvbiankequdonghunpinqi。youyuanhunpinqitongchangjuyouhenhaodeduankoujiangeli。raner,qiquedianshizaoshengxishujiaogao,erqieduoshuqingkuangxiaxianxingdujiaodi。duishuruzhiliudianyuandexuqiuyingxiangleyouyuanhunpinqidezaoshengxishuhexianxingdu。youyuanhunpinqichangyongyutongxinhejunyongshichang,diLO驅動和集成轉換增益的需求對此類市場可能很重要。在測試測量市場,有源混頻器主要用作IF子部分的第三級或最後一級混頻器,或用於低端儀表(集成化和高性價比設計比噪聲係數更重要)。
有源混頻器的優勢
●高集成度、小尺寸
●LO驅動要求低
●集成LO倍頻器
●良好的隔離,但線性度和噪聲係數不佳
集成頻率轉換混頻器
由於客戶需要更完整的信號鏈解決方案,所以集成頻率轉換器變(bian)得(de)頗(po)受(shou)歡(huan)迎(ying)。此(ci)類(lei)器(qi)件(jian)由(you)不(bu)同(tong)功(gong)能(neng)模(mo)塊(kuai)構(gou)成(cheng),這(zhe)些(xie)模(mo)塊(kuai)連(lian)接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)子(zi)係(xi)統(tong),使(shi)得(de)客(ke)戶(hu)的(de)最(zui)終(zhong)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)更(geng)簡(jian)單(dan)。此(ci)類(lei)器(qi)件(jian)在(zai)同(tong)一(yi)封(feng)裝(zhuang)或(huo)芯(xin)片(pian)中(zhong)集(ji)成(cheng)不(bu)同(tong)模(mo)塊(kuai),例(li)如(ru)混(hun)頻(pin)器(qi)、PLL(鎖相環)、VCO(壓控振蕩器)、倍頻器、增益模塊、檢波器等等。可將此類器件製作成SIP(係統化封裝),即把多個裸片組裝到同一封裝中,或一個裸片包括所有設計模塊。
通過將多個器件集成到一個芯片或封裝中,頻率轉換器可以給設計人員帶來很大好處,比如:尺寸更小、器件更少、設計架構更簡單,更重要的是,產品上市時間更快。

圖3. 集成頻率轉換混頻器HMC6147A的功能框圖
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