各種類(lèi)型的混頻器基礎知識大盤(pán)點(diǎn)！

顧名思義，混頻器將兩個(gè)輸入信號混合，產(chǎn)生其頻率之和或頻率之差。利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號高的輸出頻率時(shí)（兩個(gè)頻率相加），稱(chēng)為上變頻；利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號低的輸出頻率時(shí)，稱(chēng)為下變頻。

在RF和微波設計中，混頻是信號鏈最關(guān)鍵的部分之一。今天我們就講講各種類(lèi)型的混頻器以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

顧名思義，混頻器將兩個(gè)輸入信號混合，產(chǎn)生其頻率之和或頻率之差。利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號高的輸出頻率時(shí)（兩個(gè)頻率相加），稱(chēng)為上變頻；利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號低的輸出頻率時(shí)，稱(chēng)為下變頻。

01 單/雙/三平衡無(wú)源混頻器

最常見(jiàn)的混頻器類(lèi)型是無(wú)源混頻器。此類(lèi)混頻器有不同的設計樣式，如單端、單平衡、雙平衡和三平衡等。使用最廣泛的架構是雙平衡混頻器。這種混頻器很受歡迎，因為其性能出色，實(shí)現和架構簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，并能提供多種選項。

無(wú)源混頻器通常以簡(jiǎn)易性而出名，不需要任何外部直流電源或特殊設置。此類(lèi)混頻器還有其他為人所稱(chēng)道的特性，包括寬帶寬性能、良好的動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲系數(NF)以及端口間良好的隔離。此類(lèi)混頻器的設計及其無(wú)外部直流電源要求的優(yōu)勢，使得混頻器輸出端的噪聲系數很低。一個(gè)較好的經(jīng)驗法則是，無(wú)源混頻器的噪聲系數等于其轉換損耗。此類(lèi)混頻器非常適合有低噪聲系數要求的應用，而有源混頻器無(wú)法滿(mǎn)足這一要求。此類(lèi)混頻器擅長(cháng)的另一個(gè)領(lǐng)域是高頻和寬帶寬設計。從RF一直到毫米波頻率，它們都能提供良好的性能?；祛l器的另一個(gè)重要特性是不同端口之間的隔離。此特性往往決定了具體應用可使用何種混頻器。三平衡無(wú)源混頻器的隔離性能通常最佳，但其架構復雜，而且其他特性（如線(xiàn)性度等）有些不足；雙平衡無(wú)源混頻器的端口間隔離性能良好，同時(shí)架構較簡(jiǎn)單。對大多數應用而言，雙平衡混頻器實(shí)現了隔離度、線(xiàn)性度和噪聲系數的最佳組合。

就信號鏈整體而言，線(xiàn)性度（也常用三階交調截點(diǎn)IIP3來(lái)衡量）是RF和微波設計的最重要特性之一。無(wú)源混頻器通常以高線(xiàn)性度性能而出名。遺憾的是，為了實(shí)現最佳性能，無(wú)源混頻器需要高LO輸入功率。多數無(wú)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(dòng)，這對某些應用情形來(lái)說(shuō)是相當高的。高LO驅動(dòng)要求是無(wú)源混頻器的最大弱點(diǎn)之一。無(wú)源混頻器的另一個(gè)弱點(diǎn)是混頻器輸出端的轉換損耗。此類(lèi)混頻器是無(wú)增益模塊的無(wú)源元件，故而混頻器輸出端往往有很高的信號損耗。例如，若混頻器的輸入功率為0 dBm，且混頻器有9 dB的轉換損耗，則混頻器輸出將是–9 dBm?？偟膩?lái)說(shuō)，此類(lèi)混頻器非常適合測試測量和軍用市場(chǎng)

無(wú)源混頻器的優(yōu)勢

●    寬帶寬

●    高動(dòng)態(tài)范圍

●    低噪聲系數

●    高端口間隔離

圖1. I/Q混頻器框圖和鏡像抑制頻域圖

02 I/Q鏡像抑制(IRM)混頻器

I/Q混頻器是一類(lèi)無(wú)源混頻器，它不但擁有常規無(wú)源混頻器的優(yōu)勢，還具備其他優(yōu)勢，即不通過(guò)任何外部濾波便可消除不需要的鏡像信號。此類(lèi)混頻器用作下變頻器時(shí)也稱(chēng)為IRM（鏡像抑制混頻器），用作上變頻器時(shí)則稱(chēng)為SSB（單邊帶混頻器）。I/Q混頻器由兩個(gè)雙平衡混頻器構成，LO信號一分為二，然后經(jīng)過(guò)相移而相差90°（一個(gè)混頻器為0°，另一個(gè)混頻器為90°）。通過(guò)此相移，混頻器得以?xún)H產(chǎn)生一個(gè)邊帶（需要的）信號，而抑制不需要的信號。

圖2在同一頻譜圖上顯示了I/Q混頻器（紫色線(xiàn)）和雙平衡混頻器（藍色線(xiàn)）的性能?？梢钥吹?，I/Q混頻器通過(guò)提供45 dB抑制來(lái)抑制不需要的低邊帶，而雙平衡混頻器同時(shí)產(chǎn)生了高邊帶和低邊帶。

圖2. HMC773A無(wú)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(wú)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(gè)雙平衡混頻器，因此與兩個(gè)雙平衡混頻器相比，所需的LO驅動(dòng)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、系統板或混頻器本身的任何偏離90°的相移或幅度失衡，都會(huì )直接影響鏡像抑制水平。通過(guò)外部校準混頻器以改善性能，可以校正這些誤差的影響。

由于邊帶抑制特性，I/Q混頻器常用于需要消除邊帶但不通過(guò)外部濾波的應用，同時(shí)它能提供非常好的噪聲系數和線(xiàn)性度。此類(lèi)市場(chǎng)的常見(jiàn)例子是微波點(diǎn)對點(diǎn)回程通信、測試測量?jì)x器儀表和軍事用途。

I/Q混頻器的優(yōu)勢

●    固有的鏡像抑制

●    無(wú)需昂貴的濾波

●    良好的幅度和相位匹配

03 有源混頻器

有源混頻器主要有兩類(lèi)：?jiǎn)纹胶夂碗p平衡（也稱(chēng)為吉爾伯特單元）混頻器。有源混頻器的優(yōu)勢是LO端口和RF輸出端內置增益模塊。此類(lèi)混頻器會(huì )為輸出信號提供一定的轉換增益，并且輸入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，遠低于大多數無(wú)源混頻器。

有源混頻器常常還集成LO倍頻器，用來(lái)將LO頻率倍乘到更高的頻率。此倍頻器對客戶(hù)非常有利，無(wú)需高LO頻率便可驅動(dòng)混頻器。有源混頻器通常具有很好的端口間隔離。然而，其缺點(diǎn)是噪聲系數較高，而且多數情況下線(xiàn)性度較低。對輸入直流電源的需求影響了有源混頻器的噪聲系數和線(xiàn)性度。有源混頻器常用于通信和軍用市場(chǎng)，低LO驅動(dòng)和集成轉換增益的需求對此類(lèi)市場(chǎng)可能很重要。在測試測量市場(chǎng)，有源混頻器主要用作IF子部分的第三級或最后一級混頻器，或用于低端儀表（集成化和高性?xún)r(jià)比設計比噪聲系數更重要）。

有源混頻器的優(yōu)勢

●    高集成度、小尺寸

●    LO驅動(dòng)要求低

●    集成LO倍頻器

●    良好的隔離，但線(xiàn)性度和噪聲系數不佳

04 集成頻率轉換混頻器

由于客戶(hù)需要更完整的信號鏈解決方案，所以集成頻率轉換器變得頗受歡迎。此類(lèi)器件由不同功能模塊構成，這些模塊連接在一起形成一個(gè)子系統，使得客戶(hù)的最終系統設計更簡(jiǎn)單。此類(lèi)器件在同一封裝或芯片中集成不同模塊，例如混頻器、PLL（鎖相環(huán)）、VCO（壓控振蕩器）、倍頻器、增益模塊、檢波器等等?？蓪⒋祟?lèi)器件制作成SIP（系統化封裝），即把多個(gè)裸片組裝到同一封裝中，或一個(gè)裸片包括所有設計模塊。

通過(guò)將多個(gè)器件集成到一個(gè)芯片或封裝中，頻率轉換器可以給設計人員帶來(lái)很大好處，比如：尺寸更小、器件更少、設計架構更簡(jiǎn)單，更重要的是，產(chǎn)品上市時(shí)間更快。

圖3. 集成頻率轉換混頻器HMC6147A的功能框圖

來(lái)源：ADI