第三讲 微波混频器原理

时间:2025-07-09

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第3章 微波混频器

微波混频器的工作原理微波混频器是通信、雷达、电子对抗等系统的微波接收

机以及很多微波测量设备所不可缺少的组成部分。它将微弱的微波信号和本地振荡信号同时加到非线性元件上,变换为 频率较低的中频信号,进一步进行放大、解调和信号处理。

图3-1是微波混频器的原理图,对它的基本要求是小变频损耗和低噪声系数。

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第3章 微波混频器

图 3-1

微波混频器的原理框图

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第3章 微波混频器

目前微波混频器主要采用的是金属-半导体构成的肖特基势垒二极管作为非线性器件。虽然二极管混频有变频损耗, 但其噪声小、频带宽(可选多倍频程)、工作稳定、结构 简单,方便用于微波集成电路。近年来,由于微波单片集成 电路的发展,GaAs肖特基势垒栅场效应管及双栅MES FET 混频器的研制成功,使混频器电路得到新的发展。目前,结 合低噪声放大器、混频器、中频放大器等单元的集成接收组 件已经广泛被使用于各种微波系统。

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第3章 微波混频器

微波混频器的工作原理通常,微波混频器是一种非线性电阻频率变换电路。 微波混频器的核心元件是肖特基势垒二极管。常见的微波混 频器基本电路有三种类型:单端混频器使用一个混频二极管, 是最简单的微波混频器;单平衡混频器使用两个混频二极管;

双平衡混频器采用四个混频二极管。本节以元件的特性为基础,分析非线性电阻微波混频器的工作原理及性能指标,包 括电路时-频域关系、功率关系、变频损耗、噪声特性,并

给出各种微波混频器的电路实现等。

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3.1.1 本振激励特性——混频器的大信号参量如图3-2所示,在混频二极管上加大信号本振功率和直 流偏置(或零偏压)时,流过混频二极管的电流由二极管的伏 安特性来决定。加在二极管上的电压是直流偏置与本振信号 之和,二极管的伏安特性近似为指数函数,即 u (t ) E 0 U L c o s L ti f ( v ) I sa e v

(3-1) ( E0 U L cos L t )

则流过二极管的大信号电流为 i f ( E 0 U L c o s L t ) I sa e I sa e E0 U L cos L t

e

(3-2)

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图 3-2 混频二极管加直流偏压和本振功率时的原理图

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显然,流过二极管的大信号电流是本振功率ωL的周期性函数,可用傅里叶级数表示为i I 0 2 I n c o s n L tn 1

(3-3)

式中:直流分量I 0 I sa e E J 0 ( U L )0

n次谐波电流幅值 I n I sa e E J n ( U L )0

本振基波电流幅值 I 2 I 1 2 I sa e E J 1 ( U L ) L10

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当αUL足够大时,

J n ( U L )

e

U L

2 π U L ( E0 U L )

故直流分量和本振基波电流幅值为

I0 即

I sa e

2 π U L

IL1≈2I0

(3-4)

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则所需的本振激励功率为P L

1

2 混频器对本振呈现的电导为GL I L1 UL

I L1 L I 0 L U U

(3-5)

2I0 UL

(3-6)

可见,当UL一定时,GL值随直流电流的增大而增大, 因而可以借助于调整E0来调节I0,从而改变GL使本振口达到 匹配。在实际工作中,因为微波波段很难测量UL,所以通 常由测量PL和I0来测定UL和GL。

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当混频二极管上只加直流偏压E0和本振功率时,混频二极管呈现的电导为

di dv

|u E

0

U L co s L t

f '( E 0 U L co s L t ) ( E 0 U L co s L t )

I sa e

g (t )

(3-7)

式(3-7)说明当本振电压随时间作周期性变化时,瞬时电 导g(t)也随时间作周期性变化,故称为时变电导;同样g(t)也 可以展成傅里叶级数:

g (t ) g 0 2 g n c o s L tn 1

(3-8)

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式中:g0称为二极管的平均混频电导,gn是对应本振n次谐波的混频电导。 3.1.2 非线性电阻的混频原理 二极管混频器的原理等效电路如图3-3所示,在肖特基 势垒二极管上加有较小的直流偏压(或零偏压)、大信号本振 功率(1 mW以上)及接收到的微弱信号(微瓦(μW)量级以下)。 假设本振与信号分别表示为

uL(t)=UL cosωLt

uS(t)=US cosωSt

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图 3-3

二极管混频器原理图

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由于UL>>US,可以认为二极管的工作点随本振电压变化,认为接收到的信号是一个微小电压增量,因此将回路电 流在各个工作点展开为泰勒级数。为了讨论方便,将ZL、 ZL0、ZS短路,这时流过二极管的瞬时电流值为i f (u ) f ( E 0 U L co s L t U S co s S t ) f ( E 0 U L co s L t ) f '( E 0 U L co s L t )U S co s S t 1 2! f ''( E 0 U L co s L t )(U S co s S t ) …2

(3-9)

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展开式中的第一项为本振激励下的流过二极管的大信号电流,它包含直流和本振基波其谐波项。 展开式中的其他各项为二极管中的小信号成分,当uS很 小时,可仅取第二项。由式(3-9)可知,f′ …… 此处隐藏:684字,全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……

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