各種類型的混頻器及優(yōu)缺點

在RF和微波設(shè)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型的混頻器以及各自的優(yōu)缺點。

顧名思義，混頻器將兩個輸入信號混合，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（兩個頻率相加），稱為上變頻；利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號低的輸出頻率時，稱為下變頻。

01 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(shè)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(gòu)是雙平衡混頻器。這種混頻器很受歡迎，因為其性能出色，實現(xiàn)和架構(gòu)簡單，性價比高，并能提供多種選項。

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(shè)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(tài)范圍、低噪聲系數(shù)(NF)以及端口間良好的隔離。此類混頻器的設(shè)計及其無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(shù)很低。一個較好的經(jīng)驗法則是，無源混頻器的噪聲系數(shù)等于其轉(zhuǎn)換損耗。此類混頻器非常適合有低噪聲系數(shù)要求的應(yīng)用，而有源混頻器無法滿足這一要求。此類混頻器擅長的另一個領(lǐng)域是高頻和寬帶寬設(shè)計。從RF一直到毫米波頻率，它們都能提供良好的性能。混頻器的另一個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(yīng)用可使用何種混頻器。三平衡無源混頻器的隔離性能通常最佳，但其架構(gòu)復(fù)雜，而且其他特性（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(gòu)較簡單。對大多數(shù)應(yīng)用而言，雙平衡混頻器實現(xiàn)了隔離度、線性度和噪聲系數(shù)的最佳組合。

就信號鏈整體而言，線性度（也常用三階交調(diào)截點IIP3來衡量）是RF和微波設(shè)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(xiàn)最佳性能，無源混頻器需要高LO輸入功率。多數(shù)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(qū)動，這對某些應(yīng)用情形來說是相當(dāng)高的。高LO驅(qū)動要求是無源混頻器的最大弱點之一。無源混頻器的另一個弱點是混頻器輸出端的轉(zhuǎn)換損耗。此類混頻器是無增益模塊的無源元件，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(zhuǎn)換損耗，則混頻器輸出將是–9 dBm?？偟膩碚f，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(yōu)勢

寬帶寬

高動態(tài)范圍

低噪聲系數(shù)

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混頻器是一類無源混頻器，它不但擁有常規(guī)無源混頻器的優(yōu)勢，還具備其他優(yōu)勢，即不通過任何外部濾波便可消除不需要的鏡像信號。此類混頻器用作下變頻器時也稱為IRM（鏡像抑制混頻器），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(gòu)成，LO信號一分為二，然后經(jīng)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(chǎn)生一個邊帶（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）和雙平衡混頻器（藍(lán)色線）的性能?？梢钥吹剑琁/Q混頻器通過提供45 dB抑制來抑制不需要的低邊帶，而雙平衡混頻器同時產(chǎn)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(gòu)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(qū)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(jié)構(gòu)、系統(tǒng)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制水平。通過外部校準(zhǔn)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外部濾波的應(yīng)用，同時它能提供非常好的噪聲系數(shù)和線性度。此類市場的常見例子是微波點對點回程通信、測試測量儀器儀表和軍事用途。

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：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(yōu)勢是LO端口和RF輸出端內(nèi)置增益模塊。此類混頻器會為輸出信號提供一定的轉(zhuǎn)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(yuǎn)低于大多數(shù)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LO頻率便可驅(qū)動混頻器。有源混頻器通常具有很好的端口間隔離。然而，其缺點是噪聲系數(shù)較高，而且多數(shù)情況下線性度較低。對輸入直流電源的需求影響了有源混頻器的噪聲系數(shù)和線性度。有源混頻器常用于通信和軍用市場，低LO驅(qū)動和集成轉(zhuǎn)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后一級混頻器，或用于低端儀表（集成化和高性價比設(shè)計比噪聲系數(shù)更重要）。

有源混頻器的優(yōu)勢

高集成度、小尺寸

LO驅(qū)動要求低

集成LO倍頻器

良好的隔離，但線性度和噪聲系數(shù)不佳

04 集成頻率轉(zhuǎn)換混頻器

由于客戶需要更完整的信號鏈解決方案，所以集成頻率轉(zhuǎn)換器變得頗受歡迎。此類器件由不同功能模塊構(gòu)成，這些模塊連接在一起形成一個子系統(tǒng)，使得客戶的最終系統(tǒng)設(shè)計更簡單。此類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祟惼骷谱鞒蒘IP（系統(tǒng)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(shè)計模塊。

通過將多個器件集成到一個芯片或封裝中，頻率轉(zhuǎn)換器可以給設(shè)計人員帶來很大好處，比如：尺寸更小、器件更少、設(shè)計架構(gòu)更簡單，更重要的是，產(chǎn)品上市時間更快。

圖3. 集成頻率轉(zhuǎn)換混頻器HMC6147A的功能框圖