混頻器的分類和介紹

半導(dǎo)體工藝和RF封裝技術(shù)的不斷創(chuàng)新完全改變了工程師設(shè)計RF、微波和毫米波應(yīng)用的方式。RF設(shè)計人員需要比以往任何時候都更具體、更先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計支持。設(shè)計技術(shù)持續(xù)發(fā)展，RF和微波器件的性質(zhì)在不久的未來將大不相同。本文介紹各種類型的混頻器、各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以及在不同市場中應(yīng)用的演變。本文討論不同混頻器件（主要是混頻器）不斷變化的面貌，以及技術(shù)進(jìn)步如何改變不同市場的需求。

簡介

在RF和微波設(shè)計中，混頻是信號鏈最關(guān)鍵的部分之一。過去，很多應(yīng)用都受制于混頻器的性能?；祛l器的頻率范圍、轉(zhuǎn)換損耗和線性度，決定了混頻器能否用于特定應(yīng)用。頻率高于30 GHz的設(shè)計很難實(shí)現(xiàn)，此等頻率的器件封裝更是難上加難。大部分時候，簡單的單、雙和三平衡混頻器滿足了一般市場的需求。但是，隨著企業(yè)開發(fā)出的應(yīng)用越來越先進(jìn)，并希望提高每dB的性能，傳統(tǒng)混頻器便顯得捉襟見肘。當(dāng)今和未來的市場需要這樣的混頻解決方案：針對各種應(yīng)用專門定制，性能優(yōu)化，并且支持基于通用平臺的設(shè)計以便重復(fù)使用。

根據(jù)應(yīng)用類型和最終市場，如今的設(shè)計人員會有非常不同的需求。一般而言，現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)計人員需要寬帶性能、更高線性度、與信號鏈中其他器件更高的集成度，以及更低的功耗。但是，細(xì)分市場不同，以上各種需求的優(yōu)先級也大不相同。

不同種類的混頻器和頻率轉(zhuǎn)換器

討論混頻器和頻率轉(zhuǎn)換器在不同市場中的應(yīng)用之前，了解不同類型混頻器的基本特性會很有用。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。

下一節(jié)說明各類常用混頻器的高層次設(shè)計和優(yōu)缺點(diǎn)。

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?yàn)槠湫阅艹錾?，?shí)現(xiàn)和架構(gòu)簡單，性價比高，并能提供多種選項(xiàng)。

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(yàn)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)之一。無源混頻器的另一個弱點(diǎn)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，稍后將予以討論。

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

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。