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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)以(yi)及(ji)端(duan)口(kou)間(jian)良(liang)好(hao)的(de)隔(ge)離(li)。此(ci)類(lei)混(hun)頻(pin)器(qi)的(de)設(she)計(ji)及(ji)其(qi)無(wu)外(wai)部(bu)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)要(yao)求(qiu)的(de)優(you)勢(shi)，使(shi)得(de)混(hun)頻(pin)器(qi)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)很(hen)低(di)。一(yi)個(ge)較(jiao)好(hao)的(de)經(jing)驗(yan)法(fa)則(ze)是(shi)，無(wu)源(yuan)混(hun)頻(pin)器(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)等(deng)於(yu)其(qi)轉(zhuan)換(huan)損(sun)耗(hao)。此(ci)類(lei)混(hun)頻(pin)器(qi)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)有(you)低(di)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)要(yao)求(qiu)的(de)應(ying)用(yong)，而(er)有(you)源(yuan)混(hun)頻(pin)器(qi)無(wu)法(fa)滿(man)足(zu)這(zhe)一(yi)要(yao)求(qiu)。此(ci)類(lei)混(hun)頻(pin)器(qi)擅(shan)長(chang)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)領(ling)域(yu)是(shi)高(gao)頻(pin)和(he)寬(kuan)帶(dai)寬(kuan)設(she)計(ji)。從(cong)RFyizhidaohaomibopinlv，tamendounengtigonglianghaodexingneng。hunpinqidelingyigezhongyaotexingshibutongduankouzhijiandegeli。citexingwangwangjuedinglejutiyingyongkeshiyonghezhonghunpinqi。sanpinghengwuyuanhunpinqidegelixingnengtongchangzuijia，danqijiagoufuza，erqieqitatexing（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

混頻器基礎概念大盤點

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/Qhunpinqishiyileiwuyuanhunpinqi，tabudanyongyouchangguiwuyuanhunpinqideyoushi，haijubeiqitayoushi，jibutongguorenhewaibulvbobiankexiaochubuxuyaodejingxiangxinhao。cileihunpinqiyongzuoxiabianpinqishiyechengweiIRM（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。

混頻器基礎概念大盤點

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LO頻pin率lv便bian可ke驅qu動dong混hun頻pin器qi。有you源yuan混hun頻pin器qi通tong常chang具ju有you很hen好hao的de端duan口kou間jian隔ge離li。然ran而er，其qi缺que點dian是shi噪zao聲sheng係xi數shu較jiao高gao，而er且qie多duo數shu情qing況kuang下xia線xian性xing度du較jiao低di。對dui輸shu入ru直zhi流liu電dian源yuan的de需xu求qiu影ying響xiang了le有you源yuan混hun頻pin器qi的de噪zao聲sheng係xi數shu和he線xian性xing度du。有you源yuan混hun頻pin器qi常chang用yong於yu通tong信xin和he軍jun用yong市shi場chang，低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biandeposhouhuanying。cileiqijianyoubutonggongnengmokuaigoucheng，zhexiemokuailianjiezaiyiqixingchengyigezixitong，shidekehudezuizhongxitongshejigengjiandan。cileiqijianzaitongyifengzhuanghuoxinpianzhongjichengbutongmokuai，liruhunpinqi、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。

混頻器基礎概念大盤點

圖3. 集成頻率轉換混頻器HMC6147A的功能框圖

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