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混频器
阅读:11685时间:2010-10-27 14:38:15

  混频是指将信号从一个频率变换到另外一个频率的过程,其实质是频谱线性搬移的过程。在超外差接收机中,混频的目的是保证接收机获得较高的灵敏度,足够的放大量和适当的通频带,同时又能稳定地工作。混频电路包括三个组成部分:本机振荡器、非线性器件、带通滤波器

一些性能指标

  工作频率

  混频器是多频工作器件,除指明射频信号工作频率外,还应注重本振和中频频率应用范围。

  噪声系数

  混频器的噪声定义为:NF=Pno/Pso 。Pno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0=290K时,传输到输出端口的总噪声资用功率。Pno主要包括信号源热噪声,内部损耗电阻热噪声,混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。

  变频损耗

  混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。主要由电路失配损耗,二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。

  1dB压缩点

  在正常工作情况下,射频输入电平远低于本振电平,此时中频输出将随射频输入线性变化,当射频电平增加到一定程度时,中频输出随射频输入增加的速度减慢,混频器出现饱和。当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。对于结构相同的混频器,1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性,一般比本振功率低6dB。

  动态范围

  动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限因混频器的应用环境不同而异,其上限受射频输入功率饱和所限,通常对应混频器的1dB压缩点。

  双音三阶交调

  假如有两个频率相近的微波信号fs1和fs2和本振fLO一起输入到混频器,由于混频器的非线性作用,将产生交调,其中三阶交调可能出现在输出中频四周的地方,落入中频通带以内,造成干扰,通常用三阶交调抑制比来描述,即有用信号功率与三阶交调信号功率比值,常表示为dBc。因中频功率随输入功率成正比,当微波输入信号减小1dB时,三阶交调信号抑制比增加2dB。

  隔离度

  混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离,包括本振与射频,本振与中频,及射频与中频之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比,单位dB。

  本振功率

  混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。原则上本振功率愈大,动态范围增大,线性度改善(1dB压缩点上升,三阶交调系数改善)。

  端口驻波比

  端口驻波直接影响混频器在系统中的使用,它是一个随功率、频率变化的参数。

  中频剩余直流偏差电压

  当混频器作鉴相器时,只有一个输入时,输出应为零。但由于混频管配对不理想或巴伦不平衡等原因,将在中频输出一个直流电压,即中频剩余直流偏差电压。这一剩余直流偏差电压将影响鉴相精度。

模块的芯片选择

  由于电子标签中包含接收部分和发送部分,这里选择在发送部分时所需的上变频混频器和接收部分所需 要的下变频混频器。

  结合混频器的主要性能指标(变频增益、三阶互调阻断点、噪声系数和隔离度等),我们对混频器做出 以下选择。

  (1)上变频模块

  上变频模块我们选择MOTOROLA公司生产的双平衡混频器MRFIC2002。该芯片是为工作在800~1000MHz频 率范围的发射机而设计的,适用于GSM以及ISM频带发射机。性能价格比优良,低功耗模式控制用最小的恢 复和接通时间,能够实现最小电路消耗,这对于无源超高频电子标签是非常必要的。

  (2)下变频模块

  下变频模块我们选择Atmel公司生产的800~1000MHz下变频混频器70780。该芯片应用于数字通信系统和 800~1000Mflz频率范围的收发机。采用5V电源供电,当0dB输入到集成的本振驱动器时,可提供10dB增益 。RE和LO输入可采用差分或单端方式驱动,并具有高LO-RF隔离。

测试所面临的挑战

  混频器是每一个射频或微波收发信机连路中的基本元件之一,这些器件共同的特点是利用器件的非线性特性,使器件的输入/输出信号发生频率的变化。混频器的传输特性定义为输出信号和输入信号的比值。常见的变频器件包括混频器(Mixer),处于非线性区的放大器, I/Q调制解调器,包含滤波器和放大器的射频前端电路等。

  1、混频器输入和输出处于不同频率

  混频器的传输特性定义为输出信号和输入信号的比值。对于非频率变换器件来讲,因为所有接收机的频率都一样,故可以对幅度和相位两者进行测试。但对变频器件而言,其输出信号和输入信号是不同频率的,不同频

  率信号进行相位比较是没有意义的。对变频器件传输的相位特性指标定义如下:

  所以对于变频器件的绝对相位参数测试必需利用参考混频器来提供参考信号。对于参考器件需要明确其具体参数。然后通过校准消除其对测试结果的影响。同时网络分析仪需要具有频率偏置功能

  2、混频器多端口器件、需要两路输入

  混频器一般为三端口器件,需要提供被测混频器本振信号,本振信号需要满足被测件功率和频率范围要求。

  3、混频器不能进行传统的矢量网络分析误差修正

  任何仪表完成测量都会包含仪表的系统误差,网络分析仪测试过程中可以通过校准来消除其系统误差,保证测量的精度。对混频器的测量,因为其输入和输出不同频,所以需要采取新的校准方法消除仪表系统误差而不能用传统的2端口校准对变频损耗/增益测量进行误差修正。这是因为混频器或变频器的激励(输入)和响应(输出)信号处在不同的频率上。

  4、 混频器传统的测试技术所面临的问题

  传统的混频器测试方案主要包括:

  1、基于频谱仪,信号源,或者标量网络分析仪的标量测试方案:这样的测试方法只能够得到变频损耗等标量信息,无法得到变频的绝对相位和绝对群时延指标;

  2、上、下变频串联测试方法:利用参考混频器将被测混频器的信号反变换为输入同频信号。这样网络分析仪可工作在频率同步状态进行测试。此时测试结果是被测混频器和参考混频器综合的参数性能,如果参考混频混频器和被测混频器具备相近的性能指标,可通过均分计算得到单个混频器的性能参数。这种测试有很多局限性:例如要求匹配的配对混频器、需要滤波器来消除混频器杂波对测试结果的影响、使用衰减器改善端口匹配性能、很难达到高测试精度。

  3、双音激励,通过测量双音激励的相位变化来计算出群时延:此种方法类似于早期的AM(调幅)和PM(调相)之后连接鉴相器测量相位然后进行群时延测试,精度差,测试误差大,并且一般要求相邻两点间的频率间隔大于1MHz,测试的时候需要golden混频器,很难实现;此外,在某些频率上精度会明显下降。

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