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第二讲:三极管混频器的电路组态及技术指标

第一讲中我们分析了混频器的工作原理,而混频器一般可以分为三极管混频器、场效应管混频器、模拟乘法器构成的混频器以及基于混频二极管非线性元件构成的混频器。接下来我们将对比分析三极管混频器的几种电路组态及其优缺点,并讲解三极管混频器的几个主要的技术指标。

往期回顾:第一讲:混频器的工作原理分析

第一节 三极管混频器的电路组态及其优缺点

图2-1 晶体管混频器的四种电路组态图2-1 晶体管混频器的四种电路组态

图2-1(a)中,本振电压 Vo 和信号电压 Vs 都加载晶体管的基极与发射极之间,利用基极与发射极之间的非线性特性来实现变频。按照晶体管的组态和本振电压注入点的不同,有如下四种基本电路。其中(a)、(b)为共射混频电路;(c)、(d)为共基混频电路。这四种组态各有其优缺点。

电路(a),信号电压由基极输入,本振电压由基极注入。

优点:因为它的输入阻抗较大,因此用做混频时,本振电路容易起振,需要注入的本振功率也比较小。
缺点:因为信号输入电路与振荡电路相互影响比较大(直接耦合),可能产生牵引现象。特别当 Ws 与 Wl 的相对频差不大时,牵引现象比较严重,不宜采用此种电路。

电路(b),信号电压由基极输入,本振电压由发射极注入。
优点:它的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射机注入。互相影响产生牵引现象的可能性小。同时,对于本振电压来说是共基电路,起输入阻抗较小,不易过激励,因此振荡波形好,失真小。
缺点:需要较大的本振功率输入。

电路(c)和(d)都是共基极混频器,分别为同极注入式和分极注入式。
优点:在较高的频率工作时(几十兆赫),因为共基电路的 fa比共发电路的 fβ要大很多,所以变频增益较大。因此在较高频率工作时也采用这种电路。
缺点:在较低的频率工作时,变频增益低,输入阻抗也低,因此在频率较低时不宜采用此电路。

第二节 三极管混频器的技术指标

(一)混频跨导

混频跨导 gc 的定义为输出中频电流振幅 IIm 与输入高频信号电压振幅 Usm 之比,可得
三极管混频器技术指标:公式1

这说明混频器变频跨导 gc 等于时变跨导 g(t)的傅里叶展开式中基波振幅 g1 的一半。在数值上,变频跨导是时变跨导 gt的基波分量的一半,可以通过求 gt的基波分量 g1 来求得变频跨导。
三极管混频器的电路组态及技术指标:公式2

由此可以看出在三极管工作在线性范围是混频增益与跨导成正比。

晶体管跨导与晶体管的静态工作点也存在一定的关系,下面为他们的关系曲线,其中
三极管混频器的电路组态及技术指标:公式3图 2.2 混频管跨导随本振电压 vL 的变化
(二)混频增益

上面介绍了如何求混频跨导 g,得到图 2-2 加电压后的晶体管转移特性曲线.也可以求出混频电压增益和混频功率增益。下面画出混频电路的等效电路,如图 2-3 所示。图 2-3 晶体管混频器等效电路
图2-3 中,gic 为输入电跨导,goc 为输出电导,gc 为混频跨导;gL 为负载电导。由图2-3 可得:
三极管混频器的技术指标:公式4

(三)变频压缩(抑制)

在混频器中,输出与输入信号幅度应成线性关系。实际上,由于非线性器件的限制,当输入信号增加到一定程度时,中频输出信号的幅度与输入不再成线性关系!

(四)选择性

变频器的输出电流中包含很多频率分量,但其中只有中频分量是有用的。为了抑制其他各种不需要的频率分量,要求输出端的带通滤波器有较好的选择性,即希望有较理想的幅频特性,它的矩形系数尽可能接近于 1。

(五)噪声系数

因为变频器在接收机的最前端,主要是变频器的噪声决定接收机的噪声系数。因此,为了提高接收机的灵敏度,必须降低变频器噪声,即尽量选择噪声系数小、变频损耗小或变频增益大的混频器。

噪声系数是衡量接收机内部噪声对灵敏度影响程度的一个指标。接收机的总噪声系数为:
三极管混频器的技术指标:公式5

式中:F0 表示接收机的总噪声系数;FR 表示高频放大器的噪声系数;FC表示混频器的噪声系数;FI 表示中频放大器的噪声系数;kpaR 表示高频放大器额定功率放大量;kpaC 表示混频器额定功率放大量(kpaC>1 时)或额定功率传输系数(kpaC<1 时)。

为了提高接收机的灵敏度,必须使总噪声系数 F0 要小,而接收机多级电路总噪声系数主要由第一级高频放大器决定,也就是说,要保证高放噪声系数小和额定功率放大量大的要求。混频器位于接收机的第二级,其噪声系数、额定功率放大量或额定功率传输系数对整机噪声系数也存在一定的影响,特别是对于无高放的接收机,混频器噪声系数、额定功率放大量或额定功率传输系数及对整机噪声系数的影响更大。

(六)失真和干扰

混频器除了有频率失真和非线性失真外,还会产生各种非线性干扰,如组合频率、交叉调制和互相调制、阻塞等干扰。所以对混频器不仅要求频率特性好,而且还要求非线性器件尽可能少产生一些不需要的频率分量,以减小造成干扰的可能。


副波道干扰:由于接收机前端选择性不好外界干扰信号窜入而引起的干扰。
最强两个的副波道干扰:中频干扰、镜像干扰

(1)中频干扰

当干扰频率等于或接近于接收机中频时,如果接收机前端电路的选择性不够好,干扰电压一旦漏到混频器的输入端,混频器对这种干扰相当于一级(中频)放大器,放大器的跨导为 gm(t)中的 gm0,从而将干扰放大,并顺利地通过其后各级电路就会在输出端形成干扰。

(2)镜像干扰

设混频器中 fL>fs当外来干扰频率 fn=fL+fI时,un与uL 共同作用在混频器输入端也会产生差频 fn-fL=fI,从而在接收机输出端听到干扰电台的声音,示意如下图:
图2-4 镜像干扰
交叉调制干扰:在有用中频信号的包络上叠加了干扰信号的包络而引起互调干扰,干扰信号之间彼此混频而产生接近中频的信号而引起。

组合频率的干扰:混频器本身的组合频率中无用频率分量所引起的干扰。对混频器而言,作用于非线性器件的两个信号为输入信号 us(fc)和本振电压 uL(fL)则非线性器件产生的组合频率分量为
公式6

(1)干扰哨声:有用信号和本振产生的组合频率干扰。

产生原因:输入到混频器的有用信号与本振信号,由于非线性作用,除了产生有用的中频外,还产生许多无用的组合频率分量,如果它们中的有些频率分量正好接近中频(或落在中频通带内),则这些成分将和有用中频同时经过中放加到检波器上。通过检波器的非线性特性,这些接近中频的组合频率与有用中频差拍检波,产生差拍信号(可听音频),形成干扰哨声。

(2)寄生通道干扰:外来干扰与本振的组合频率干扰。

产生原因:混频器输入回路选择性差,使f n信号输入,与本振频率f L经变频后产生许多频谱率分量,且满足公式7时,该干扰将通过混频后由f n→f I并经中放,在检波器中检波后在输出端听到干扰的声音。

(七)混频器的隔离度

从理论上来看,混频器各个端口之间是互相隔离的,任意一个端口上的功率都不会泄露到其他端口上。但实际上,总有部分功率在各个端口之间相互泄露。利用隔离度就可以评价这种泄露的程度。由于本振端口的功率最大,如果泄露到信号端口会形成向外的辐射损耗,严重地干扰附近的接收机,这种影响最坏,因此一般情况下只规定本振端口到其他端口的隔离度。具体的定义有两个,一个是本振功率与其泄露到信号端口的功率之比;另外一个是本振功率与其泄露到中频输出端口的功率之比,两者都用分贝数来表示。

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