混频器设计

设计题目：混频器设计

摘要

混频器是微波集成电路接收系统中必不可少的部件。不论是微波通信、雷达、遥控、遥感、还是侦察与电子对抗，以及许多微波测量系统，都必须把微波信号用混频器降到中低频来进行处理。调频发射机作为一种简单的通信工具，由于它不需要中转站和地面交换机站支持，就可以进行有效的移动通信，因此深受人们的欢迎。目前它广泛的用于生产、保安、野外工程等领域的小范围移动通信工程中。本课题重点在于设计能给发射机电路提供稳定频率的混频器电子电路。超外差式接收机中，混频器应用较为广泛，如AM 广播接收机将已调幅信号535KHZ-一1605KHZ要变成为465KHZ中频信号，电视接收机将已调48．5M一870M 的图象信号要变成38MHZ的中频图象信号。移动通信中一次中频和二次中频等。在发射机中，为了提高发射频率的稳定度，采用多级式发射机。用一个频率较低石英晶体振荡器做为主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振荡信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频，所以必须使用混频电路。通过后续的电路仿真和部分电路的调试，可以证明本课题的电路基本成熟，基本能完成语音信号的电压放大、频率调制和功率放大，达到发射距离的要求。发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制,将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡(载频)信号上去的过程。所以末级高频功率放大级则成为受调放大器。近年来,移动通信技术得到迅猛发展,在社会生活中扮演着越来越重要的角色。混频器是射频前端电路中实现频谱搬移的器件,是十分重要的模块。每个移动通信系统都要用到一个以上的混频器,其性能直接影响整个系统的性能。

社会发展到今天，现代化的通讯工具在我们的生活中显得越来越重要。混频器在通信工程和无线电技术中，应用非常广泛，在调制系统中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成对应的中频信号。特别是在超外差式接收机中，混频器应用较为广泛。移动通信中一次中频和二次中频等。在发射机中，为了提高发射频率的稳定度，采用多级式发射机。用一个频率较低石英晶体振荡器做为主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振荡信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频，所以必须使用混频电路，又如电视差转机收发频道的转换，卫星通讯中上行、下行频率的变换等，都必须采用混频器。

目录

一、设计任务与要求 (1)

1.1 设计任务 (1)

1.2 设计要求 (1)

二、总体方案 (1)

三、设计内容 (3)

3.1 混频器的组成框图及工作原理 (3)

3.1.1 乘法器的设计和原理 (4)

3.1.2 本振源的设计 (5)

3.1.3 带通滤原理 (7)

3.1.4 三极管混频器的电路组态及其优缺点分析 (8)

3.2 参数选择 (8)

3.2.1混频跨导 (8)

3.2.2 混频增益 (9)

3.2.3 选择性 (10)

3.2.4 噪声系数 (10)

3.2.5 失真和干扰 (10)

3.3 仿真结果与分析 (11)

四、总结 (14)

五、参考文献 (15)

一、设计任务与要求

1.1 设计任务

熟悉高频电子课程，锻炼自己设计电路，掌握混频器的一些知识。

1.2 设计要求

设计能够实现输入信号频率范围：535~1605kHz，输出频率465kHz的混频器。

二、总体方案

对于混频电路的分析，重点应掌握，一是混频电路的基本组成模型及主要技术特点，二是混频电路的基本原理及混频跨导的计算方法，三是应用电路分析。混频电路的基本组成模型及主要技术特点：

混频，工程上也称变频，是将信号的频率由一个数值变成另一个数值的过程，实质上也是频谱线性搬移过程，完成这种功能的电路就称为混频电路或变频电路。混频电路的组成模型及频谱分析：

图（1）

图a是混频电路的组成模型，可以看出是由三部分基本单元电路组成。分别是相乘电路、本级振荡电路和带通滤波器(也称选频网络)。当为接收机混频电路时，其中us(t)是已调高频信号。U1(t)是等幅的余弦型信号，而输出则是U i(t)为中频信号。混频电路的基本原理：

图（2）

图2中，Us(t)为输入信号，Uc(t)为本振信号。ui(t)输出信号。分析：当

Us(t)=Usmcosψst

uc(t)=Ucmcosψct

则Up(t)=Us(t)*Uc(t)

= U sm cosψ·stUcm cosψct

= Am cosψst*cosψct

其中：Am=Usm*Ucm

对上式进行三角函数的变换则有：

Up(t)=Am cosψst*cosψ

Uc(t)=l／2Am [cos(ψc+ψs)t+COS(ψc一ψs)t]

从上式可推出，Up(t)含有两个频率分量和频为(ψc+ψS)，差频为(ψC一ψS)。若选频网络是理想上边带滤波器则输出为：

Ui(t)=1／2Amcos[ψc+ψs ]t．

若选频网络是理想下边带滤波器则输出：

Ui(t)=1／2Amcos[ψc一ψs]t

工程上对于超外差式接收机而言，如广播电视接收机则有ψc >>ψS．往往混频器的选频网络为下边带滤波器，则输出为差频信号，Ui(t)= 1／2Amcos[ψc一ψS]t为接收机的中频信号。衡量混频工作性能重要指标是混频跨导。规定混频跨导的计算公式：混频跨导g：输出中频电流幅度偷入信号电压幅度。混频器电路如图3所示。

图（3）

三、设计内容

3.1混频器的组成框图及工作原理

变频（混频）是指将高频已调波经过频率变换，变为固定中频已调波,同时必须保持其调制规律不变。具有这种功能的电路称为混频电路或变频电路，亦称为混频器或变频器。一般变频器应由四部分组成，即输入回路、非线性器件、带通滤波器和本机振荡器组成，如图1-1所示。本机振荡器用来提供本振信号频率

fL 。

图（4）晶体管混频器的组成框图

图（4）是混频电路的组成模型，可以看出是由三部分基本单元电路组成。分别是相乘电路、本级振荡电路和带通滤波器(也称选频网络)。当为接收机混频电路时，其中us(t)是已调高频信号。U1(t)是等幅的余弦型信号，而输出则是U i(t)

为中频信号。

图（5）晶体管混频原理性电路

晶体三极管混频器的原理性电路如图（5）所示，在发射结上作用有三个电压，即直流偏置电压VBB信号电压us和本振电压uL 。为了减小非线性器件产生的不需要分量，一般情况下，选用本振电压振幅ULm>> Usm，也就是本振电压为大信号，而输入信号电压为小信号。在一个大信号uL 和一个小信号us 同时作用于非线性器件时，晶体管可近似看成小信号的工作点随大信号变化而变化的线性元件，如图1-5所示。t1时刻，在偏压VBB和本振电压uL的共同作用下，它的工作点在A点，此时us较小。因此，对us 而言，晶体管可以被近似看成工作于线性状态。在另一时刻t2，对于us 而言，由于偏压和本振电压的作用，工作点移到B点，这时对us 仍可看成工作于线性状态。虽然两个时刻均工作于线性状态，但工作点不同，这两个时刻的线性参数就不一样。因为us 的工作点随uL 的变化而变化，所以线性参量也就随着uL 变化而变化，可见线性参量是随时间变化的，这种随时间变化的参量称为时变参量。这样的电路称为线性时变电路。应当注意，虽然这种线性时变电路是由非线性器件组成。但对于小信号us来说，它工作于线性状态，因此，当有多个小信号同时作用于此种电路的输入端时，可以应用叠加原理。

3.1.1乘法器的设计和原理

在工程上常用的混频电路有三极管、场效应管集成模拟乘法器。我们以模拟乘法器混频电路为例分析，以掌握基本原理及分析方法：

在数模混合电路中，时钟反馈和电荷的注人是模拟电路设计的最严重的噪声，是数模混合设计的难题，而FDCC II能有效地抑制偶次谐波和不需要的共模信号，提高信号输人的线性范围，非常适合数模混合Ic设计的构造模块，因此，FDCC II受到越来越多设计者的关注。其电路符号如图1所示，端口特性可用如下

混合矩阵方程表示：

式(1)表明，当Vy3=Vy =0时， V χ+ ＝ V χ-

图（6） FDCC Ⅱ的CMOS 实现电路

对图（6）中的FDCC 1I —A 和MG1，有Iol=4K(VGl —VG2)( Yl —VY2)表明由两个FDCC II 和两个MOS 管MG1、MG2完成了一个四象限模拟乘法器，但由于MG1、MG2工作在电阻区，所以信号线性输入范围较小，于是在信号输入端引入有源衰减器。有源衰减器为了在较低的工作电压下保持较大的线性输入范围，在信号输入端引入有源衰减器。

3.1.2本振源的设计

本次设计采用LC 电容三点式反馈电路，也叫考毕兹振荡电路。利用电容将谐振回路的一部分电压反馈到基极上，而且也是将LC 谐振回路的三个端点分别与晶体管三个电极相连，所以这种电路叫电容三点式振荡器。

三点式LC 振荡器的相位平衡条件是

πφφ2=+F k ，在LC 谐振回路，()ce be cb X X X +=，cb X 与be X ﹑ce X 性质相反，当

be X ﹑ce X 为电容，cb X 就是电

感；当be X ﹑ce X 为电感，cb X 就是电容。

在LC 三点式振荡器电路中,如果要产生正弦波，必须满足振幅平衡条件：即满足1>?F A 。

由相位平衡条件和振幅平衡条件可得：

F F F R i 11+?>β

选取60=β，故选用2N2222A 三极管。2N2222A 是NPN 型三极管，属于低噪声放大三极管。本电路的三极管采用分压偏置电路，为了使三极管处于放大状态，必须满足：电流

()BQ

B I I 10~5=

电压

cc B U U ??? ??=31~51 由此可以确定R1=5.1K ，R3=2.2K ，R4=2K 。

正弦波的输出信号频率f =10MHz ，电路连接如图（7）所示

图（7）LC 正弦波振荡器

R1﹑R2﹑R4组成支流偏置电路，R5是集电极负载电阻，L2﹑CT ﹑C ﹑C4构成并联回路，其中R6用来改变回路的Q 值，C1﹑C3为耦合电容，L1﹑C6﹑C5构成了一个去耦电路，用来消除电路之间的相互影响。其交流通路如图（8）所示。

图（8）交流通路图

根据设计要求，正弦波振荡器输出频率为10MHz ，故由此可以大概确定L2﹑C4﹑CT 的数值，再通过仿真进行调试最终确定其参数。电路的谐振频率为 ()CT C L f //4221?=πMHz 1.10%710350101014.321126≈?????≈--，

静态工作点为mv R R R R V B 3.982%551002.21.51.512321112≈?++?=++?=，基本符合设求。

3.1.3 带通滤原理

数字带通滤波器波器设计的主要参数包括阶数、滤波器类型、两个截止频率等。高阶滤波器的阻带衰减特性很好，但是，阶数高了之后难以实现。而对于有源滤波器来说，基波和主要谐波的频率相隔比较大，所以对阻带衰减率的要求不是很高，选用2阶滤波器就可以满足条件；又因为Butterworth 滤波器在通带内特性较平，而且实现起来比较简单，经综合考虑后，选用2阶Butterworth 带通滤波器。滤波器截止频率的选取和品质因数Q 密切相关。Q 越大，对谐波衰减越快，经带通滤波器提取出的基波分量越精确；但是，Q 越大，带宽越小，动态响应速度会越慢，还会使数字滤波器的参数相差倍数过大，将增高对字长的要求。带通滤波器的通带宽度BW= ψ0／(2∏Q)= f0／Q 。,f0 是系统中心频率。这里我们Q 取在5左右，使得带宽大概在10Hz 左右。选取两个截止频率分别为45Hz 和55．6 Hz 。这里要注意的是，由于带通滤波器的幅频特性的不对称性，中心频率并不是两个截止频率的平均值。两个截止频率的选取标准是保证50 Hz 中心频率的相移为0并且幅值没有衰减。滤波器的幅频和相频特性如图（9）所示：

带通滤波器相频特性曲线带通滤波器幅频特性曲线

图（9）

3.1.4 三极管混频器的电路组态及其优缺点分析

图（10）晶体管混频器的四种电路组态

电路（a），共发同级注入式

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Wo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），共发分级注入式

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）都是共基级混频器，分为同级注入式和分级注入式。

优点：在较高的频率工作时（几十兆赫），因为共基电路的fα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。

3.2参数选择

3.2.1混频跨导

混频跨导g

c 的定义变频跨导定义为输出中频电流振幅I

Im

与输入高频信号电

压振幅U

sm

之比，可得

Im 11/2

c sm g I U g == 这说明混频器变频跨导g c 等于时变跨导g(t)的傅里叶展开式中基波振

幅g 1的一半。

在数值上，变频跨导是时变跨导g(t)的基波分量的一半，可以通过求

g(t)的基波分量g 1来求得变频跨导。

11()cos ()L L g g t td t ππωωπ-=

? 111()cos ()22c L L g g g t td t π

πωωπ-==? 而此时的混频增益为： '1'Im 2

1L m L mc sm vc R g R g V V A -=-== 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

L Q BB BE v V t V v +==)( ，

L

Q B B B E v V t V v BE c

v i t g +==??=)()( 3.2.2 混频增益

从上面的介绍中我们已经知道了如何求混频跨导g ，从而我们也可以求出混频电压增益和混频功率增益。先画出混频电路的等效电路，如图1-7 所示。；

图（11） 晶体管混频器等效电路

图（11）中，g ic 为输入电跨导，g oc 为输出电导，g c 为混频跨导；g L 为负载

电导。由图1-7 可得 V i = L

oc c sm g g Vs g V V Vi +-==Im 混频电压增益：L

oc c sm VC g g g V V A +-==Im 混频功率增益：ic

L VC ic S L I S I PC g g A g V g V P P A 222=== 当oc g =l g 时，混频则可得到最大混频功率增益max pc A =2

4c

ic oc g g g

3.2.3 选择性

选择性是指混频器的输出选择有用中频信号而滤除干扰信号的能力。此参数主要是由带通滤波器的性能决定的。所以在混频电路中带通滤波器也称选频网络，选择性是由选择网络Q 值来决定。

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。

3.2.4 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，即噪声系数应尽可能小。

3.2.5 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:中频干扰和镜像干扰)。

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：

（一）干扰哨声：有用信号和本振产生的组合频率干扰

产生的原因：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。

（二）寄生通道干扰：外来干扰与本振的组合频率干扰

产生的原因：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|±pf

L ±qf

n

|=f

I

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。

3.3仿真结果与分析

变频电路是将输入的已调信号变换为另一频率的已调（中频）信号实现信号频谱线性变换的一种电路，完成频谱在频率轴上的线性搬移。在频域上起着减（加）法器的作用。

变频器（自激式变频器）是电路中自身产生控制信号（由一个非线性器件产生振荡和混频作用），即其中的晶体管除完成混频器外，本身还构成一个自激振荡器。混频器（他激式变频器）需由外部的振荡器提供输入控制信号，即本振信号需要由外部振荡器提供。

图（12）自激式变频器

图2-1是收音机自激式变频器，用于中波段。本地振荡器由三极管、振

等构成的变压器耦合反馈振荡

荡回路（、、、）和反馈线圈

器。本振电压由的抽头取出加到三极管发射极和加到基极的输入信号混频。自激式变频电路本振和混频由一只三极管承担．可节省管子。但由于中频电流通过反馈线圈

会引起中频负反馈，如设计不当，就会使变频增益降低。由于

变频器只是将信号频谱自高频搬移到中频，而各频谱分量的相对位置则保持不变，所以调频接收机与调幅接收机的变频器电路结构是完全相同的。根据设计方案，应用计算机Multisim软件进行了模拟仿真。用示波器观察LC正弦波振荡器的输出，输出波形如图（13）所示。

图（13） LC正弦波振荡器输出波形

用示波器观察混频器输出信号，波形如图（14）所示。

图（14） 混频后的信号波形图

用示波器观察模拟乘法器的输出，输出波形如图（15）所示。

图（15 ） 模拟乘法器输出波形

LC 正弦波振荡器的输出频率应为：

()CT C L f //4221?=πMHz 1.10%710

350101014.321

126≈???

??≈--，

静态工作点：

mv R R R R V B 3.982%

551002.21.51.512321112≈?++?=++?= ； 选频﹑放大电路输出频率应为： ()

32221

L L C f +?=π()MHz 99.11043.210101051014.321

6612≈?+????≈---

静态工作点：V R R R V B 51.32

.6152.61221212=+?=+?=。 通过仿真测试可得LC 正弦波振荡器的输出频率为10.1MHz ，静态工作点mv V B 3.983= ；选频﹑放大电路输出频率为1.99MHz ，静态工作点mv V B 47.3=。

结论:有计算值与仿真值的比较可得,本设计基本完成了设计要求，并且由示波器可观察到相应的波形，仿真值基本满足要求，说明电路各部分均正常工作。美中不足的是仿真结果同理论值仍存在一定的误差，需要进一步改善电路的性能，使电路更加精确和抗干扰能力更强。

四、总结

混频器的设计有三部分，乘法器，本振器和滤波器组成，其中乘法器是主要部分，有它产生分频信号，再通过滤波器得到基波信号。混频器在通信工程和无线电技术中，应用非常广泛，在调制系统中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成对应的中频信号。特别是在超外差式接收机中，混频器应用较为广泛，如AM 广播接收机将已调幅信号535KHZ-一1605KHZ 要变成为465KHZ 中频信号，电视接收机将已调48．5M 一870M 的图象信号要变成38MHZ 的中频图象信号。混频器在很多方面的到广泛应用。

通过高频电子线路课程设计，在学习EDA 仿真软件SystemView 使用方法的基础上，我掌握最基本的调幅发射与接收系统的工作原理与系统仿真设计。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老

一辈测绘为我们的社会付出。我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们课程设计成功的一项非常重要的保证。而这次课程设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

为了这次设计我查阅了很多的资料，查找了很多的网页。通过这个过程我对以前学过的高频电子线路课程有了更深刻的理解。通过这次课程设计我学会了一些常用的仿真应用软件的使用。不仅对以前所学的知识进行一次充分的复习，同时也学会了许多新的知识。在这里我更要谢谢指导老师的细心辅导。对我而言，在这次课程设计当中，我在知识上的收获很是重要，在实践能力上的收获也不少，学到了很多关于电子焊接技术和电路板调试的技术知识。虽然在知识上收获了不少，但是在精神上的丰收更加可喜的。挫折是一份财富，经历是一份拥有。我想这次这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆。我很珍惜这此锻炼的机会，我希望学校能增加这种实践课的次数。借此锻炼我们的动手能力。经过这次课程设计，我对所学的高频电子线路有了进一步的了解，为以后的工作生活打下基础。

五、参考文献

[1]刘泉陈永泰《通信电子线路》武汉理工大学出版社 2002年9月.

[2]张肃文《高频电子线路》（第四版）高等教育出版社 2004年11月

[3]康华光《模拟电子线路》（第四版）高等教育出版社 1999年3月

[4] 扬欣王玉凤《电子设计从零开始》清华大学出版社 2005年10月

[5]阎石《数字电子技术基础》高等教育出版社1998年11月第四版