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第四讲：微波混频器的主要指标 任何一个电路部件都必须用一些指标来表示及性能.这些指标既是电路性能好坏的量度,又是电路设计与调试的依据。对微波混频器来讲,这些指标是:变频损耗,噪声系数,端口隔离,输入驻波比,动态范围和频带宽度等.其中变频损耗和噪声系数是重要的指标.我们本节予以重点讨论.n一、变频损耗L 微波混频器的作用是将微波信号转换为中频信号，频率变换后的能量损耗即为变频损耗。微波混频器的小信号传输特性的研究任务包括：(1)输入信号功率经过混频器后有多少功率转换成中频信号功率，即变频损耗。(2)当混频器的源电导Gg和输出电导G0为何值时，变频损耗最小。微波混频器的主要指标 定义:混频器的输入微波资用功率与输出中频资用功率之比.或损耗来源及组成部分：寄生频率所产生的净变频损耗L1。二极管寄生参数Rs,Cj所引起的管内损耗L2.微波混频器的主要指标 输入、输出端不匹配所引起的失配损耗L3.电路连线产生的热损耗L4.n净变频损耗L1 一般混频器中，L40.2db，我们重点讨论前三项:混频器中寄生频率虽然很多、在设计良好混频器中绝大部分寄生频率可被有效短路,惟独镜像频率和信号不易分开,一般不容易被轻易滤掉.由三端口等效电路可知,镜频端口的端接情况直接影响信号功率能否有效地转移到中频上.所以净变频损耗对镜频阻抗依赖很大.我们首先研究在一般情况下,净变频损耗与镜频阻抗的关系:在三阶导纳矩阵中，令微波混频器的主要指标则第三式为：可解出 ，将此关系代入前面二式中有：其中即 上式意味着,原来的三端口网络可化成含有参数Gi的二端口网络，如图4-1。为了求出净变频损耗，首先要求出信号源资用功率和中频输出资用功率。微波混频器的主要指标图4-1混频器等效二端口网络微波混频器的主要指标 图4-1中，信号源为电流源 ，内电导为 ，其资用功率 为：为了求得中频资用功率，应用戴维宁定理，将中频负载短路：再将 断开，求得从中频端口看进去的总导纳为：可得：微波混频器的主要指标 所以中频负载的等效电流源的电流为 ，内电导为 ，则资用功率为 ：净变频损耗：实际的变频器中，镜端口负载可能为匹配、短路、开路三种情况：镜像匹配混频器：将 代入上式，并令 微波混频器的主要指标可得：最小净变损耗：最佳源电导：最佳输出电导：镜像短路混频器：将 代入上式，令微波混频器的主要指标可得：最小净变损耗：最佳源电导：最佳输出电导：镜像开路混频器：将 代入上式，令 ，可得：最小净变损耗：微波混频器的主要指标 最佳输出电导：最佳源电导：微波混频器的主要指标这三种净变频损耗与本振峰值电压关系为：随着 一致下降；n管子寄生损耗L2 一般 ；的实际改善度再0.52db之间；随着 ；信号功率加到混频二极管上并不等于全部加到非线形电阻Rj上,由二极管等效电路可知,Rs和本征参数串联,必然消耗一部分能量.同时电容Cj和Rj并联,还起到了分流作用。而真正加到Rj上的只是一部分功率.把Rs损耗和Cj分流作用统称为二极管寄生损耗。微波混频器的主要指标图4-2 最小净变频损耗与本振电压幅值的关系微波混频器的主要指标由下图可知，加到二极管上的总功率为：图4-3 考虑寄生参数影响时计算变频损耗的电路微波混频器的主要指标得到：而加到 上，用于混频的部分为：寄生损耗：调整 ，使 的最小寄生损耗为：L1+L2为混频二极管的总损耗。微波混频器的主要指标 图4-4画出了Rs、Cj及二极管总变频损耗随本振激励功率的变化曲线。可见，恰当地选择本振幅度能使实际变频损耗达到最小。微波混频器的主要指标图4-4 二极管总变频损耗与本振激励功率的关系微波混频器的主要指标n输入、输出端的失配损耗L3 由于输入端不匹配,使信号功率部分反射、不能全部加到二极管上,而输出端不匹配.使变频后的中频功率不能全部送给中频负载.这两部分的总损耗为：实际混频器的总变频损耗为28db.微波混频器的主要指标n二、噪声系数 微波混频器大都位于接收机前端.其噪声性能对接收机灵敏度影响很大.尽可能降低噪声是设计混频器时必先考虑的.定义噪声系数时,把混频器看成一个准线形二端口网络.虽然输入信号的频率和输出中频信号的频率是完全不同的.但输出中频信号的幅度和输入信号的幅度都是完全成线形比例关系的.因而包络变化规律相同.对线性二端口网络,噪声系数是表示其出口端信噪比比入口端信噪比恶化的程度.即：微波混频器的主要指标所以：n1、镜像短路和开路混频器其中，为变频损耗；表示输入、输出端信号资用功率；表示相应的噪声资用功率。把混频器看成衰减为Lm.处在绝对温度下的二端口网络.先假定系统都处在温度下.则总输出资用噪声功率为：微波混频器的主要指标图4-5 镜像短路（或开路）混频器噪声等效电路微波混频器的主要指标 很显然上式第一项为与输入噪声功率对应的输出，第二项必为内部噪声在温度 下产生的附加输出噪声功率。把 换成 则为实际内部噪声功率。为混频管的噪声温度比，由 所以噪声系数为：混频器的等效噪声温度为：微波混频器的主要指标相应的噪声温度比为：混频器的噪声系数可表示为：n2、镜像匹配混频器 在镜像匹配时,镜像频率附近的噪声也加到混频管上.混频之后也成为中频噪声体现在总输功噪声功率中.总的输出噪声功率比短路、开路混频器增大.这一点是肯定的.对于通常信号频带较窄的单端口接收情况：镜频端只进噪声,不进信号,则镜频噪声功率等效于使混频器内部噪声增加.在温度 下总输出资用功率为：微波混频器的主要指标图4-6 镜像匹配（双通道）混频器微波混频器的主要指标显然第一项为信号与镜频端的噪声的对应的输出,第二项则为管子噪声输出.用 代替 后：只有和信号一起输入的噪声可视为源噪声、其功率为所以：微波混频器的主要指标相应的：对于射电天文接收和其它辐射计接收：测量对象是总辐射的等效亮度温度,信号频率极宽、镜像频率端口也和信号端口一样进信号.这是镜频噪声也称为源噪声.即微波混频器的主要指标相应的：所以单通道接收机由于镜像噪声而使噪声系数增大.为了改善可在管子前面加镜频抑制滤波器.n3、混频器中频放大组件的噪声系数混频器后面接中频放大器.接收机噪声主要由这两部分决定.微波混频器的主要指标图4-7 整机噪声系数的计算微波混频器的主要指标其中，很大，则第三项影响很小。由上式可知，接收机的整机噪声受 的影响极大，对 （中频放大器噪声系数）有极大作用。n4、和 的量级概念时，和 数量相同。这时随着 ，则 ，当 时，结论：F与镜像通道有关（L2镜像匹配双通道混频器Lm)为使 ，则微波混频器的主要指标n三、其它电气指标 变频损耗和噪声系数是微波混频器的关键指标，是设计混频器时必须谨慎考虑的。设计一个工程化的混频器，还要正确处理下列指标，才能满足整机使用要求。n1、信号端口与本振端口的隔离度 如果信号端口与本振端口的隔离较差，信号能量将会泄漏到本振端口，造成能量损失，以及本振能量泄漏到信号端口，造成信号源的不稳定及向外辐射能量，因此要求信号端口与本振端口之间具有一定的隔离度。用PS表示输入信号功率，PLS表示信号泄漏到本振端口的功率，则隔离度定义为LSL=10 lg(PS/PLS)。微波混频器的主要指标 也可用PL表示输入本振功率，PSL表示本振泄漏到信号端口的功率，则隔离度定义为LLS=10 lg(PL/PSL)。根据互易原理，可得到LLS=LSL。一般信号端口与本振端口的隔离是通过采用特殊的电路结构来实现的，如采用定向耦合器来接入信号及本振 微波混频器的主要指标n2、输入驻波比 混频器的输入端反射不仅导致失配损耗，而且当混频器为接收机前置级时，由于反射信号在天线与接收机之间来回传输，从而使输入端信号产生相位失真。在某些相位关系要求较高的系统里，对输入驻波比有特别严格的要求，在一般情况下，输入驻波比应小于2。n3、动态范围 混频器的动态范围指能够使混频器有效工作的输入电平范围。n4、频带宽度 频带宽度是指满足各项指标的混频器工作频率范围，它主要取决于二极管的寄生参量及组成电路各元件的频带宽度。除了这些指标，由于应用场合的不同，对混频器还会有不同的要求，应用中应具体问题具体分析。微波混频器的主要指标n5、结构尺寸和环境条件 混频器的外形结构及接口形式由整机给出，在此基础上来确定混频器的电路拓扑形式，并进行电气指标设计。环境条件包括温度、湿度、振动、冲击、加速度、盐雾和低气压等，应根据混频器的使用场合采取相应的措施，以保证混频器的电气指标。