二极管混频.doc

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY

题 目 二极管双平衡混频器
学生姓名 戚子宇
学 院 物理与电子学院
专业班级 电子信息科学与技术 1304班

实验三 二极管双平衡混频器

一、实验目的
1、 掌握二极管双平衡混频器频率变换的物理过程。
2、 掌握晶体管混频器频率变换的物理过程和本振电压V0和工作电流Ie对中频转出电压大小的影响。
3、 掌握集成模拟乘法器实现的平衡混频器频率变换的物理过程。
4、 比较上述三种混频器对输入信号幅度与本振电压幅度的要求。

二、实验内容
1、 研究二极管双平衡混频器频率变换过程和此种混频器的优缺点。
2、 研究这种混频器输出频谱与本振电压大小的关系。

三、实验仪器
1、 1号板 1块
2、 6号板 1块
3、 3 号板 1块
4、 7 号板 1块
5、 双踪示波器 1台

四、实验原理与电路
i. 二极管双平衡混频原理

图3-1 二极管双平衡混频器
二极管双平衡混频器的电路图示见图3-1。图中VS为输入信号电压，VL 为本机振荡电压。在负载RL上产生差频和合频，还夹杂有一些其它频率的无用产物，再接上一个滤波器（图中未画出）
二极管双平衡混频器的最大特点是工作频率极高，可达微波波段，由于二极管双平衡混频器工作于很高的频段。图3-1中的变压器一般为传输线变压器。
二极管双平衡混频器的基本工作原理是利用二极管伏安特性的非线性。众所周知，二极管的伏安特性为指数律，用幂级数展开为

当加到二极管两端的电压v为输入信号VS和本振电压VL之和时，V2项产生差频与和频。其它项产生不需要的频率分量。由于上式中u的阶次越高，系数越小。因此，对差频与和频构成干扰最严重的是v的一次方项（因其系数比v2项大一倍）产生的输入信号频率分量和本振频率分量。
用两个二极管构成双平衡混频器和用单个二极管实现混频相比，前者能有效的抑制无用产物。双平衡混频器的输出仅包含（pωL±ωS）（p为奇数）的组合频率分量，而抵消了ωL、ωC以及p为偶数（pωL±ωS）众多组合频率分量。
下面我们直观的从物理方面简要说明双平衡混频器的工作原理及其对频率为ωL及ωS的抑制作用。

（a）

（b）
图3-2 双平衡混频器拆开成两个单平衡混频器
在实际电路中，本振信号VL远大于输入信号VS。在VS变化范围内，二极管的导通与否，完全取决于VL。因而本振信号的极性，决定了哪一对二极管导通。当VL上端为正时，二极管D3和D4导通，D1和D2截止；当 上端为负时，二极管D1和D2导通，D3和D4截止。这样，将图3-1所示的双平衡混频器拆开成图3-2（a）和（b）所示的两个单平衡混频器。图3-2（a）是VL上端为负、下端正期间工作；3-2（b）是VL上端为正、下端为负期间工作。
由图3-2（a）和（b）可以看出，VL单独作用在RL上所产生的ωL分量，相互抵消，故RL上无ωL分量。由VS产生的分量在VL上正下负期间，经D3产生的分量和经D4产生的分量在RL上均是自下经上。但在VL下正上负期间，则在RL上均是自上经下。即使在VL一个周期内，也是互相抵消的。但是VL的大小变化控制二极管电流的大小，从而控制其等效电阻，因此VS在VL瞬时值不同情况下所产生的电流大小不同，正是通过这一非线性特性产生相乘效应，出现差频与和频。
2、电路说明
模块电路如图3-3所示，这里使用的是二极管双平衡混频模块ADE-1，该模块内部电路如图3-5所示。在图3-3中，本振信号VL由P3输入，射频信号VS由P1输入， 它们都通过ADE-1中的变压器将单端输入变为平衡输入并进行阻抗变换，TP8为中频输出口，是不平衡输出。

图3-3 二极管双平衡混频

图3-5 ADE-1内部电路
在工作时，要求本振信号VL>VS。使4只二级管按照其周期处于开关工作状态，可以证明，在负载RL的两端的输出电压（可在TP8处测量）将会有本振信号的奇次谐波（含基波）与信号频率的组合分量，即pωL±ωS（p为奇数），通过带通滤波器可以取出所需频率分量ωL+ωS（或ωL—ωS -）。由于4只二极管完全对称，所以分别处于两个对角上的本振电压VL和射频信号VS不会互相影响，有很好的隔离性；此外，这种混频器输出频谱较纯净，噪声低，工作频带宽，动态范围大，工作频率高，工作频带宽，动态范围大，缺点是高频增益小于1。
N1、C5、T1组成谐振放大器，用于选出我们需要的频率并进行放大，以弥补无源混频器的损耗。
五、实验步骤
1、 熟悉实验板上各元件的位置及作用；
2、 按下面框图所示，进行连线
图3-4 双平衡混频连线框图

源端口
目的端口
连线说明
1号板：RF OUT1
（幅度最大 f=6.2M）
7号板：P3
本振信号输入
3号板：P1
7号板：P1
射频信号输入
7号板：P2
6号板：P3
混频后信号输出
3、 将3号板SW1拨为晶体振荡器，即拨码开关S1 为“10”，S2拨为“01”。
4、 用示波器观察7号板混频器输出点TP8波形，观测7号板混频输出TP2处波形（调节7号板中周T1使输出最大），并读出频率计上的频率。（如果使用数字示波器，可以使用FFT功能观测TP8的频谱）
5、 调节本振信号幅度，重做步骤3~4。

FFT频谱如下

波形