混頻器的工作原理、種類和結(jié)構(gòu)組成分析

混頻器是指產(chǎn)生的振蕩頻率為兩個(gè)輸入振蕩或信號頻譜分量中的頻率的整數(shù)倍的線性組合的非線性器件。目前混頻器已廣泛運(yùn)用于雷達(dá)、電子對抗、通信、遙控遙測、廣播電視等領(lǐng)域，混頻器技術(shù)指標(biāo)的好壞將直接影響整機(jī)性能的發(fā)揮。本期大講臺將針對混頻器，分析其原理并對相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行講解。

第一節(jié) 混頻器簡介

混頻器作為超外差接收機(jī)的重要組成部分，已經(jīng)在雷達(dá)、通信、電子對抗、廣播電視、遙控遙測等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。其技術(shù)指標(biāo)的好壞直接影響到整機(jī)性能的發(fā)揮。

變頻（混頻）是將高頻信號經(jīng)過頻率變換，變?yōu)橐粋€(gè)固定的頻率。這種頻率變換通常是將已調(diào)高頻信號的載波從高頻變?yōu)橹蓄l同時(shí)必須保持其調(diào)制規(guī)律不變。具有這種功能的電路稱為混頻電路或變頻電路，亦稱為混頻器（mixer）或變頻器（convertor）。

一般用混頻器產(chǎn)生中頻信號：

混頻器將天線上接收到的信號與本振產(chǎn)生的信號混頻，cosαcosβ=［cos（α+β）+cos（α-β）］/2 可以這樣理解，α 為信號頻率量，β 為本振頻率量，產(chǎn)生和差頻。當(dāng)混頻的頻率等于中頻時(shí)，這個(gè)信號可以通過中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來。由于本振電路的振蕩頻率隨著時(shí)間變化，因此頻譜分析儀在不同的時(shí)間接收的頻率是不同的。當(dāng)本振振蕩器的頻率隨著時(shí)間進(jìn)行掃描時(shí)，屏幕上就顯示出了被測信號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號的幅度記錄下來，就得到了被測信號的頻譜。

混頻器的分類：

●從工作性質(zhì)可分為二類，即加法混頻器和減法混頻器分別得到和頻及差頻。

●從電路元件也可分為三極管混頻器和二極管混頻器。

●從電路分有混頻器（帶有獨(dú)立震蕩器）和變頻器（不帶有獨(dú)立震蕩器）。

●混頻器和頻率混合器是有區(qū)別的。后者是把幾個(gè)頻率的信號線性的迭加在一起，不產(chǎn)生新的頻率。

第二節(jié) 混頻器組成框圖

一般變頻器應(yīng)由四部分組成，即輸入回路、非線性器件、帶通濾波器和本機(jī)振蕩器組成，如圖 1-1 所示，本機(jī)振蕩器用來提供本振信號頻率 fL 。輸入高頻調(diào)幅波 Vs ，與本振等幅波 VL ，經(jīng)過混頻后輸出中頻調(diào)幅波 Vi 。輸出的中頻調(diào)幅波與輸入的高頻調(diào)幅波的調(diào)制規(guī)律完全相同。即變頻前與變頻后的頻譜結(jié)構(gòu)相同，只是中心頻率由 f s 改變?yōu)?f i ，也就是產(chǎn)生了頻譜搬移。但應(yīng)注意，高頻已調(diào)信號的上、下邊頻搬移到中頻位置后，分別成了上、下邊頻。

第三節(jié) 混頻器工作原理

晶體管混頻器的變頻增益較高，因而在中短波接收機(jī)和測量儀器中廣泛采用。

晶體管混頻器的原理電路如圖 1-2 所示，在發(fā)射結(jié)上作用有三個(gè)電壓，即直流偏置電壓 vBB 信號電壓 uS 和本振電壓 uL 。為了減小非線性器件產(chǎn)生的不需要分量，一般情況下，選用本振電壓振幅u LM》》u SM ，也就是本振電壓為大信號，而輸入信號電壓為小信號。在一個(gè)大信號uL 和一個(gè)小信號 uS 同時(shí)作用于非線性器件時(shí)，晶體管可近似看成小信號的工作點(diǎn)隨大信號變化而變化的線性元件，如圖 1-5 所示。t1 時(shí)刻，在偏壓 vBB 和本振電壓 uL 的共同作用下，它的工作點(diǎn)在 A 點(diǎn)，此時(shí) us 較小。因此，對 us 而言，晶體管可以被近似看成工作于線性狀態(tài)。在另一時(shí)刻 t2 ，對于 uS 而言，由于偏壓和本振電壓的作用，工作點(diǎn)移到 B 點(diǎn)，這時(shí)對us 仍可看成工作于線性狀態(tài)。雖然兩個(gè)時(shí)刻均工作于線性狀態(tài)，但工作點(diǎn)不同，這兩個(gè)時(shí)刻的線性參數(shù)就不一樣。因?yàn)閡s 的工作點(diǎn)隨 uL 的變化而變化，所以線性參量也就隨著 uL 變化而變化，可見線性參量是隨時(shí)間變化的，這種隨時(shí)間變化的參量稱為時(shí)變參量。這樣的電路稱為線性時(shí)變電路。應(yīng)當(dāng)注意，雖然這種線性時(shí)變電路是由非線性器件組成。但對于小信號 us 來說，它工作于線性狀態(tài)，因此，當(dāng)有多個(gè)小信號同時(shí)作用于此種電路的輸入端時(shí)，可以應(yīng)用疊加原理。

以下是以共發(fā)射極注入式為例分析晶體三極管混頻器工作原理。設(shè)輸入信號，本振電壓，混頻器伏安特性為，而，則將 ube 帶入上式得：

由上式可知，當(dāng)兩個(gè)不同頻率的高頻電壓作用于非線性器件時(shí)，電流中不僅含有基波（Wl，Ws）成分，同時(shí)由于平方項(xiàng)的存在，還產(chǎn)生了許多新的頻率成分（即直流分量，二次諧波，和頻與差頻）。其中差頻分量 Wl-Ws 為所需的中頻成分 Wi 通過濾波網(wǎng)絡(luò)，就能選出中頻成分，即完成混頻。

第四節(jié) 三極管混頻器的工作波形及頻譜圖

混頻器將接收到的高頻載波信號與本振產(chǎn)生的信號混頻，接收到高頻載波信號的頻率為 fs ，幅度位 Uam （t） ，本振電路產(chǎn)生的頻率為 fl ，當(dāng)經(jīng)過混頻后變成一固定中頻 fi=fs-fl 。通過示波器觀察可得出混頻前后的工作波形和通過頻譜分析儀我們同樣可以得到其變頻前后的頻譜變化，如下圖所示：

審核編輯：郭婷