深入探讨RF /微波混频器

“我从来没有让我的学业干扰我的教育。” 马克·吐温

在过去的博客中，我总是写信给非常精通RF的读者。现在我们进入了一个更通用的电气工程论坛，我认为最合适的是谈论Marki Microwave最著名的东西：RF /微波混频器。

对于那些不熟悉Marki Microwave的人，我们提供世界上最大的“混合”混频器选择（其他时候会更多地使用混合技术）。我父亲的职业生涯可以追溯到四十年前，他于1991年创立Marki Microwave，其目的是提供行业中最广泛的高性能混音器选择。随着时间的流逝，我将教育我的读者关于混音器技术的细微差别和历史，以及Marki如何融入这个宏伟的框架。但是，在深入细节之前，我需要侮辱一些教授。

该图说明了上下转换。

大多数电气工程师并不真正知道搅拌机是什么。简而言之，混频器是一种三端口电气设备，其输出信号频率等于两个输入信号频率的总和（或差）（见图1）。换句话说，

我们在此处包括绝对值，因为我们没有负频率。

以我的经验，很少有电气工程师真正知道上述方程式。人们通常将混频器视为一个“倍增器”或两个信号。这是可以理解的。混音器符号从字面上看起来像一个“时间”符号（参见图1），从技术上讲，混频器的行为确实具有“类似乘法”的效果。射频课程进一步增强了混频器的乘法概念。通常，当引入混频器时，教授们基于非线性设备上两个或多个信号的泰勒级数展开的概念来描述混频器的操作。对于单个二极管混频器，它看起来像这样：

经过一些烟雾和镜子（例如，代数和三角学）后，大学教授通常得出这样的结论，即二阶展开式包含两个重要术语：

因此，信号频率转换的关键功能被提炼为一些粗略的数学画笔笔触。深入研究，我们可以证明，这种解释和理解混音器的方法存在严重缺陷，并导致许多错误和误导性的结论。

首先，泰勒展开式必须假设其中一个信号是“大信号”，而其中一个信号是“小信号”。基本上，只有当小信号仅轻微干扰器件（通常是二极管）的IV特性时，数学运算才能很好地起作用。实际上，即使大信号和小信号在3 dB之内，混频器也能很好地工作！当然，必要的小信号假设并不是在现实世界中创建出色混频器的必要。

接下来，由于代数的繁琐，教授经常将截断扩展到三阶，并用懒散的包罗万象的符号表示高阶项：“……”我并不是说合理的推导将包括高阶项（也就是说，通常可以省去一些可怕的恶意作业问题），我只是说，停在三阶后，学生会误以为四阶及更高阶的词并不重要。在实践中，我们发现如果控制不当，高阶术语会给系统造成严重破坏。对混合器的泰勒展开理解使这个概念变得微不足道。

最后，也是最令人讨厌的是，泰勒展开推论得出结论，总和和差频与大信号电压成正比。这意味着通过调大信号（即LO电压），可以增加混合信号的输出电平。让我简单地说：无源混频器永远不会提供增益！我可以简单地增大大信号上的电压摆幅，然后增加转换后信号的功率电平的想法，这是对实际物理学的一种可怕的误解。是的，确实存在有源混频器，但是信号增益归因于非线性器件上的某种直流偏置。从强交流信号中获取能量并将部分能量传递给弱交流信号的概念非常重要且有趣，确实执行这种混合/放大的参量放大器。物理学非常有趣。在UCSD时，我什至曾经涉足此类研究。作为混音师，我希望混音师的行为像参数处理器一样，但事实并非如此。passive，无源混音器总是有损失的，例如大自然。

总而言之，重要的是要认识泰勒展开法的本质：一种方便的数学技术，向学生介绍“非线性”设备在频域中传播能量的想法。大多数本科电气工程学课程几乎没有涉及半导体器件中信号的非线性相互作用的概念，因此对混频器的解释如此频繁也就不足为奇了。我希望我可以对其中一些概念进行重新编程，并从物理上更直观地了解什么是好的RF混频器。

编辑：hfy