各种类型的混频器及优缺点

 

在RF和微波设计中，混频是信号链最关键的部分之一。今天我们就讲讲各种类型的混频器以及各自的优缺点。

顾名思义，混频器将两个输入信号混合，产生其频率之和或频率之差。利用混频器产生比输入信号高的输出频率时（两个频率相加），称为上变频；利用混频器产生比输入信号低的输出频率时，称为下变频。

01   单/双/三平衡无源混频器

最常见的混频器类型是无源混频器。此类混频器有不同的设计样式，如单端、单平衡、双平衡和三平衡等。使用最广泛的架构是双平衡混频器。这种混频器很受欢迎，因为其性能出色，实现和架构简单，性价比高，并能提供多种选项。

无源混频器通常以简易性而出名，不需要任何外部直流电源或特殊设置。此类混频器还有其他为人所称道的特性，包括宽带宽性能、良好的动态范围、低噪声系数(NF)以及端口间良好的隔离。此类混频器的设计及其无外部直流电源要求的优势，使得混频器输出端的噪声系数很低。一个较好的经验法则是，无源混频器的噪声系数等于其转换损耗。此类混频器非常适合有低噪声系数要求的应用，而有源混频器无法满足这一要求。此类混频器擅长的另一个领域是高频和宽带宽设计。从RF一直到毫米波频率，它们都能提供良好的性能。混频器的另一个重要特性是不同端口之间的隔离。此特性往往决定了具体应用可使用何种混频器。三平衡无源混频器的隔离性能通常最佳，但其架构复杂，而且其他特性（如线性度等）有些不足；双平衡无源混频器的端口间隔离性能良好，同时架构较简单。对大多数应用而言，双平衡混频器实现了隔离度、线性度和噪声系数的最佳组合。

就信号链整体而言，线性度（也常用三阶交调截点IIP3来衡量）是RF和微波设计的最重要特性之一。无源混频器通常以高线性度性能而出名。遗憾的是，为了实现最佳性能，无源混频器需要高LO输入功率。多数无源混频器使用二极管或FET晶体管，需要大约13 dBm到20 dBm的LO驱动，这对某些应用情形来说是相当高的。高LO驱动要求是无源混频器的最大弱点之一。无源混频器的另一个弱点是混频器输出端的转换损耗。此类混频器是无增益模块的无源元件，故而混频器输出端往往有很高的信号损耗。例如，若混频器的输入功率为0 dBm，且混频器有9 dB的转换损耗，则混频器输出将是–9 dBm。总的来说，此类混频器非常适合测试测量和军用市场

无源混频器的优势

宽带宽

高动态范围

低噪声系数

高端口间隔离

图1. I/Q混频器框图和镜像抑制频域图

02   I/Q镜像抑制(IRM)混频器

I/Q混频器是一类无源混频器，它不但拥有常规无源混频器的优势，还具备其他优势，即不通过任何外部滤波便可消除不需要的镜像信号。此类混频器用作下变频器时也称为IRM（镜像抑制混频器），用作上变频器时则称为SSB（单边带混频器）。I/Q混频器由两个双平衡混频器构成，LO信号一分为二，然后经过相移而相差90°（一个混频器为0°，另一个混频器为90°）。通过此相移，混频器得以仅产生一个边带（需要的）信号，而抑制不需要的信号。

图2在同一频谱图上显示了I/Q混频器（紫色线）和双平衡混频器（蓝色线）的性能。可以看到，I/Q混频器通过提供45 dB抑制来抑制不需要的低边带，而双平衡混频器同时产生了高边带和低边带。

图2. HMC773A无源混频器和HMC8191 I/Q混频器的频谱图，IF输入为1 GHz， LO输入为16 GHz

像双平衡无源混频器一样，I/Q混频器也需要高LO输入功率。从架构看，I/Q混频器采用两个双平衡混频器，因此与两个双平衡混频器相比，所需的LO驱动往往要再多出大约3 dB。I/Q混频器对精密平衡的相位和幅度输入匹配很敏感。输入信号、混合结构、系统板或混频器本身的任何偏离90°的相移或幅度失衡，都会直接影响镜像抑制水平。通过外部校准混频器以改善性能，可以校正这些误差的影响。

由于边带抑制特性，I/Q混频器常用于需要消除边带但不通过外部滤波的应用，同时它能提供非常好的噪声系数和线性度。此类市场的常见例子是微波点对点回程通信、测试测量仪器仪表和军事用途。

I/Q混频器的优势

固有的镜像抑制

无需昂贵的滤波

良好的幅度和相位匹配

03   有源混频器

有源混频器主要有两类：单平衡和双平衡（也称为吉尔伯特单元）混频器。有源混频器的优势是LO端口和RF输出端内置增益模块。此类混频器会为输出信号提供一定的转换增益，并且输入LO功率要求较低。有源混频器的典型LO输入功率是0 dBm左右，远低于大多数无源混频器。

有源混频器常常还集成LO倍频器，用来将LO频率倍乘到更高的频率。此倍频器对客户非常有利，无需高LO频率便可驱动混频器。有源混频器通常具有很好的端口间隔离。然而，其缺点是噪声系数较高，而且多数情况下线性度较低。对输入直流电源的需求影响了有源混频器的噪声系数和线性度。有源混频器常用于通信和军用市场，低LO驱动和集成转换增益的需求对此类市场可能很重要。在测试测量市场，有源混频器主要用作IF子部分的第三级或最后一级混频器，或用于低端仪表（集成化和高性价比设计比噪声系数更重要）。

有源混频器的优势

高集成度、小尺寸

LO驱动要求低

集成LO倍频器

良好的隔离，但线性度和噪声系数不佳

04   集成频率转换混频器

由于客户需要更完整的信号链解决方案，所以集成频率转换器变得颇受欢迎。此类器件由不同功能模块构成，这些模块连接在一起形成一个子系统，使得客户的最终系统设计更简单。此类器件在同一封装或芯片中集成不同模块，例如混频器、PLL（锁相环）、VCO（压控振荡器）、倍频器、增益模块、检波器等等。可将此类器件制作成SIP（系统化封装），即把多个裸片组装到同一封装中，或一个裸片包括所有设计模块。

通过将多个器件集成到一个芯片或封装中，频率转换器可以给设计人员带来很大好处，比如：尺寸更小、器件更少、设计架构更简单，更重要的是，产品上市时间更快。

图3. 集成频率转换混频器HMC6147A的功能框图　　

      审核编辑：彭静