混音器在射频接收器设计中主要起到什么作用

混频器是超外差（超级）接收器架构中RF信号链的关键阶段。它允许接收器在感兴趣的宽频带上进行调谐，然后将所需的任意接收信号频率转换为已知的固定频率。这允许感兴趣的信号被有效地处理，过滤和解调。超级结构的结构优雅而简单，但实际性能取决于其组成功能块的性能。

注意，现在无处不在的超人是由工程天才Major E.H.开发的。阿姆斯特朗在20世纪30年代，并在很大程度上取代了他以前的接收器设计，超再生设计（尽管今天仍然在专业应用中使用）。随后，阿姆斯特朗也发明了频率调制，仍在广泛使用。其中任何一个都会让阿姆斯特朗成为“先锋和发明家”的类别，但拥有这三个与无线电相关的发明真的很重要。有关混音器基础知识的更多信息，请参阅TechZone文章“混音器的基础知识”。在基本的超级“单转换”接收器中，输入载波RF信号由一个或多个低噪声放大器（LNA）级放大，然后进入调音台（图1）。混频器有两个输入：RF信号和本地振荡器（LO）。 LO与要调谐的所需信号处于固定偏移，并且可以设置在载波频率之上或之下;在一些设计中存在技术原因，为什么一个优先于另一个。

图1：基本的超外差架构将RF信号与本地振荡器混合，与放大的RF信号保持固定偏移，以进行调谐以产生下变频，固定频率的IF信号，然后可以被放大和解调到基带。

混频器是一个非线性级，它将两个信号组合在一起。这种非线性混合产生两个输出：一个在两个信号频率的总和，另一个在它们的差异（其他和/谐波也由非线性混合过程产生，但它们不感兴趣且易于过滤）。存在这种固定差频输出，称为中频（IF），这使得超级设计如此有效。这是因为无论调谐的具体频率如何，IF始终处于相同的频率。由于IF频率始终相同，因此IF级放大器以及后续解调器可针对单个已知频率的性能进行优化。

接下来对混频器的IF输出进行滤波以消除任何伪像（尽可能），然后进入下一阶段进行进一步的放大和解调。历史上，传统广播AM无线电使用455 kHz的IF，传统广播FM无线电采用10.7 MHz，但其他专业应用使用不同的IF。

除了基本的单转换超级外，还有双转换拓扑（图2）。这用于更高的载波频率，例如500 MHz或1 GHz以上，通过优化每个阶段的可实现性能来缓解信号滤波问题和噪声问题;载波通过第一级混频器/LO将其降低到大约50-100MHz的第一IF，然后通过第二混频器/LO进一步下变频到第二IF。这为设计人员提供了更大的整体灵活性，并放宽了对单个元件规格的一些要求。 （商用时甚至还有三重转换接收器。）图2：在双转换设计中，基本的超级方法以更高的频率扩展第一个用于调谐的下转换阶段; IF输出变为等效于固定频率RF，其与第二级的LO混合以产生第二IF输出。

零中频设计

尽管LO/IF超精密方法是迄今为止设计最成功的接收机架构，但它现在正在从另一种方法中获得竞争：零中频接收机，也称为直接接收机 - 转换接收器（DCR），零差接收器或同步接收器（图3）。这里，LO频率被设置得非常接近所需信号的RF载波频率。混合输出立即在基带，并且不需要IF级。

图3：零中频方法使用非常接近RF信号的LO工作，并且直接下变频到基带而没有中间IF级。

虽然这种方法在理论上降低了基本电路的复杂性，但它对所有阶段提出了严格的要求，包括动态范围，稳定性，失真，调谐范围和噪声。对于一些经过精心挑选和设计的应用，IC可以使零中频接收器具有竞争力，或者优于具有IF级的超级接收器。

关键混频器参数

混频器可以是无源的（通常用二极管构建），也可以是使用晶体管增益的有源器件。作为在宽RF频带中采集信号并将其下变频到固定IF频率的功能模块，混频器对其有很多要求。有源和无源混频器各自提供关键参数的不同组合，所有这些都以dB为单位测量，除非另有说明：

三阶交调截点或输入交叉点（IIP3或IP3）涉及由三阶非线性乘积项引起的非线性乘积混频器对线性放大信号的影响。使用混频器通带内的两个测试频率来评估该三阶交调截点;通常，这些测试频率相隔约20至30kHz。较高的IP3值（以dBm为单位）表示更好的混频器。

转换损耗/增益是IF输出功率与RF输入功率之比。对于无源混频器，这总是损耗（负dB），通常在-5到-10 dB之间。虽然它是混频器效率的衡量标准，但这里的问题不是直流电源效率，而是混频器利用它所看到的相对较低的射频功率水平。

噪声系数（NF）至关重要，因为它表征了混频器增加的噪声，并出现在IF输出端。这是一个值得关注的问题，因为带内噪声一旦被添加到感兴趣的信号中，几乎不可能消除，破坏信号，使解调更具挑战性，并降低误码率（BER）。典型的噪声系数介于0.5和3 dB之间。

隔离定义了混频器阻止RF或LO输入信号能量到达IF输出的程度，这会破坏和扭曲IF并导致解调问题和错误。它是RF或LO输入与泄漏IF输出的比率。

动态范围测量混频器可以处理的最大信号电平与最小信号电平之比，并仍提供符合规格的IF信号。根据预期的RF输入，系统可能需要中等（50 dB）或宽动态范围（100 dB）。

这些只是顶级混频器相关的性能参数。其他包括镜像抑制，增益压缩，DC偏移和1 dB压缩点。

可用的混频器范围广泛

混频器供应商包括具有RF专业知识的传统模拟IC供应商，以及开发IC和分立器件混频器的以RF为中心的供应商。由于这两个小组从不同方向看混合器的性能，因此它们在优先级和权衡以及常见方面有不同的关注领域。

IC供应商ADI公司推出ADL5350，这是一款具有集成LO缓冲放大器的GaAs pHEMT单端无源混频器（图4）。

图4：ADL5350无源混频器包括一个有源LO放大器，可简化LO信号生成的操作和要求。

该宽带设备可处理750 MHz至4 GHz的频率，专为不同调制类型和标准的蜂窝基站而设计。缓冲区允许用户提供低电平LO，从而简化了设计。转换损耗为6.8 dB，噪声系数为6.5 dB，IP3为25 dB。由于涉及的频率，ADL5350采用8 VFDFN裸焊盘，芯片级封装（图5）。 （它也可以用于上转换的补充过程，但这是另一个故事。）

图5：为了获得最大的RF性能，ADL5350安装在采用裸露焊盘，芯片级封装。

CEL（原加利福尼亚东部实验室）提供UPC2757硅片MMIC（单片微波IC），用于0.1至2.0 GHz的RF输入和20至300 MHz的IF（图6）。

图6：CEL的UPC2757系列包括用于0.1和2.0 GHz之间RF输入的基本有源混频器。

UPC2757TB针对低功耗进行了优化，而UPC2758TB则针对低失真进行了优化。对于每个IC，转换增益是LO频率的函数（图7）。

图7：CEL的UPC2757 MMIC的转换增益随LO频率而变化;两个主要的家庭成员提供功耗与失真的基本选择。

这只是两个例子。混合器可从许多供应商处获得;设备可用于各种RF和LO频率，以及不同的功率水平和性能参数。设计人员的决策过程首先列出了基本频率要求以及其他混频器属性所需的值，以及任何这些因素中可能存在的任何灵活性或权衡。