1
Ljmin 10lg(1 2SC j RS )
2 RS 10 lg(1 ) (dB) Rj
(3-44)
第3章 微波混频器
混频二极管的总变频损耗为
L=L0+Ljmin
(3-45)
图3-13画出了Rs、Cj及二极管总变频损耗随本振激励功 率的变化曲线。可见，恰当地选择本振幅度能使实际变频损 耗达到最小。
2 2 I e2 m21 I A Poa 8G0 8(Gg m11 )[m22 (m11 Gg ) m12 m21 ]
(3-27)
(3-28)
第3章 微波混频器
因此，镜频端口的负载电导Gi为任意值时，混频器的净
变频损耗为
Psa (Gg m11 )[(m22 (m11 Gg ) m12 m21 )] L0 2 Poa m21Gg
第3章 微波混频器
如图3-12所示，流入二极管的总电流幅值为Ij，Rj两端
的电压幅值为Uj，Rj的实际吸收功率为 输入总信号功率为
Pj I j2 RS 2
U j2
U j2 2 Rj
(3-41)
Prf
பைடு நூலகம்
U j2 2 Rj
(3-42)
RS 2 2 (1 S CJ RS Rj ) 2 Rj Rj
第3章 微波混频器
图 3-11 最小净变频损耗与本振电压幅值的关系
第3章 微波混频器
3.2.2 混频管寄生参量引起的结损耗
净变频损耗随着本振电压加大而单调下降，但实际情况 上混频器是在某个一定大小的本振功率上得到最小的变频损 耗值，过大或过小的本振功率都将增大变频损耗。这是因为 上述分析仅考虑Rj的作用，忽略了寄生参量Ls、Cp、Cj和Rs 的影响，所得结果是理想的。实际上必须考虑寄生参量的影 响。分析时常把Ls和Cp合并到外电路去，只考虑Cj和Rs的影 响。由于Rs、Cj对输入的微波功率进行分压和分流，只有部 分信号功率加到Rj上参加频率变换，因此二极管的结损耗Lj 定义为输入信号功率Prf与结电阻Rj的吸收功率Pj之比。
第3章 微波混频器
3.2 微波混频器的小信号传输特性
——变频损耗
微波混频器的作用是将微波信号转换为中频信号，频率
变换后的能量损耗即为变频损耗。微波混频器的小信号传输 特性的研究任务包括：
(1) 输入信号功率经过混频器后有多少功率转换成中频
信号功率，即变频损耗。 (2) 当混频器的源电导Gg和输出电导G0为何值时，变频 损耗最小。 变频损耗定义为微波信号资用功率Psa与输出中频资用 功率Poa之比，常用分贝表示，即
第3章 微波混频器
1. Gi为任意值时的净变频损耗
混频器的等效电路如图3-6(b)所示，根据网络方程式(316)，由镜像端口得
Ii=GiUi
对式(3-16)和式(3-20)联立求解，得
(3-20)
IS=m11US+m12U0
I0=m21US+m22U0
用矩阵表示为
(3-21)
I S m11 m12 U S I m m22 U 0 0 21
第3章 微波混频器
图 3-7
镜像电导G为任意值时的混频器等效电路
第3章 微波混频器
为计算净变频损耗，首先应求出信号源的资用功率和混
频器输出的中频资用功率，然后求两者之比。 信号源的资用功率(Gi=Gg时)为
U I Pin Rg 8Gg
2 S
2 A
(3-24)
式中：IA是信号的电流幅值。为求得混频器输出的中频资用 功率，在中频端口使用戴维南定理，把输出端口以左的电流 等效成一个新的恒流源，如图3-8所示。
第3章 微波混频器
图 3-12
考虑寄生参数影响时计算变频损耗的电路
第3章 微波混频器
由此求得结损耗为
RS 2 Lj 10 lg(1 S C j2 RS Rj ) (dB) Rj
(3-43)
因为Rs和Rj都和本振电压有关，所以调节UL使 Rj 时， jC j 可使结损耗最小，即
G0匹 g 0
(3-35)
第3章 微波混频器
3. 镜像短路(Gi＝∞)时的净变频损耗
如果在输入端加入对镜频短路的窄带滤波器，使输入回 路对镜频呈现短路，则称为镜像短路混频器，如图3-9所示。 在镜像短路混频器中，由于镜频电流没有流过信号源内阻， 因此镜频能量没有消耗，而是被反射回混频器，所以净变频 损耗比镜像匹配时要小。将Gi＝∞代入式(3-30)～式(3-32)求 得镜像短路混频器的最小变频损耗、最佳源电导和最佳输出 电导为
2 0 2 1 2 0
(3-40) 图3-11是采用正弦电压激励时三种镜像状态的最小变频 损耗和本振电压幅值的关系曲线。由图可见，镜像开路混频 器和镜像短路混频器由于镜频能量回收，使得L开<L短<L匹。 理论上当UL趋于无穷大时，L匹趋于3 dB，说明信号功率中 有一半转换成镜频功率损耗在负载上，而L短和L开都趋于0 dB。实际上镜像短路混频器或镜像开路混频器比镜像匹配 混频器获得的变频损耗改善不可能达到3 dB，一般在0.5～2 dB之间。
(3-22)
第3章 微波混频器
式中：
2 g2 m11 g 0 g 0 Gi
g1 g 2 m12 m21 g1 g 0 Gi
(3-23)
g12 m22 g 0 g 0 Gi
于是把三端口网络简化成二端口网络，如图3-7所示。网络 参数与镜像端口的负载电导Gi有关。
(3-29)
可见，净变频损耗是信号源电导Gg与网络参数［m］的 函数。当混频器的激励状态一定时，L0随Gg变化。调整Gg可 L0 0 ，即可求得最小变频损耗及其相 使L0达到最小。令 Gg 应的最佳源电导和最佳输出电导，即
第3章 微波混频器
L0 min
(Ggopt m11 )[(m22 (m11 Gg ) m12 m21 )]
L匹 2
1 1 2 g12 g0 ( g0 g 2 ) 1 1 2 g12 g0 ( g0 g 2 )
(3-33)
第3章 微波混频器
Gg 匹
2 g12 ( g0 g2 ) 1 g0 ( g0 g2 ) 2 g12 1 g0 ( g0 g2 )
(3-34)
第3章 微波混频器
图 3-14
镜像短路(或开路)混频器噪声等效电路
第3章 微波混频器
图 3-13
二极管总变频损耗与本振激励功率的关系
第3章 微波混频器
3.2.3 输入、输出端的失配损耗
混频器输入、输出端不匹配会引起信号功率和中频功率 的损耗。假定输入端的反射系数为Γ1，电压驻波比系数为ρ1， 中频输出端反射系数为Γ2，电压驻波比为ρ2，则失配损耗为
Lr 10 lg( ) 10 lg( ) (dB) 2 2 1 1 1 2
在混频过程中产生的寄生频率都含有一部分信号功率， 如果它们消耗在电阻上，就会造成损耗，这些损耗称为净变
频损耗。计算净变频损耗时，认为混频器输入、输出端口均
已匹配，且将二极管只看做是一个受本振电压控制的时变电 导g(t)。 混频器的等效电路是一个三端口网络，净变频损耗不但 与二极管的特性有关，还与各端口的负载阻抗有关。实际应 用中，最关心的是镜像短路、镜像匹配和镜像开路这三种混 频器的净变频损耗。为普遍起见，首先讨论镜像端口负载电 导Gi为任意值时的净变频损耗，然后再讨论三种主要混频器 的净变频损耗。
2 m21Gg
1 2 [2m11m22 m12 m21 2 m11m22 (m11m22 m12 m21 )] m21
(3-30)
Ggopt Gcopt
m11 (m11m22 m12 m21 ) m22 m22 (m11m22 m12 m21 ) m11
(3-31)
(3-32)
第3章 微波混频器
图 3-8
中频输出端等效电路
第3章 微波混频器
图3-8中，Ie是恒流源电流，即输出端短路电流的幅值；
G0是恒流源的内电导，即获取的中频输出电导。当中频端 口短路时，Ie=I0，混频器的外部方程为
IS=IA－USGg U0=0
将式(3-25)和式(3-23)联立求解，得
(3-25)
第3章 微波混频器
Psa L 10 lg( ) (dB) Poa
变频损耗主要包括以下三部分： (1) 由寄生频率产生的净变频损耗L0。 (2) 由混频二极管寄生参量引起的结损耗Lj。 (3) 混频器输入/输出端的失配损耗La。
(3-19)
第3章 微波混频器
3.2.1 净变频损耗
1
1
(1 1 ) 2 (1 2 ) 2 10 lg( ) 10 lg( ) (dB) 4 1 4 2
(3-46)
第3章 微波混频器
3.3
混频器的噪声系数及其他电气指标
混频器的噪声系数(NF)定义为输入端处于标准温度(290
K)时，输入端与输出端的信噪比之比，即
Sia Nia N oa F L Soa N oa N ia
第3章 微波混频器
L短
g1 2 1 1 ( ) g0 g1 2 1 1 ( ) g0
g1 2 1 ( ) g0
(3-36)
Gg短 G0短 g 0
(3-37)
第3章 微波混频器
图 3-9 镜像短路混频器
第3章 微波混频器
4. 镜像开路(Gi＝0)时的净变频损耗
如果在混频器的输入端与二极管之间嵌入一个镜频抑制 滤波回路，则形成镜像开路，如图3-10所示。 在镜像开路混频器中，由于镜频电流Ii＝0，因此不消耗 镜频能量，而将镜频能量储存起来，在镜频抑制滤波器的两 端形成镜频电压U，U又与本振基波混频(ωL－ωi=ω0)，得到 有用的中频能量，使输出的中频功率增加。所以镜像开路混 频器具有最低的净变频损耗。 将Gi＝0代入到式(3-30)～式(3-32)，得到镜像开路混频 器的最小净变频损耗、最佳信号源电导和最佳输出电导为