通过微波混频器实现频率转换

下变频和上变频功能在大多数高频接收机和发射机中经常是以常常被忽略的元件：射频/微波混频器的方式实现的。在过去20多年中，混频器的外观发生了很大的变化，如今的封装类型种类也非常繁多。不过，它们的主要功能没有改变：即将一个信号（通常通过调制携带有某种信息）的频率转换成（比原始频率更高或更低的）第二种频率。

射频/微波混频器实际上是一种三端口元件，可以制作为基于二极管的无源器件，或基于偏置型场效应晶体管（FET）的有源元件。混频器的三端口通常是指射频（RF）端口、本振（LO）端口和中频（IF）端口，其中两个作为输入端口，一个作为输出端口。本振端口总是输入端口，因此射频端口和中频端口既可能是输出也可能是输入端口，取决于混频器是用作下变频还是上变频。

在下变频中，高频射频输入信号与高频本振信号混合（通常两个信号在相似的频率范围内）来产生一个频率较低的中频输出信号。在上变频中，较低频率的中频信号作为输入，与较高频率的本振信号混合后产生射频输出信号。后者转换成比中频输入信号更高的频率，同时保留中频信号的调制信息。下变频通常是接收机的一部分，上变频则通常用于发射机中。频率转换遵循简单的数学混合函数：

n（fRF fLO）= fIF
其中：
fLO = 本振信号频率
fRF = 射频信号频率
fIF = 中频信号频率
n = 谐波次数

下面举个简单的下变频例子。射频信号为2100MHz,本振信号为2000MHz：基频混合后将产生中频和差信号，其中一个中频信号为2100-2000=100MHz,另一个为2100+2000=4100MHz.如果需要较低频率的信号，那么较高频率信号可以去除，例如通过在混频器中频输出端增加一个低通滤波器。值得注意的是，混频信号之差很重要，而且本振-射频的差频也可以使用。

为支持各种不同类型的通信系统，多年来，业界开发出了许多不同类型的射频/微波混频器。这些混频器包括单平衡混频器（可以用一个二极管设计）、双平衡混频器、三平衡混频器、镜像抑制混频器、同相/正交（I/Q）混频器、单边带混频器、双边带混频器、谐波混频器和子谐波混频器。

举例来说，传统的双平衡混频器通常使用4个以四方环形拓扑配置的肖特基二极管，它可以为许多应用提供可接受的性能。当需要特定的增强性能等级时，可以在混频器电路中采用一对这种二极管方阵构成三平衡混频器。可以处理带I和Q分量的信号的混频器是数字调制系统的理想选择，而谐波混频器（可以从混频过程中提取较高的谐波分量）一般用来产生和处理毫米波信号。

理想情况下，当一个下变频混频器通过处理本振和射频输入信号在接收机中产生较低频率的中频信号时，接收信号将与输入本振信号混合。但是，任何一个出现在混频器射频端口、处于目标频率范围内，但非期待信号的信号（通常称之为"映像"信号），将产生中频输出信号。接收机通常采用预选择滤波器去除落在混频器射频端口带宽内的任何不想要的映像信号。另外一种方法是使用可以衰减这些非期待映像信号映像抑制混频器。

混频器由许多参数进行表征--其中一些参数（如转换损耗）仅适用于混频器，不适用于其它高频元件。其它重要的混频器参数包括端到端隔离度、VSWR、噪声系数、1dB压缩点和三阶截取点。举例来说，隔离度描述了端口之间的分隔程度，或从一个端口馈送到另一个端口的功率有多大。高隔离度意味着混频器的端口之间的信号泄漏最小。

混频器的动态范围是指混频器能够处理的信号最大幅度（由1dB压缩点决定）和它能处理的最小信号（由噪声系数决定）之差。当然，选择任何混频器都需要考虑混频器的总体性能与所要求的系统频率规划之间的匹配性。这包括是用于上变频还是下变频，如何处理中频，可用的本振功率，甚至适合印刷电路板（PCB）安装的混频器类型。

图1：传统的混频器封装包括同轴连接器和坚固的金属外壳。

如果混频器用于下变频，就像射频/微波接收机中常用的那样，那么大部分性能将取决于可用的本振信号。例如，本振信号噪声将影响到下变频混频器的中频端口噪声。但最小本振幅度也会限制混频器的可用动态范围。混频器通常会针对不同的本振信号电平进行优化，比如+7、+10和+14dBm.这是给混频器的非线性开关元件（不管是二极管还是晶体管）提供能量的功率。在高于最优本振幅度的电平上，混频器将开始经历压缩过程，这时本振输入功率的增加不再使中频输出功率增加。压缩的早期迹象由混频器的1dB压缩点指示。

判断混频器线性度的另一个参数是三阶截取点（IP3），是指由混频器射频端口的两个音造成的互调失真电平。例如，对于数字通信系统中使用的混频器来说，出色的线性度对于保持混频器处理的I和Q信号分量精度非常重要，而更高的三阶截取点值代表了增强的线性性能。

无源混频器用它们的转换损耗来表征，这种损耗是由于混频器电路中到二极管结点和混频器设计中其它电路连接点的阻抗失配造成的损耗引起的。在用于下变频的混频器中，转换损耗是指射频输入幅度和中频输出幅度之间的信号电平差，而在用于上变频的混频器中，转换器损耗是指中频输入幅度和射频输出幅度之间的电平差。在标准的双平衡射频/微波混频器中，6dB至8dB的转换损耗值很常见。当然，在有源混频器中也可能实现转换增益，方法是在混频器中使用放大级电路和有源电路器件。但这种增益也要求增加混频器有源电路的偏置功率，就像对放大器进行偏置一样。

射频/微波混频器过去曾经是相当大的元件，一般采用金属外壳，每个端口带有同轴连接器。对于某些应用来说，例如机架式接收机、发射机和测试设备，这种混频器封装仍然是符合要求的（图1）。但随着越来越多高频设计工程师要求尽可能减小电路与系统，混频器封装也随即采用越来越小的表面贴装和PCB封装（图2），这样能使工程师在极小的电路面积内完成频率转换（在包含本振源时）。

图2：该紧凑的塑料表面贴装封装的尺寸仅为0.38×0.50×0.23英寸（9.65×12.70×5.84毫米），但它却能够很好地支持混频器电路在微波频率范围工作。

较新的混频器可以专门供宽带或窄带使用，取决于具体应用。在小型封装可能达到的性能水平方面，像Mini-Circuits公司SYM-63LH+这样的混频器就是一种基于二极管方阵的双平衡混频器，可以处理从1MHz至6000MHz的射频/本振信号。同样是这家公司的MAC系列混频器基于低温共烧陶瓷（LTCC）电路基板，可在只有0.06英寸高的表贴封装中处理从0.3GHz至12.0GHz的射频/本振信号。Synergy Microwave公司的SGS-5-17双平衡混频器则使用该公司的SYNSTRIP多层电路技术，在仅有0.275×0.200×0.050英寸的封装内实现了从3GHz至19GHz的射频/本振信号覆盖。

此外，有越来越多的集成电路（IC）制造商将混频器功能制作为完整前端组件的一部分。这些组件还包括预选择滤波器、放大器、匹配变压器和中频滤波器，这样可极大地简化那些寻求紧凑型频率转换解决方案的射频/微波接收机和发射机设计工程师的工作。