芯耀
328
一、介绍
射频混频器的下变频功能在各种射频系统里都特别关键，像通信、雷达和无线应用这些领域都离不开它。它能把信号频率降到适合后续处理的程度，这样既能让信号处理更高效，还能优化信号、降低噪声，提升整个系统的性能。
搞懂射频混频器和LO怎么相互配合，是设计射频架构的基础，这样的架构才能在不同频段实现最佳的信号处理、放大和数据提取。在射频架构里，用射频混频器进行下变频是信号处理的关键步骤——通过把高频信号转到低频段，让信号处理和操控更方便，而LO在这个过程中也起着核心作用。
二、内部结构与工作原理
1、混频器核心
混频器的核心包含负责信号混频的非线性元件（如二极管或晶体管）。
非线性器件利用其非线性特性，在射频（RF）信号与本振（LO）信号结合时产生和频与差频分量。
输入混频器的两个信号可以看作正弦波。输出的瞬时电平取决于信号A和信号B的瞬时电平相乘的结果。要是把曲线上各个点都相乘，输出的波形就会更复杂，如下所示。
两个信号其实是相乘在一起的，这全靠前面说到的电路里的非线性元件。可能是二极管，也可能是晶体管、场效应管这类有源器件，只要偏置得合适就行。
2、本振端口与射频端口
- LO端口：该输入提供本振信号，决定频率转换的目标值。
- RF端口：该输入承载待转换的射频信号。
3、中频（IF）输出
混频器的输出包含和频、差频，以及可能存在的其他谐波或杂散频率分量。
中频输出通常需经过额外滤波或处理，以分离出所需的频率成分。
三、射频系统中的重要性
- 混频器架构对系统性能的影响：混频器架构在转换损耗、线性度、隔离度和杂散响应等方面显著影响射频系统的性能。
- 架构适配性：基于频率范围、线性度及抑制干扰信号的需求，不同架构适用于各类应用场景。
- 设计关键：选择合适的混频器架构是设计高性能射频系统的核心，可确保信号质量与系统效率的最优化。
1、频率转换
- 核心功能：射频混频器是频率转换的核心组件，它将输入的高频射频信号与本地振荡器信号结合，产生包含和频与差频的输出信号。
- 目标信号提取：差频分量即为所需的下变频信号，其频率处于便于后续处理的目标范围内。
2、 带宽管理
- 高频信号处理挑战：高频信号承载海量数据，但高效处理难度较大。下变频可降低信号频率，使其更易被系统后续环节处理。
- 低频段优势：低频段的窄带宽更易进行信号处理与放大，既能提升信号质量，又能降低系统复杂度。
四、信号处理与滤波
- 噪声抑制优化：通过下变频，信号更易滤除多余噪声与干扰。低频段的滤波效率更高，有助于信号提纯并提升系统整体性能。
五、下变频过程
下变频过程通过射频混频器将高频射频信号转换为较低的IF或基带频率，该过程通过混频器内射频信号与LO信号的非线性混频实现。
1、公式
理想混频器的输出可由以下公式描述：
Vout=A*Vrf*Vlo其中：Vout是混频器输出电压。Vrf是混频器射频端口输入电压。Vlo是混频器LO端口输入电压。A是混频器的转换增益。
2、处理步骤
（1）信号混频
将Vrf与Vlo输入混频器。
混频器的非线性特性会产生新频率分量，包括和频与差频：
fIF=|fRF-fLO|其中：fIF是中频信号，fRF射频信号，fLO是LO信号。
3、下变频
通过合理设置本振频率，可获得所需的频率分量（如差频）。
差频作为下变频信号，通常是系统中选择用于后续处理的分量。
举个例子
若将2.4GHz的射频信号与2.1GHz的本振信号混频，产生的IF是2.4-2.1=0.3GHz。
若将900MHz的射频信号与1GHz的本振信号混频，输出信号中包含和频0.9+1=1.9GHz，差频1-0.9GHz=0.1GHz。
理解混频器的下变频过程对射频系统设计中的频率调控和信号处理至关重要，这一过程可实现高效通信与数据处理。
这里有个在线的计算器，方便大家对混频后的频率计算：
https://www.rfwireless-world.com/calculators/rf-mixer-output-calculator
五、常见混频器架构
1、单平衡混频器
- 由单个二极管或晶体管作为混频元件。
- 采用单端射频输入与本振输入。
- 具备基础混频能力，但转换损耗较高且端口间隔离度有限。
2、双平衡混频器
- 以平衡配置使用两组二极管或晶体管。
- 相比单平衡混频器，端口隔离度提升且转换损耗降低。
- 线性度更优，常用于高性能射频系统。
3、三平衡混频器
- 以平衡配置使用三组二极管或晶体管。
- 端口隔离度、线性度进一步提升，杂散响应减少。
- 常见于对性能要求严苛的高频应用场景。
4、镜像抑制架构混频器
- 设计用于抑制无用镜像频率，提升射频应用的选择性。
- 借助移相网络或混合耦合器消除非期望频率，优化系统性能。
总结一下，射频混频器的下变频功能在通信、雷达等射频系统中至关重要，能将高频信号降至易处理的低频。其核心是非线性元件，让射频与本振信号相乘，产生和频、差频。LO端口提供本振信号，RF端口输入待转换信号，输出经处理取所需分量。下变频靠非线性混频实现，公式为Vout=A*Vrf*Vlo，差频即目标中频。常见架构有单平衡、双平衡等，性能各有优劣，选合适架构是设计关键。
