混频器在雷达模块中的作用及原理……

混频器在雷达模块中的作用及原理……在超外差接收机里正是混频器这个器件把刚才聊的 RF射频和 IF中频联系在了一起。如果说放大器是让信号变得更大滤波器是让信号变得更纯那么混频器就是让信号改变频率但保留其承载的信息。它是频率的“搬运工”。下面我从作用和原理两个层面来详细拆解。一、混频器的作用频率的加减法混频器的核心作用可以概括为一句话实现频率的加减法。它有两个输入一个输出输入1射频信号 RF ( f_{RF} )即天线接收到的原始信号。输入2本振信号 LO ( f_{LO} )即接收机内部自己产生的一个振荡信号。输出中频信号 IF ( f_{IF} )。混频器利用元件的非线性特性在输出端会产生两个关键的、新的频率成分[f_{IF1} f_{LO} f_{RF} \quad \text{(和频)}][f_{IF2} |f_{LO}——f_{RF}| \quad \text{(差频)}]在标准的超外差接收机中我们通常只取其中一个。究竟是取和频还是差频取决于设计。但绝大多数接收机如AM/FM收音机都采用差频因为差频比原始射频信号低很多更容易进行高增益、高选择性的放大。所以混频器的作用就是把一个高频的、不易直接处理的RF信号通过减法运算变成一个固定的、较低的IF信号。 这个过程中RF信号上承载的音频或数据信息会原封不动地转移到IF信号上。二、混频器的原理非线性器件的魔法混频器之所以能做加减法不是因为它里面有微处理器而是因为它利用了电子元件的非线性特性。什么是非线性线性元件如理想电阻电压翻倍电流也翻倍。输出与输入成正比不会产生新的频率。非线性元件如二极管、晶体管的PN结电压翻倍电流可能翻三倍、四倍。输出与输入不成正比正是这种“扭曲”作用使得不同频率的信号在非线性元件上相遇时会“混合”在一起产生新的频率。数学原理积化和差我们可以用一个简化但很直观的数学模型来理解。一个非线性器件的输出电流 ( I ) 与输入电压 ( u ) 的关系可以近似用一个多项式表示[I a_0 a_1u a_2u2 a_3u3 \dots]其中产生新频率的关键是二次方项 ( a_2u^2 )。假设输入到混频器的电压 ( u ) 是两个信号的叠加RF信号和LO信号。[u u_{RF} u_{LO} A\cos(2\pi f_{RF}t) B\cos(2\pi f_{LO}t)]把这个 ( u ) 代入二次方项 ( u^2 ) 中[u2 [A\cos(2\pi f_{RF}t) B\cos(2\pi f_{LO}t)]2]根据三角函数的积化和差公式展开后会得到[u2 \frac{A2}{2}[1 \cos(2\pi \cdot 2f_{RF}t)] \frac{B^2}{2}[1 \cos(2\pi \cdot 2f_{LO}t)] AB\cos[2\pi (f_{RF} f_{LO})t] AB\cos[2\pi (f_{RF}——f_{LO})t]]这里出现了我们想要的成分( AB\cos[2\pi (f_{RF} f_{LO})t] )和频分量。( AB\cos[2\pi (f_{RF}——f_{LO})t] )差频分量。除了这两个还有直流分量( A^2/2 ) 等和二次谐波分量( 2f_{RF}, 2f_{LO} )。混频器后面接的选频网络比如一个谐振回路或中频滤波器会从这一堆乱七八糟的频率中专门把我们要的那个比如差频 ( f_{LO}——f_{RF} )挑出来送到中频放大器去其他的频率成分则被滤除或旁路掉。三、混频器的实际类型在实际电路中这个“非线性器件”可以是单二极管混频器最简单、最便宜利用二极管的单向导电非线性。缺点是会有损耗且会产生很多干扰产物。晶体管混频器利用晶体管的非线性放大作用可以在混频的同时提供一定的增益。模拟乘法器如吉尔伯特单元这是一种更先进的方式。它不是纯粹依靠非线性“顺便”产生乘积而是被设计成直接对两个输入信号做乘法运算。因为 ( \cos\alpha \times \cos\beta \frac{1}{2}[\cos(\alpha \beta) \cos(\alpha - \beta)] )所以乘法器是理想的混频器它理论上只产生和频与差频不会产生那些杂乱的谐波。这大大提高了信号质量。现代集成电路中的混频器基本都是这种形式。双平衡混频器通常由二极管环或晶体管对构成它能同时抵消LO信号和RF信号只让纯净的和差频输出性能非常好。总结混频器是超外差架构的灵魂。它利用非线性元件或模拟乘法器的特性对输入的高频RF信号和本振LO信号进行“乘法”或“混合”运算从而精确地输出它们的和频与差频。接收机再通过滤波器选出需要的频率通常是差频就完成了把高频信号降频为固定中频的关键步骤为后续的高质量放大和解调铺平道路。