1.振盪器
以將直流功率轉化成射頻功率,在特定的頻率點建立起穩定的正弦振盪,成為所需的射頻信號源。通常接收機和發射機的射頻電路都包含振盪器,小信號振盪器常用於接收機的本振,大信號振盪器常用於發射機的本振,在典型的射頻通信系統中,接收機和發射機的混頻電路需要由振盪器提供本振信號。
隨着現代通信系統的出現,頻率不斷升高,現代射頻系統的載波頻率常常超過1GHz,這就需要有與之相適應的微波振盪器。在較高頻率處可以使用工作於負阻狀態的二極管和晶體管,並利用腔體、傳輸線或介質諧振器等構成振盪器,用這種方法構成的振盪器可以產生高達100GHz的基頻振盪。
振盪器的核心是一個能夠在特定頻率上實現正反饋的環路,具有電壓增益A的放大單元輸出電壓為\(V_o(\omega)\),這一輸出電壓通過傳遞函數為\(H (\omega)\)的反饋網絡,加到電路的輸入電壓\(V_i(\omega)\)上,用輸入電壓表示的輸出電壓為
由於振盪器沒有輸入信號,若要得到非零的輸出電壓,上式的分母必須為0,這稱為巴克豪森准則(Barkhausen Criterion)。
2.混頻器
混頻器是一種將輸入信號的頻率升高(稱為上變頻)或降低(稱為下變頻),同時完好保留原信號特性的器件,其頻率的變換可通過輸入信號與另一信號(稱為本振信號)混頻而來。
混頻器是一個三端口器件,其中2個端口輸入,1個端口輸出。混頻器采用非線性元件,可以將2個不同頻率的輸入信號變換為一系列不同頻率的輸出信號,輸出頻率分別為2個輸入頻率的和頻、差頻及諧波。
- 混頻器是三端口器件,有 2 個輸入端口,有 1 個輸出端口。混頻器的作用是將輸入信號的頻率升高或降低,同時完好保留原信號的特性。
- 下變頻器用於射頻接收系統,2個輸入端分別輸入射頻(RF)和本振(LO)信號,1個輸出端輸出中頻(IF)信號,理想下變頻器的輸出為差頻,即 \(f_{IF}= f_{RF}− f_{LO}\)。
- 上變頻器用於射頻發射系統,2個輸入端分別輸入中頻(IF)和本振(LO)信號,1個輸出端輸出射頻(RF)信號,理想上變頻器的輸出為和頻,即 \(f_{RF}= f_{IF}+f_{LO}\)。
- 實際混頻器的頻率輸出是\(f_{out}=mf_{in}±nf_{LO}\),其中 \(f_{out}\)為混頻器輸出信號的頻率(\(f_{RF}\) 或 \(f_{IF}\));\(f_{in}\)為混頻器1個輸入信號的頻率(\(f_{IF}\)或 \(f_{RF}\));\(f_{LO}\)為混頻器另1個輸入信號的頻率(本振信號的頻率)。
- 混頻器按照頻率變換有3種類型,分別為上變頻器、下變頻器和諧波混頻器。
- 由於\(cos(f_{IF}t)=cos(−f_{IF}t)\),下變頻器將射頻頻率下移到中頻頻率時,中頻頻率為\(|f_{RF}-f_{LO}|\),“鏡像響應”是指產生該中頻 \(f_{IF}\)的射頻 \(f_{RF}\)有2個。若將\(f_{RF1}=f_{LO}+f_{IF}\)稱為產生IF信號的“直接頻率”;\(f_{RF2}=f_{LO}−f_{IF}\)稱為產生IF信號的“鏡像頻率”。
- 混頻器是頻率變換器件,變頻損耗給出了頻率變換的能力。以下變頻器為例,變頻損耗為可用RF輸入功率與可用IF輸出功率之比,即\(L_C=10lg(\frac{P_{RF}}{P_{IF}})\)。變頻損耗越大,噪聲系數越大。
- 混頻器是非線性器件,非線性的程度越高,頻率變換的效果越好。但從另一個角度來說,混頻器的輸入信號與轉換后的產物之間希望是完全線性的,也就是說,希望混頻器輸出的中頻信號與輸入的射頻信號在幅度上成正比關系,是一個線性的移頻器。
3.檢波器
檢波器也是頻率變換電路。檢波器是將已經調制的信號進行解調,輸出調制信號的電路。檢波器主要應用在接收機的解調電路中,對調幅信號進行解調,實現峰值包絡檢波,輸出信號與輸入信號的包絡相同。
整流器是檢波器的一個特例
整流器和檢波器都是二端口器件,輸入信號都是射頻信號,輸出信號都是射頻信號的包絡。整流器和檢波器的不同之處在於,整流器輸入的是未調制的射頻信號,也就是說輸入的射頻信號包絡為直流。
檢波器在小信號工作狀態時,二極管的輸出電流有直流電流(頻率為0)、包絡信號(頻率為\(\omega_m\))、包絡信號的高次諧波、射頻信號、射頻信號的高次諧波、包絡信號與射頻信號的組合等,再通過濾波器可以得到包絡信號(頻率為\(\omega_m\)),實現檢波。其中包絡信號為\(\frac{1}{2}mv^2_mG'_dcos(\omega_mt)\),與射頻電壓振幅\(v_m\)成平方關系,因此,在小信號時,二極管檢波器是“平方率檢波”。
如圖,
- 當二極管的輸入射頻功率在−40~−20dBm范圍內時,屬於小信號工作狀態,二極管滿足平方率檢波。
- 隨着輸入二極管射頻功率的增加,輸出包絡信號的幅度將與\(v_m\)成線性關系。當二極管的輸入射頻功率在−20~10dBm范圍內時,二極管工作在滿足線性關系的區域。
- 如果輸入二極管的射頻功率繼續增加,二極管將進入飽和區域,輸出包絡信號的電流將不隨輸入射頻信號的幅度而增加。當二極管的輸入射頻功率在10~20dBm范圍內時,二極管工作在飽和區域。
靈敏度是指輸入信號較低時,檢波器返回有用信息的能力。檢波器靈敏度定義為輸出電流與輸入功率之比。靈敏度越高,檢波器越好。
- 整流器的電流靈敏度
整流器的電流靈敏度定義為由於輸入射頻信號的變化引起的直流電流改變量ΔIDC與輸入射頻功率PIN之比,即
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整流器的電壓靈敏度。電壓靈敏度與負載相關,分開路電壓靈敏度和有限負載靈敏度2種情況。
開路電壓靈敏度定義為二極管開路時(\(R_L=∞\))其結電阻(\(R_j\))兩端的電壓降,在數值上等於結電阻與電流靈敏度的乘積。
\[\beta_v=\beta_iR_j \]有限負載靈敏度定義為二極管的負載\(R_L≠∞\)時其結電阻( \(R_j\))兩端的電壓降。
\[\beta_v=\beta_i(\frac{R_j}{1+R_j/R_L}) \]
一般而言,當檢波器輸出信號的頻率小於1MHz時,閃爍噪聲對檢波器靈敏度的影響較大。閃爍噪聲又稱為1/ f 噪聲,噪聲功率與頻率成反比。為避免閃爍噪聲的影響,通常采用混頻器構成超外差接收機,在30MHz或70MHz的中頻放大后,再用檢波器檢波。
多種方法可以提高檢波器的靈敏度。例如,為提高檢波器的靈敏度,經常選擇肖特基低勢壘二極管;選擇截止頻率高的二極管,這種二極管寄生參數影響小;加正向偏置電流,打通二極管,節省微波功率,提高靈敏度。