《通信基本电路》
课程设计。计算机科学与技术学院
混频器。通信工程06-2
唐新军。李亚。
2009 年 9 月 6 日
一、概述：混频，又称变频，也是一种频谱的线性搬移过程，它是使信号自某一个频率变换成另一个频率。完成这种功能的电路称为混频器。
混频技术的应用十分广泛。混频器是超外差式收音机中的关键部件。直放式接收机高频小信号检波，工作频率变化范围大时，工作频率对高频通道的影响比较大，灵敏度较低。
采用超外差技术后，将接收信号混频到一固定中频，放大量基本不受接收频率的影响，这样，频段内信号的放大一致性好，灵敏度可以做得很高，选择性也较好。因为放大功能主要在中放，可以用良好的滤波电路。采用超外差接收后，调整方便，放大量、选择性主要由中频部分决定，且中频较高频信号的频率低，性能指标容易得到满足。
混频器在一些发射设备中也是必不可少的。在频分多址信号的合成、微波接力通信、卫星通信等系统中也有其重要的地位。此外，混频器也是许多电子设备、测量仪器的重要组成部分。
二、混频器工作原理及系统框图：
一个实际应用中调幅收音机的混频器电路的主要功能是使信号自某一个频率变换成另外一个频率，实际上是一种频谱线性搬移电路。它能将高频载波信号或已调波信号进行频率变换，将其变换为某一特定固定频率的信号。而变换后的信号，它的频谱内部结构和调制类型保持不变，改变的仅仅是信号的载波频率。
混频电路的类型较多，常用的有模拟相乘混频器、二极管平衡混频器、环型混频器、三极管混频器等。其中三极管混频器最为常用，其工作原理图如图1：
图 1 系统原理图。
从图中可以看出混频电路主要有三大部分组成：本地振荡器、晶体管变频器电路和中频滤网络，各个部分独立工作。本地振荡器产生稳定的振荡信号（设其频率为）通过晶体管混频电路和输入的高频调幅波信号（设其频率为），由于晶体管的非线性特性，两个信号混合后会产生+、-频率的信号，然后通过中频滤波网络，取出-频率的信号，调节好、的大小使其差为中频频率，即所需要的中频信号465khz。
三、主要部分电路图及原理分析。
1.本地振荡电路。
本地振荡器是本设计电路的重要部分，同时也是超外差式接收机的主要部分。其主要作用是将直流信号变为高频正弦信号，将产生的正弦高频信号与输入的高频调幅信号相乘得到+、-的信号，其中为正弦信号频率，为调幅信号频率，通过中频滤波器得到中频信号-。即本地振荡器主要是产生一个和调幅信号相乘的高频信号，通过信号相乘以得到新的频率，若振荡器不能够稳定工作，就会使产生的中频信号不稳，为此我们必须保证振荡器的稳定性，故这里采用高稳定度的石英晶体振荡器。
1.1振荡器起振条件。
正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓振荡器是指这时放大器不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。
负阻式振荡器则是将一个呈现负阻性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。本设计中用的是反馈式振荡器，图1.1所示即为lc三点式反馈式振荡器的原理图。
通过我们对高频电路的学习知道，三点式振荡器的构成法则是：与的符号相同，与的符号则相反。凡是违反这一准则的电路不能产生振荡。
图 1.1本振电路原理图。
1.2石英晶振工作原理。
我们知道由lc构成的振荡器，它们的日频率稳定度大约为～的数量级。即使采用了一系列稳频措施，一般也难以获得比更高的频率稳定度。但是，实际情况往往需要更高的频率稳定度。
例如本文的本振电路由于它的稳定性直接决定了输出中频信号的稳定度，因此其频率稳定度就要求～。显然，普通的lc振荡器是不可能满足上述要求的。为此本设计电路采用了石英晶体振荡器。
石英晶体的物理化学性能都十分稳定，因此它的等效谐振回路有很高的标准性。其等效电路如图1.2所示，晶体的参数很大、很小、也不大。
因此，晶体的q値可高达数百万数量级。又由于﹥﹥所以石英晶体工作时，在串并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。
图1.2 石英晶体等效电路。
1.3电路参数选择及性能分析
图1 .4 本振电路图。
1.5 交流等效电路。
图1.4是本次课设所使用的石英晶体振荡电路，由图中可以看出是石英晶体并联型振荡电路，在电路中石英晶振显感性，其交流等效电路如图1.5所示，由图可知，晶体管发射极和电容c3、c4相连其阻抗性质相同，同为容性；集电极和c3、晶振相连，而晶振又显感性所以阻抗性质相反；基极和c4、晶振相连同理其阻抗性质也是相反的，故此振荡器满足振荡条件，其类似于考毕兹振荡电路。
振荡频率公式为。
查阅石英晶体资料得11mhz振荡时其等效电感，当电容选取为50pf时其振荡频率为：
电路中其它主要器件的参数如下为基极偏置电阻，用来给给三极管确定一个合适的静态工作点，c1=1uf为基极耦合电容，l1=10mh为扼流圈，防止突变对三极管造成损害，用来限制射极电流，c2=1uf为旁路电容c5=1uf为电源和地的去耦电容。
由于石英晶体是本电路的核心部件，因此在选用晶振时要注意以下几点。
1 石英晶体的激励电平应在规定范围内。过高的激励功率会使石英晶体内部温度升高，损坏石英。
2 在并联晶体振荡器中，石英晶体起等效电感作用，若作为容抗，则在石英晶片失效时，石英振荡器的支架电容还存在，线路仍有可能满足振荡条件而振荡，石英晶体振荡器就失了作用。
2、变频电路。
变频电路是混频器的核心部件。变频电路本质上说是实现频谱搬移的电路，是一个六端网络。它有两个输入电压，输入信号和本地振荡信号，其工作频率分别为和；输出信号为，称为中频信号，其频率是， =由此可见，变频器在频域上起着（加）减法器的作用。
变频电路有多种形式，如二级管式、模拟乘法器式和三极管式。本电路采用的是应用最广泛的晶体三极管式变频电路。
2.1混频原理。
图2.1 混频原理图。
上图即为混频电路原理图，下面对其进行一个简要的分析：设为输入高频调幅波信号，亦为本地振荡器产生的高频振荡信号且 ﹥﹥时变偏置电压，由此可得集电极电流为。
经集电极谐振回路滤波后，得到中频电流。
式中=称为变频跨导。
从以上分析结果可以看出：只有时变跨导的基波分量才能产生中频分量，而其它分量会产生本振谐波与信号的组合频率。变频跨导是变频器的重要参数，它不仅直接决定着变频增益，还影响到变频器的噪声系数。
变频跨导=，只与晶体管特性、直流工作点及本振电压有关，与无关，故变频跨导亦有上述性质。基于此原理设计的变频电路如图2.2所示。
图2.2 变频电路。
2.2电路参数选择及性能分析。
由以上分析知在设计电路时须注意变频跨导与本振电压和偏置电压的关系线。只有把握好这一关系，设计出来的电路才能满足我们的设计要求。本文混频电路所采用的晶体三极管是2n3904，根据其变频跨导与本振电压和偏置电压的关系曲线设计电路如图2.
2所示。
图中v2为11mhz的本振信号，v1为10.535mhz的调幅输入信号现对其参数做一简单推导，设。
则二式相乘得。
经过中频滤波后为。
此信号的载波频率为，即我们所需要的中频信号，其实际输出波形的频率为465～470mhz的信号，振幅为0.835v左右，与理论值8.12mv不符，这主要是因为中频滤波网络的放大以及变压器的升压作用的结果。
电路中其它一些重要的参数如下：电路图中am用来代表接收到的调幅波，v2代表前面本振电路产生的振荡信号，c8=10pf,c9=2.2pf为输入信号耦合电容，、为基极偏置电阻，为射极限流电阻，c5=1500pf为旁路电容。
另外在实际应用中变频器是存在干扰的，如果没有采取有效地措施来抑制干扰，它会给从电路带来大量谐波信号严重时会使整个电路无法工作，因此应注意以下几个问题：
1 正确选择中频数值。当输出频率确定后，在一个频段内的干扰点就确定了，合理的选择中频频率，可大大减少组合频率干扰的点数，并将阶数较低的干扰排除掉。
2 正确选择变频器的工作状态，减少组合频率分量。应使的谐波分量尽可能的减少，使电路接近乘法器。
3 采用合理的电路形式。如平衡电路、环形电路、乘法器等，从电路上抵消一些组合分量。
3.中频滤波网络。
在变频器的输出端不仅会输出我们需要的中频信号，同时也会输出一些我们不需要的信号，如频率为+的高频信号，另外也会出现一由于本振信号的失真以及电路的非线性引起的谐波信号，只有滤除这些信号才能得到我们想要的中频信号，因此需要在变频器的输出端加一中频滤波网络，另外中频滤波网络还能够对变频器输出的信号进行放大，以便于后续处理。
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