环形混频器的设计-高频电子线路课设分享

本学期我们学习了《高频电子线路》这一门课程，为了更好地掌握所学习的知识，特做此课程设计以加以巩固，同时学习并加深Multisim软件的使用。

本次设计是混频器的设计，我们要好好掌握其设计原理。混频器在通信工程和无线电技术中，应用非常广泛，在调制系统中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成对应的中频信号。特别是在超外差式接收机中，混频器应用较为广泛，如AM 广播接收机将已调幅信号535KHZ一1605KHZ要变成为465KHZ中频信号，电视接收机将已调48．5M一870M 的图象信号要变成38MHZ的中频图象信号。移动通信中一次中频和二次中频等。在发射机中，为了提高发射频率的稳定度，采用多级式发射机。用一个频率较低石英晶体振荡器做为主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振荡信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频，所以必须使用混频电路，又如电视差转机收发频道的转换，卫星通讯中上行、下行频率的变换等，都必须采用混频器。由此可见，混频电路是应用电子技术和无线电专业必须掌握的关键电路。

1、设计二极管环形混频器、本地振荡器电路。

2、在Multisim仿真软件上绘制电路图，并进行仿真得到预期结果。

3、绘制PCB电路图，为做出实物做出准备。

二极管环形混频器各端口有良好的隔离性，而且有组合频率少、动态范围大、噪声小、本振电压无反向辐射等优点。其主要缺点是混频增益小于1，且随着工作频率提高而下降。相比于二极管平衡混频器可以进一步抑制一些非线性产物。而且二极管环形混频器具有电路简单易实现等优点。因此我们选择二极管混频器为我们的混频单元。

晶体管的内部工作原理石英晶体具有压电效应。当对它施加机械应力时会产生电荷；加电压时会发生振动，称此为压电效应。给石英设置电极加电压时所得到的电学的固有振动不怎么受所加电压或环境温度的影响。因此，如果把石英振子用于振荡电路，将会得到频率非常稳定的振荡输出。

石英晶体作为振荡回路元件能使振荡器的频率稳定度大大提高的原因在于：

1) 石英晶体的物理和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；

2) 它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数Lq很大、Cq很小、Rq也不高。因此，晶体的Q值可高达数百万数量级；

3) 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。

石英晶体振荡器与其它LC振荡器相比具有更稳定的震荡频率，为了得到稳定的频率输出因而我们选择使用晶体振荡器作为本地震荡单元。

当器件的伏安特性是非线性时，能实现混频。当忽略三次方以上的各项时，非线性器件的输出电流与输入电压之间的关系可以表示为，式中、、分别为各项的系数。若，代入上式并利用三角公式进行变换，则得到：。其中就是所需的频率分量，即中频。只要在输出端接上谐振频率为中频的谐振回路，就能滤除不需要的频率分量，选出中频电压。

可见，当两个不同频率的高频电压作用于非线性器件时，将产生直流、二次谐波、和频。

二极管环形混频器工作原理：

混频器就是对某信号进行频率交换，将其载频变换到某一固定的频率上，而保持原信号的调制规律不变。混频是一种频谱搬移电路，混频前后，信号的频谱结构并不发生变化。当两个不同频率的正弦电压，同时作用在一个非线性元件上时，就会在它的输出电流中，产生许多组合频率分量，选用合适的滤波器选出所需的频率分量，此时就完成了混频。

在本振电压的正半周，二极管D1与D3导通，D2与D4截止。此时，混频器相当于一个二极管反向型平衡混频器，如图３．１.

在输出变压器T2初级产生的电流为：

在本振电压的负半周，二极管D2与D4导通，D1与D3截止。此时，混频器也相当于一个二极管平衡混频器如图３．２。

这时输出变压器T2初级产生的电流为：

式中，是相应于图2中本振电压极性的开关函数，它的区别仅在于二者在开关时间上相差半个震荡电压周期。

环形混频器输出电流，由以上推导得：

;

式中：

因此：;

令代入上试，可见，输出电流中即有差频，经过检波则可得到我们所需要的中频：。

有计算值与仿真值的比较可得输出波形包含射频信号和本振信号的差频、和频等混频结果，基本完成了设计要求， 仿真值基本满足要求，说明电路各部分均正常工作。美中不足的是仿真结果同理论值仍存在一定的误差，需要进一步改善电路的性能，使电路更加精确和抗干扰能力更强。

并联谐振型晶体振荡器原理与一般反馈式LC振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的震荡回路之中，作为一个感性元件，并与其它回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。

根据这个理论可以构成三种类型的基本电路。本设计中我们使用c-b型并联晶体振荡器，其电路图如下：

A、直流参数的计算

正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡器主电路的静态工作点主要由R1、R2、R4决定。

将电感短路，电容断路，得到其直流通路，如下图所示：

高频振荡器的工作点要合适，若偏低、偏高都会使振荡波形产生严重失真，甚至停振。实际中取=0.5~5mA之间，若取=2mA，，则有：

                           

为提高电路的稳定性，Re值可适当增大，取Re=1，则Rc=2，则有：  若取流过的电流为10，则=10=0.33mA，则取：

            

            

实际电路中，可用10与50电位器串联，Rb2可以取6.2，以便工作点的调整。

B、交流参数的确定

对于振荡器，当电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，输出频率应为2.5MHZ，则由f0=1/2π知C3=30p、C4=30p、C6=30p。与C4并联一30pF可调电容，用于对频率进行调整。为了提高振荡器的工作性能和稳定度，在电路中还应有高频扼流圈，一般取扼流圈L1=100uH。                                            

C、实验结果：

起振过程：

通过设计晶体振荡器电路，使我的动手能力和经验有了一定程度的提高。我更好地了解了石英晶体的结构和特性。 刚拿到设计题目时一头雾水，不知道该怎样去实现设计的要求。于是便拿起教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，对设计有了初步的思路。有了方案还不够，还要去论证其可行性，前四天都是在网上和图书馆中查资料，论证电路的可行性。在这方面我们进行了深刻的探讨，加深了我们对其更好的理解和认识。由于知识水平有限，这次设计存在很多不完善之处，同时也深刻地意识到自己在设计方面能力的欠缺，以往都是只学习原理，对设计方面的知识了解不多，而我们这专业要求最重要的就是实践能力。以后我要多看专业书，多做些实际电路以加强这方面的锻炼。总之，通过这次设计电路，我收获挺大。感谢老师的辛勤教导，以后我会加倍努力。

混频器：

振荡器：