基本介紹
- 中文名：晶體混頻器
- 外文名：Diode mixer
- 別稱：二級管混頻器
- 套用領域：頻率變換等
晶體混頻器的結構,晶體混頻器工作原理,晶體混頻器的變頻損耗,噪聲係數,
晶體混頻器的結構
在厘米波波段的超外差式接收機中，多半是用晶體混頻器，在這類混頻器中，用結晶半導體與有彈性的金屬系間的接觸偶作為非直線性元件。其中以套用矽及鎢金屬系的尖端所構成的接觸偶最為普遍。
晶體混頻器的接觸偶通常置於一特別的套筒中。典型的套筒如下圖所示。每一套筒都是由蓋1、陶製的圓筒2、鎢制的彈簧3、填以絕緣物的孔眼4、矽制的晶體5等所組成。有螺紋的軸6是在裝配時調整用的。通過套筒的孔眼在套筒中填以絕緣物是為增加機械強度及防止晶體受潮。
典型的晶體混頻器套筒下圖是晶體混頻器對直流的特性曲線。橫坐標軸表示電壓，縱坐標軸表示流經接觸偶的電流。由特性曲線可以看出，外加電壓的極性不同時，接觸偶的電導是不同的。加正電壓時的電導遠大於加負電壓時的電導。
晶體混頻器對直流的特性曲線晶體混頻器工作原理
為了說明混頻器的工作原理，首先討論混頻器輸入端的電壓波形，如下圖所示。本振電壓和信號電壓同時串聯加在混頻器的輸入端，輸入電壓是這兩個電壓之和。從本振來的是等幅正弦電壓，畫在下圖中。從天線來的高頻脈衝用同樣的時間標尺畫在它的旁邊。由於本振電壓較大，是十分之幾伏，而信號電壓很小，在微伏量級。在圖中把信號電壓畫得擴大了很多倍。在圖中還畫出了在混頻器輸入端的本振電壓和信號電壓之和。這是把兩個電壓對應點相加起來所得到的結果。如下圖所示。如果信號的頻率比本振頻率稍微高一點（稍微低一點也是一樣的道理），那么在信號 電壓與本振電壓同相位時，它們加起來的結果會使合成電壓緩慢的同時又是連續的增大。就是說，在兩個電壓同相位時，合成電壓的振幅就擴張。同樣道理，在兩個電壓反相位時，合成電壓的振幅就逐漸壓縮。合成波擴張和壓縮的結果，使得信號在本振電壓之上以另一個頻率重複變化。當信號電壓比本振電壓小很多倍的時候，合成波包絡線的振幅接近於正弦波。
圖1：輸入端電壓波形現舉例說明。例如，信號電壓在1μs時間，通過1030個振盪周期（信號頻率是1030MC），而本振電壓在這1μs時間內通過1000個振盪周期（本振頻率是1000MC），結果就使合成波的包絡線在1μs時問隔內變化30個周期。因為，信號電壓只有在向前行進大約30個振盪周期時，才會和本振電壓同相位一次。在信號
頻率比本振頻率稍微低一點時，根據同樣道理，也可以得到相同結論。因此，合成波的包絡線按本振頻率與信號頻率之差的差頻變化，而且這個差頻就是中頻。
混頻晶體二極體是單方嚮導電，在一個方向上傳導的電流比在另向一方向上大得多。在本振電壓的作用下，晶體電流有：直流分量、本振頻率的基波分量，以及本振頻率整數倍的諧波分量。當信號脈衝加進來時，就出現了附加的頻率分量。實際上，因為晶體電流的變化值增加或減少，取決於輸入合成電壓的差頻分量，晶體電流也就出現本振電壓和信號電壓的差頻分量。適當地調整本振頻率以後，就可以使差頻等於接收機的中頻。因此，由混頻器產生晶體電流的中頻分量。
晶體電流的中頻分量通過中頻放大器的輸入迴路，就產生中頻電壓。因為中放輸入迴路調諧在中頻，所以只有中頻分量才能產生相當大的電壓降，而且輸出電壓是中頻脈衝。它的包絡線和輸入的高頻脈衝一樣。
當然，在混頻器的負載上除了中頻分量以外，還有其他頻率分量，不過由於中放輸入迴路是諧振迴路，在其他頻率上阻抗很小，所以這些其他頻率分量的電壓很小，可以忽略不計。在只有本振電壓加到混頻晶體上時，實際上沒有中頻電壓輸出。雖然混頻晶體在本振的每半個周期上繼續導通，有電流流過。只有在信號電壓與本振電壓同時出現的時候，兩個正弦波合成結果，才會出現差拍，混頻晶體電流才產生中頻分量，才有中頻電壓輸出。
晶體混頻器的變頻損耗
通常用混頻器的“變頻損耗”來衡量混頻器把高頻信號功率變成中頻功率的能力。顧名思義，變頻損耗就是從天線來的高頻信號功率與混頻器輸出的中頻功率之比。變頻損耗的倒數就是混頻器的功率增益。對於理想的混頻元件而言，它是一個無損耗的開關，輸出中頻功率等於輸入高頻功率，並且在混頻器上其他高頻諧波都沒有損失，把混頻器調諧得和中放輸入電路匹配，調諧得和射頻輸入端匹配，在這些條件下，變頻損耗就等於1。在實際的混頻器中，變頻損耗至少是6db。也就是說，在典型狀態下，輸出的中頻功率只有輸入的高頻功率的四分之一。即使在把中放輸入電路調諧得完全匹配，諧波頻率的功率損耗很小到可以忽略不計時，仍然有這么大的變頻損耗。因為混頻晶體不是理想的開關元件，它具有一定的內阻，還有PN結電容。變頻損耗就是表達了信號功率在這些內阻和PN結電容上的損失。特別是由於PN結電容較大，在結電容中通過很大部分高頻電流時，它對混頻晶體起旁路作用，使得通過內阻中的電流就小，混頻晶體的非線性作用就不明顯，從而使變頻損耗更大。比如說，把一個10cm波段的混頻晶體，用在3cm波段中，那變頻損耗就很大了。變頻損耗和所使用的晶體質量有很大關係。
同時，變頻損耗還與本振功率有關。在本振電壓足夠大的情況下，在混頻晶體伏安曲線陡峭部分工作時，所得到的中頻輸出電流最大。也就是說，在同樣信號功率時，工作點處在伏安特性曲線的斜率越大的區域，有效的中頻輸出功率也就越大，變頻損耗越小。在混頻晶體電流越大時，伏安特性曲線上的斜率就越陡。所以，晶體電流越大，變頻損耗越小，如下圖所示。從圖中可以看出，當晶體電流在0.5mA以後，變頻損耗幾乎沒有變化。而且在0.2mA~0.5mAa區間內，變頻損耗變化也比較緩慢。這是因為在晶體電流超過0.5mA以後，伏安特性曲線幾乎是直線，斜率沒有變化。
圖2：變頻損耗、噪聲係數與晶體電流的關係
圖2：變頻損耗、噪聲係數與晶體電流的關係噪聲係數
混頻晶體內載流子不規則運動也會產生噪聲。這種噪聲性能用噪聲係數表示。電晶體的噪聲係數與工作效率有關。當工作頻率高於某一數值
（截止頻率）時，工作頻率越高，噪聲係數越大。而在工作頻率低於這一頻率時，噪聲係數幾乎與工作頻率無關。這是因為，隨著工作頻率升高時，PN結電容所起的作用越大，從而使噪聲增加，而且變頻損耗升高，也就是功率增益下降。噪聲係數與工作頻率的關係如下圖3所示。
圖3：噪聲係數與工作頻率的關係當工作頻率
時，噪聲係數F基本不變。此時，熱噪聲和散彈噪聲起作用，它們是與工作頻率無關的。而晶體電流越大，散彈噪聲就越大，從而使噪聲係數增大。噪聲係數與晶體電流的關係如變頻損耗、噪聲係數與晶體電流的關係圖所示。
從圖2的兩條曲線，就可以確定出加到混頻晶體上本振電壓振幅。本振電壓振幅可以由混頻晶體電流來測量，這是混頻晶體把本振電壓整流而產生的電流。在雷達接收機中，有專門的插孔來測試這個電流。從圖2的曲線可以看出，晶體電流越大，噪聲係數越大。只從噪聲角度來考慮，希望本振電壓振幅小一些。但是，在本振電壓振幅太小時，晶體電流小，變頻損耗就大，輸出的有用信號小。綜合考慮的結果，一般使晶體電流0.5mA左右。
在實際的混頻器上，在本振波導與信號波導之間有衰減器。調節衰減器的衰減量，可以改變加到混頻晶體上的本振電壓。同時調節混頻晶體後面的活塞，使混頻晶體與信號波導匹配，此時混頻晶體電流最大。選擇衰減器的適當位’置，使晶體電流在0.15mA~0.5mA範圍內。
