高频课程设计晶体管混频器.docx
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高频课程设计晶体管混频器
通信电子线路课程设计说明书
三极管混频器
学院：
电气与信息工程学院
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学号：
***********
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专业：
通信工程
班级：
1103班
完成时间：
2013.12.18
摘要
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。
本次课程设计采用三级管混频器具有电路简单，变频增益高的特点，采用9014三极管，接受LC高频信号和本振信号对两信号进行取差频，使用滑动变阻器改变静态工作点，使其工作在非线性工作区域，使用中周进行选频。
由于晶体管的非线性特性，两个信号混合后会产生fL+fC、fL－fC频率的信号，然后通过中频滤波网络，得出所需要的中频信号。
关键词：
混频器三极管选频
Abstract
Kindsofinformationisveryimportanttohumanlife,sopeoplearealwayslookingforfastwaytocommunicateoverdistance,totransferortoexchangeinformation.Modernlongdistancecommunicationtechnologywasinventedinmidof18thcenturythankstotheinventionofradiotechnology.Sincethen,thistechnologywaswelldevelopedandmanynewmethodscameout.FromMorsecodetosatellite,moderncommunicationisplayingmoreandmoreimportantrole.Asakeypartofradiotechnology–mixing,e.g.transistormixer,diodemixerandFETmixer,etc.arebroadlyusedindifferentsystem，toshiftfrequency.
Thecurriculumdesignusingthreetubemixerhasasimplecircuit,highfrequencygaincharacteristics,uses9014transistors,high-frequencysignalsandtheacceptanceofLCoscillatorsignalfortwototakethedifferencefrequencysignal,usingaslidingrheostattochangethequiescentoperatingpoint,toworkinthenonlinearoperatingregion,theuseoffrequency-selectiveweeks.Sincethenonlinearcharacteristicofthetransistor,themixingoftwosignalsproducesfL+fC,thefrequencysignalfL-fC,thefrequencyfilterandthenthroughthenetwork,therequiredintermediatefrequencysignalobtained.
Keyword:
mixer;Transistor;frequency;
一设计要求及指标
1.1设计目标
设计一个三极管混频器。
1.2设计要求和技术指标
设计一个三极管混频器，要求中心频率为10MHz,本振频率为16.455MHz，混频输出为6.465MHz的正弦波。
1.3混频电路的基本原理
混频电路是一种频率变换电路，是时变参量线性电路的一种典型应用。
如一个振幅较大的振荡电压（使器件跨导随此频率的电压作周期变化）与幅度较小的外来信号同时加到作为时变参量线性电路的器件上，则输出端可取得此二性号的差频或和频，完成变频作用。
他的功能是将已调波好的载波频率变换成固定的中频载频率。
而保持其调制规律不变，也就是说它是一个线性频率谱搬电路，对于调幅波、调频波或调相波通过变频电路后仍然是调幅波，调频波或调相波。
只是其载波频率变化了，其调制规律是不变的。
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。
图1.3混频原理框图
二三极管混频器的仿真分析
2.1仿真分析
2.1.1混频电路分析
对于混频电路的分析，重点应掌握，一是混频电路的基本组成模型及主要技术特点，二是混频电路的基本原理及混频跨导的计算方法，三是应用电路分析。
混频电路的基本组成模型及主要技术特点：
混频，工程上也称变频，是将信号的频率由一个数值变成另一个数值的过程，实质上也是频谱线性搬移过程，完成这种功能的电路就称为混频电路或变频电路。
混频电路的组成模型及频谱分析：
图a是混频电路的组成模型，可以看出是由三部分基本单元电路组成。
分别是相乘电路、本级振荡电路和带通滤波器（也称选频网络）。
当为接收机混频电路时，其中Us（t）是已调高频信号。
Ul（t）是等幅的余弦型信号，而输出则是Ui（t）为中频信号。
混频电路的基本原理：
^图2中，Us（t）为输入信号，Uc（t）为本振信号。
Ui（t）输出信号。
分析：
当
………………………………2.1.1.1
则
=
=
……………………………………2.1.1.2
其中：
对上式进行三角函数的变换则有
：
……2.1.1.3
从上式可推出，Up（t）含有两个频率分量和为（ψc+ψS），差为（ψC-ψS）。
若选频网络是理想
上边带滤波器则输出为
．…………………………………2.1.1.4
若选频网络是理想下边带滤波器则输出：
．…………………………………2.1.1.5
以下是调幅波频率形图和混频前后的频谱原理图：
图2.1.1调幅波变频波
2.1.2总体方案介绍
高频电路中的混频器利用电路中的非线性，可以对两个输入信号进行频率加或减，产生和频信号或差频信号。
本实验采用晶体三极管作混频电路,产生差频信号，将高频信号转化成低频信号。
采用共射混频电路。
信号电压由基极输入，本振电压由发射极注入。
采用此电路，相互干扰产生牵引现象的可能性小。
同时，对于本振电压来说是共基电路，其输入阻抗小，使本振负重较重，虽不易起振但也不易过激，因此振荡波形好，失真小。
三极管混频电路原理图如下图2.1.2所示。
其中，晶体管起信号的混频作用，两个输入信号分别为和；电容Cin1、Cin2、Cout为信号输入和输出的耦合电容，起到隔直流的作用，使前后级的直流电位不相互影响，保证各级工作的稳定性；电容Ce对高频交流信号相当于短路，消除偏置电阻Re对高频信号的负反馈作用，提高高频信号的增益；电阻元件Rb1、Rb2、Re决定晶体管的工作点；电路中的电感L和电容C组成的谐振电路起选频作用，在产生的组合频率中选择所需要的中频输出信号。
图2.1.2晶体管混频器实验原理电路图
2.1.3工作原理说明
晶体三极管混频器的原理性电路如图2.1.2所示，在发射结上作用有三个电压，即直流偏置电压VBB信号电压us和本振电压uL。
为了减小非线性器件产生的不需要分量，一般情况下，选用本振电压振幅ULm>>Usm，也就是本振电压为大信号，而输入信号电压为小信号。
在一个大信号uL和一个小信号us同时作用于非线性器件时，晶体管可近似看成小信号的工作点随大信号变化而变化的线性元件，如图2.1.3（b）所示。
t1时刻，在偏压VBB和本振电压uL的共同作用下，它的工作点在A点，此时us较小。
因此，对us而言，晶体管可以被近似看成工作于线性状态。
在另一时刻t2，对于us而言，由于偏压和本振电压的作用，工作点移到B点，这时对us仍可看成工作于线性状态。
虽然两个时刻均工作于线性状态，但工作点不同，这两个时刻的线性参数就不一样。
因为us的工作点随uL的变化而变化，所以线性参量也就随着uL变化而变化，可见线性参量是随时间变化的，这种随时间变化的参量称为时变参量。
这样的电路称为线性时变电路。
应当注意，虽然这种线性时变电路是由非线性器件组成。
但对于小信号us来说，它工作于线性状态，因此，当有多个小信号同时作用于此种电路的输入端时，可以应用叠加原理。
图2.1.3（a）晶体三极管混频器的等效原理图
图2.1.3（b）一个大信号和一个小信号同时作用于非线性原件
晶体三极管混频器的等效原理图如图2.1.3（a）所示。
在晶体三极管的发射极上作用有三个电压，即直流偏置电压Vbb，信号电压Us和本振电压Ul，通常本振电压振幅Ul>>Us，也就是本振信号为大信号，而输入信号为小信号，在大信号Ul和小信号Us同时作用于非线性器件时，Vbb+Ul可认为是时变偏置电压，它决定了混频器的工作点。
而对于小信号Us来说是工作在时变状态下的线性工作方式。
混频器的集电极电流iC可以表示为
。
因为Us很小，在Us的变化范围内，正向传输时线性的，
在Vbb+Ul上对Us泰勒展开为：
（忽略高阶影响）。
设本振电压
，在没有信号输入的情况下，
式中Io，Icm1，Icm2，g0，g1，g2分别是只加本振电压时，集电极时变电流中的直流分量，基波分量，二次谐波分量的幅值以及时变跨导中的平均分量，基波分量，二次谐波分量的幅值。
若输入信号电压
，可得
=
+
=
…………2.1.3.1
若带通滤波器的中心频率取差频
，则通过带通滤波器输出的中频电流为
……………………………………2.1.3.2
该电路由LC正弦波振荡器﹑高频信号源﹑三极管混频器以及选频放大电路组成。
LC正弦波振荡器产生的10MHz正弦波与高频信号源所产生的16.455MHz正弦波通过三极管进行混频后产生双边带调幅信号，然后通过选频放大器选出有用的频率分量，即频率6.455MHz的信号，对其进行放大输出，最终输出6.455MHz的正弦波信号。
三极管混频器仿真电路见附录一
该电路主要由Q1和6.5MHz选频回路组成。
混频信号V1，V2分别由基极和发射级输入。
通过改变电阻R2的值来改变混频器晶体工作点，使其工作在合适的非线性区域，同时也可以用来调节混频增益。
图2.1.4晶体管工作点调节电路
不合适的工作点将导致输出信号不稳定，甚至不能工作。
图2.1.4选频回路
在高频放大器或振荡器中，由于某种原因，会产生不需要的震荡信号，这种震荡称为寄生震荡。
介绍小信号放大器稳定性时所说的自激，即属于寄生震荡，为了电源去耦，消除由公共电源引起的多级寄生震荡，在设计电路时加入了C6,C8，L3。
而在信号源连接处加一电容为了滤波用，如C1，C2。
R2，R3用来确定静态工作点，通过改变电阻R2的数值来改变混频器晶体工作点，使其工作在合适的非线性区域，同时也可以用来调节混频增益。
选频电路的取值：
倒退可得：
则得L=3uH,C=200pF。
2.2仿真结果
三仿真结果分析、干扰及解决办法、设计总结
3.1仿真结果分析
综上各图，输入信号频率fs=10MHz,本振频率f0=16.455MHz，其选频回路选出差频的中频信号fi=6.455MHz。
当选频回路的参数不合适时，输出信号会被严重衰减和失真。
3.2干扰及解决办法
混频器的各种非线性干扰是很重要的问题，并且在讨论各种混频器时，把非线性产物的多少，作为衡量混频器质量的标准之一非线性干扰中很重要的一类就是组合频率干扰和副道波干扰。
这类干扰是混频器特有的。
还有一些其他的干扰，比如交调互调，阻塞干扰等。
干扰的解决办法：
1、选择合适的中频。
如果将中频选在接收信号频段之外,可以避免中频干扰和最强的干扰哨声
2、提高混频电路之前选频网络的选择性,减少进入混频电路的外来干扰,这样可减小交调干扰和互调干扰。
对于镜频可采用陷波电路将它滤掉。
3.3设计总结
有计算值与仿真值的比较可得,本设计基本完成了设计要求，并且由示波器可观察到相应的波形，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。
参考文献
［1］《电子线路》（线性部分）第四版谢嘉奎主编，高等教育出版社，1999年
［2］《电子技术基础》（模拟部分）康华光编著，高等教育出版社，1999年
［3］《高频电子线路原理与实践》曹才开主编，中南大学出版社，2010年
［4］《数字电子技术》第四版阎石主编，高等教育出版社，2009年
［5］《电子线路设计与实验测试》第二版谢自美主编，华中科技大学，2010年
［6］《电子技术基础模拟部分》第五版康华光主编，华中科技大学出版社，2005.7
［7］《电路分析基础》第四版曹才开主编，北京：
清华大学出版社，2009
致谢
高频课程设计在老师指导下，终于能划上句号，首先要感谢谢我的指导老师张松华老师，她不仅在学术上予以指导，并且给予我极大的鼓励和支持，使我能一直有坚定的信心和饱满的热情来完成我的设计。
在设计过程中遇到很多问题张松华老师总是引导我去寻找引发问题的的原因并提出解决的方法。
期间遇到了很多的困难，失败了很多次，但是成功的喜悦会冲淡失败对的伤害，而且在其中，我也学会了很多知识，不仅是混频器及相关的知识，还有WORD以及仿真软件的使用，还有焊接，使我的知识面扩大了很多。
通过本次课程设计，使我的高频理论知识更上一层楼，使我坚信：
付出总会有收获的。
张老师的学术水平与耐心关怀，使我获益良多。
再次感谢张松华老师。
附录一：
三极管混频器仿真电路：
PCB图
实物图
元器件清单
器件名称
型号
数量
电容
10nF
4
电容
33pF
1
电容
1nF
1
电容
10pF
1
电解电容
10uF
2
电感
470uH
2
电感
100uH
1
电阻
8K2
1
电阻
2K4
1
滑动变阻器
10K
1
三极管
9014
1
中周
6.5M
1
排针
1
直流稳压电源
12V
1
升级会员 