混频器是超外差（超级）接收器架构中射频信号链的关键阶段。 它允许接收器在感兴趣的宽频带上进行调谐，然后将任何所需的接收信号频率转换为已知的固定频率。 这允许有效地处理、过滤和解调感兴趣的信号。 上层结构的结构优雅简洁，但实际性能取决于其组成功能块的性能。
请注意，无处不在的超人是由工程天才 EH Armstrong 少校在 1930 年代开发的，并在很大程度上取代了他之前的接收器设计，即超再生设计（尽管今天仍在专业应用中使用）。 随后，阿姆斯壮还发明了频率调制，至今仍被广泛使用。 其中任何一项都会使阿姆斯壮成为“先驱和发明家”类别，但拥有这三项与无线电相关的发明确实很重要。 有关混音器基础知识的更多信息，请参阅 TechZone 文章“混音器基础知识”。 在基本的超级“单次转换”接收器中，输入载波射频信号由一个或多个低噪声放大器 (LNA) 级放大，然后进入混频器（图 1）。 混频器有两个输入：RF 信号和本地振荡器 (LO)。 LO 与要调谐的所需信号有固定偏移，可以设置为高于或低于载波频率； 在某些设计中存在技术原因，为什么一个优先于另一个。
图 1：基本的超外差架构将 RF 信号与本地振荡器混合，并与放大的 RF 信号保持固定偏移，以生成下变频、固定频率的 IF 信号，然后可以放大和解调基带。
混频器是一个非线性阶段，它组合了两个信号。 这种非线性混合产生两个输出：一个是两个信号频率的总和，另一个是它们的差（非线性混合过程也会产生其他和/谐波，但它们并不有趣且易于过滤）。 有这样一个固定的拍频输出，称为中频（IF），这使得超级设计如此有效。 这是因为无论调谐到何种特定频率，IF 始终处于相同频率。 由于 IF 频率始终相同，因此可以针对单个已知频率的性能优化 IF 级放大器和后续解调器。
接下来，对混频器的 IF 输出进行滤波以消除任何伪影（尽可能多），然后进行下一阶段的进一步放大和解调。 历史上，传统广播 AM 广播使用 455 kHz IF，传统广播 FM 广播使用 10.7 MHz，但其他专业应用使用不同的 IF。
除了基本的单转换超级，还有双转换拓扑。 这用于更高的载波频率，例如 500 MHz 或 1 GHz 以上，通过优化每级可实现的性能来缓解信号过滤问题和噪声问题； 载波通过第一级混频器/LO 将其降低到大约 50-100MHz 的第一个 IF，然后由第二个混频器/LO 进一步下变频到第二个 IF。 这为设计人员提供了更大的整体灵活性，并放宽了对单个组件规格的一些要求。 （甚至有商业用途的三变频接收机。） 图 2：在双变频设计中，基本超级方法扩展了第一个下变频级，用于调谐更高频率； IF 输出等效于固定频率 RF，它与第二级的 LO 混合以产生第二个 IF 输出。
1. 零中频设计
尽管 LO/IF 超精密方法是迄今为止设计得最成功的接收器架构，但它现在正面临另一种方法的竞争：零中频接收器，也称为直接接收器转换接收器 (DCR)，零差接收器或同步接收器（图 3）。 此处，LO 频率设置得非常接近所需信号的 RF 载波频率。 混合输出立即处于基带，不需要 IF 级。
图 3：零中频方法使用非常接近射频信号的 LO，直接下变频到基带，无需中间中频级。
这种方法虽然理论上降低了基本电路的复杂度，但对所有阶段都提出了严格的要求，包括动态范围、稳定性、失真、调谐范围和噪声。 对于一些精心挑选和设计的应用，IC 可以使零中频接收机与具有中频电平的超级接收机相比具有竞争力或优越性。
2. 关键混频器参数
混频器可以是无源的（通常用二极管构建）或使用晶体管增益的有源设备。 混频器作为一个在很宽的射频频段采集信号并下变频到固定中频频率的功能模块，对它有很多要求。 有源和无源混频器各自提供不同的关键参数组合，除非另有说明，否则所有参数均以 dB 为单位：
三阶截取点或输入交叉点（IIP3 或 IP3）与非线性乘积混频器对由三阶非线性乘积项引起的线性放大信号的影响有关。 混频器通带内的两个测试频率用于评估三阶截取点； 通常，这些测试频率相距大约 20 到 30 kHz。 更高的 IP3 值（以 dBm 为单位）表示混频器更好。
转换损耗/增益是 IF 输出功率与 RF 输入功率之比。 对于无源混频器，这始终是损耗（负 dB），通常在 -5 到 -10 dB 之间。 虽然它是衡量混频器效率的指标，但这里的问题不是直流电源的效率，而是混频器看到的相对较低的射频功率电平。
噪声系数 (NF) 非常重要，因为它表征由混频器添加并出现在 IF 输出的噪声。 这是一个问题，因为一旦将带内噪声添加到感兴趣的信号中，几乎不可能消除、破坏信号、使解调更具挑战性并降低误码率 (BER)。 典型的噪声系数介于 0.5 和 3 dB 之间。
隔离度定义了混频器阻止 RF 或 LO 输入信号能量到达 IF 输出的程度，这会破坏和扭曲 IF 并导致解调问题和错误。 它是 RF 或 LO 输入与泄漏 IF 输出之比。
动态范围衡量的是混频器可以处理的最大信号电平与最小信号电平的比值，并且仍然提供符合规格的中频信号。 根据预期的 RF 输入，系统可能需要中等 (50 dB) 或宽动态范围 (100 dB)。
这些只是与顶级混音器相关的性能参数。 其他包括镜像抑制、增益压缩、DC 偏移和 1 dB 压缩点。
3. 广泛的可用混合器
混频器供应商包括具有 RF 专业知识的传统模拟 IC 供应商，以及开发 IC 和分立混频器的以 RF 为中心的供应商。 由于这两个小组从不同的方向看待混频器性能，因此他们在优先级和权衡以及共同方面有不同的关注领域。
IC 供应商 ADI 推出了 ADL5350，这是一款具有集成 LO 缓冲放大器的 GaAs pHEMT 单端无源混频器（图 4）。
图 4：ADL5350 无源混频器包括一个有源 LO 放大器，以简化 LO 信号生成的操作和要求。
这种宽带设备可以处理 750 MHz 到 4 GHz 的频率，专为具有不同调制类型和标准的蜂窝基站而设计。 缓冲器允许用户提供低电平 LO，从而简化设计。 变频损耗为 6.8 dB，噪声系数为 6.5 dB，IP3 为 25 dB。 由于涉及的频率，ADL5350 使用 8 VFDFN 裸露焊盘、芯片级封装。 （它也可以用于上转换的补充过程，但这是另一回事。）
UPC2757TB 针对低功耗进行了优化，而 UPC2758TB 针对低失真进行了优化。 对于每个 IC，转换增益是 LO 频率的函数（图 7）。
图 7：CEL 的 UPC2757 MMIC 的转换增益随 LO 频率变化； 两个主要的家族成员提供了功耗和失真的基本选择。
这只是两个例子。 许多供应商都提供混合器； 该设备可用于各种 RF 和 LO 频率，以及不同的功率水平和性能参数。 设计人员的决策过程首先列出基本频率要求和其他混频器属性所需的值，以及这些因素中可能存在的任何灵活性或权衡。
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