射频电路设计

射频电路设计

龙舌-普通光学显微镜

2023年2月21日发(作者：压力式水位计)

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射频通信电路课程设计报告

射频通信电路课程设计报告

引言

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。

常用的振幅检波电路有包络检波和同步检波两类。输出电压直接反映调幅包络变化规律

的检波电路,称为包络检波电路,它适用于普通调幅波的检波。通常根据信号大小的不同,将检

波器分为小信号平方律检波和大信号峰值包络检波两信号检波。

目前,在应用较广泛的电路仿真软件中,Pspice是应用较多的一种。Pspice能够把仿

真与电路原理图的设计紧密得结合在一起。广泛应用于各种电路分析,可以满足电路动态仿真

的要求。其元件模型的特性与实际元件的特性十分相似,因而它的仿真波形与实验电路的测试

结果相近,对电路设计有重要的指导意义。

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。

[3]

目录

引言(2)

一．概述(3)

二.方案分析(4)

三．单元电路的工作原理(6)

1．LC正弦波振荡器(6)

2．模拟乘法器电路(8)

3．谐振电路(9)

4．包络检波(12)

四．电路性能指标的测试(16)

五．课程设计体

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会..............................................................................

.......................错误！未定义书签。

一．概述

1.1混频器和振荡器的定义

混频器是频谱线性搬移电路，能够将输入的两路信号进行混频。具体原理

框图如图1所示。

振荡器输出一频率为1f=10MHz、幅值0.2V＜mU1＜1V的正弦波信号，此

信号作为混频器的第一路输入信号；高频信号源输出一正弦波信号，

2f=10MHz、幅值mU2=200mV，此信号作为混频器的第二路信号，将这两路信

号作为模拟乘法器的输入进行混频。选频放大电路则对混频后的信号进行选

频、放大，最终输出2MHz的正弦波信号。

图1混频器原理框图

1.2调幅波的解调

调幅波的解调即是从调幅信号中取出调制信号的过程，通常称为检波。调

幅波解调方法有二极管包络检波器、同步检波器。不论哪种振幅调制信号，都

可采用相乘器和低通滤波器组成的同步检波电路进行解调。但是，对于普通调

幅信号来说，它的载波分量被抑制掉，可以直接利用非线性器件实现相乘作用，

得到所需的解调电压，而不必另加同步信号，通常将这种振幅检波器称为包络正弦波

振荡器模拟乘法器选频、放大电路

高频

信号源

检波器。目前应用最广的是二极管包络检波器，而在集成电路中，主要采用三极管射极

包络检波器。同步检波，又称相干检波，主要用来解调双边带和单边带调制信号，它有两种

实现电路。一种由相乘器和低通滤波器组成，另一种直接采用二极管包络检波。

调幅波信号是二极管检波电路的输入，由于二极管只允许单向导电，所以，如果使用的

是硅管，则只有电压高于0.7V的部分可以通过二极管。同时，由于二极管的输出端连接了一

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个电容，这个电容与电阻配合对二极管输出中的高频信号对地短路，使得输出信号基本上就

是AM信号包络线。电容和电阻构成的这种电路功能叫做滤波。

二.方案分析

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stsmscosU(t)Uψ=，则(t)(t)UU(t)Ucsp==

ctcmstsmcosUcosUψψ=ctstcoscosAmψψ

其中：cmsmUUAm=

对上式进行三角函数的变换则有

()tcst1pcoscosAmtUψψ=：

)t]-(cs)tc[cos(Am2

1scψψψψos++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]tAmcos[2

1(t)Usciψψ+=．若选频网络是理想下边带滤波器则输出：

]t-Amcos[2

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1(t)Usciψψ=．工程上对于超外差式接收机而言，如广播电视接收机则有ψc>>

ψS．往往混频器的选频网络为下边带滤波是混频器，则输出为差频信号，

]t-Amcos[2

1(t)Usciψψ=为接收机的中频信号。衡量混频工作性能重要指标跨导。规定混频跨

导的计算公式：混频跨导g：输出中频电流幅度偷入信

号电压幅度。

该电路由LC正弦波振荡器﹑高频信号源﹑模拟乘法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8MHz正弦

波通过模拟乘法器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2MHz的信号，对其进行放大输出，最终输出2MHz

的正弦波信号。混频器电路如图3所示。

图3混频器电路图

三．单元电路的工作原理

1．LC正弦波振荡器

本次设计采用LC电容三点式反馈电路，也叫考毕兹振荡电路。利用电容

将谐振回路的一部分电压反馈到基极上，而且也是将LC谐振回路的三个端点

分别与晶体管三个电极相连，所以这种电路叫电容三点式振荡器。

三点式LC振荡器的相位平衡条件是πφφ2=+Fk，在LC谐振回路，

()cebecbXXX+=，cbX与beX﹑ceX性质相反，当beX﹑ceX为电容，cb

X就是电感；当beX﹑ceX为电感，cbX就是电容。

在LC三点式振荡器电路中,如果要产生正弦波，必须满足振幅平衡条件：

即满足1>?FA。

由相位平衡条件和振幅平衡条件可得：

F

FFRi11+?>β

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选取60=β，故选用2N2222A三极管。2N2222A是NPN型三极管，属于

低噪声放大三极管。本电路的三极管采用分压偏置电路，为了使三极管处于放

大状态，必须满足：电流

()BQBII10~5=

电压

ccBUU?????=31~5

1由此可以确定R1=5.1K，R3=2.2K，R4=2K。

正弦波的输出信号频率f=71MHz，电路连接如图4所示

图4LC正弦波振荡器

R1﹑R2﹑R4组成支流偏置电路，R5是集电极负载电阻，L2﹑CT﹑C﹑C4

构成并联回路，其中R6用来改变回路的Q值，C1﹑C3为耦合电容，L1﹑C6﹑

C5构成了一个去耦电路，用来消除电路之间的相互影响。

根据设计要求，正弦波振荡器输出频率为10MHz，故由此可以大概确定L2

﹑C4﹑CT的数值，再通过仿真进行调试最终确定其参数。电路的谐振频率为()

CTCLf//4221

?=π

6121

7123.140.%MHZ--≈≈?????，静态工作点为1211261.610123

BRVVRRR-=?=?++，基本符合设求。2．模拟乘法器电路

用模拟乘法器实现混频，就是在xU端和yU端分别加上两个不同频率的信号，

相差一中频，再经过带通滤波器取出中频信号，其原理方框图如图6所示：

xUcU0U

gU

图6混频原理框图

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若()ssxwUtUcos=()twUtUy00cos=则

()()()[]twwtwwVKVtwtwVKVtUsssssc-++==00000coscos2

1coscos经带通滤波器后，取差频

()()twwVKVtVss-=000cos21iswww=-0为所需要

的中频频率。

通频带滤波器

图7混频器原理图

3．谐振电路

通常讨论的并联谐振电路如图１所示。图１（ａ）所示Ｒ、Ｌ、Ｃ并联电路谐振时具有

下述特性：

（１）电路的阻抗最大，电流最小。

（２）电感元件的电流与电容元件的电流，大小相等，相位相反，相互抵消，电路总电

流等于电阻元件的电流。

（３）电感元件吸收的感性无功功率等于电容元件吸收的容性无功功率，两者相互补偿，

电路的总无功功率等于零。

以上关于图１（ａ）所示Ｒ、L、Ｃ并联谐振电路特性的描述是正确的，毫无疑义的。

图１（ｂ）所示电路谐振时是否也具有上述特

性？一些人认为（一些教材中这样叙述）图１（ｂ）所示电路谐振时具有和图１（ａ）

所示电路完全相同的特性。笔者认为，图１（ｂ）所示电路谐振时具有上述特性（３），这

是毫无疑义的特性（２）稍作修改也是成立的，即改为：谐振时电感元件所在支路的无功分

量电流与电容元件的电流，大小相等，相位相反，相互抵消，电路总电流等于电感元件所在

支路的有功分量电流。至于是否具有特性（１），即谐振时电路阻抗是否最大，电流是否最

小，这一问题是需要深入讨论的。下面我们对调节电容Ｃ、电感L和电源

角频率∞三种情况分别进行分析。

１．调节电容Ｃ

图１（ｂ）所示电路的输入复导纳（可简称为电路的导纳）为

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由谐振的定义可知，谐振条件为

由上式可求得谐振时的电容为

调节电容使电路达到谐振时电路的导纳为

在电阻Ｒ、电感Ｌ和电源角频率保持不变的情况下，电路的导纳随电容ｃ变

化而变化为判断谐振时电路的导纳Y0是否为最小值，我们先求出导纳模|Ｙ

0|的最小值。

因为

所以

令

||

0dYdC，即

解上述方程，求得函数|Y|=f(C)的驻点，即

图2谐振电路

输出时域图：

输出频域图：

另一种仿真图

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频域图：

4.包络检波

1．1包络检波原理

从高频调幅波中取出调制信号,可以直接利用非线性器件实现相乘作用,得到所需的解调

电压。目前,几乎所有的AM接收机都采用二极管包络检波电路,经典的电路形式如图1所示。

这是一个串联型包络检波器的电路,它是一个二极管和RC低通滤波器串联而成。

其工作原理:当载波正半周时,二极管导通,给电容器充电,由于充电时间常数小,很快充

电到输入信号的峰值。当输入信号下降时,电容器上的电压大于输入信号电压,二极管反向截

至。电容器通过电阻R进行缓慢放电,当下一个正半周到达时,从输入信号电压大于电容器上

的电压时,开始二极管重新导通再一次对电容充电,直到新周期的峰值为正。

1.2电路选择

设计的任务要求特别是在包络下降时:

a)输出信号紧跟输入信号的包络变化,检波时延较小;

b)检波后的波形纹波足够小,,不能有过大纹波;择的重要一点是在包络下降

过程中,不能出现如图(b)所示的过大波动,这一特性对高低温状况下恶化留有一定的余

量,选择如图(a)的Opt最优曲线。

图a经典二极管放大检波电路

图b经典二极管放大检波改进电路在pspice仿真环境下的仿真图：

仿真结果：

四．电路性能指标的测试

根据设计方案，应用计算机pspice软件进行了模拟仿真。观察LC正弦

波振荡器的输出，输出波形如图9所示。

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图9LC正弦波振荡器输出波形

观察混频器输出信号，波形如图10所示。

图10混频后的信号波形图

LC正弦波振荡器的输出频率应为()CTCLf//4221?=π61217123.140.%

MHZ--≈≈?????，静态工作点1211261.610123BRVVRRR-=?

=?++；选频﹑放大电路输出频率应为()

32221

LLCf+?=π

()MHz99.11043.21.321

6612≈?+????≈---

，静态工作点VRRRVB51.32

.6152.61221212=+?=+?=。通过仿真测试可得LC正弦波振荡器的输出频率为10.1MHz，

静态工作

点mvVB3.983=；选

频﹑放大电路输出频率为1.99MHz，静态工作点mvVB47.3=。

结论: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。

五．课程设计体会

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本次课程设计的题目是混频器的设计，主要应用了通信电子线路中

三方面内容，分别是电容三点式振荡电路、模拟乘法器和选频放大电路。通过查找资料，

结合书本中所学的知识，完成了课程设计的内容。把书

中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识

的理解，并加强了我们的动手能力。

在这次的课程设计过程中，我懂得了很多，课程设计不光是让我们

去“设计”，更重要的是培养我们的能力！通过本次课程设计使我对通

信电子线路又有了进一步的了解，增加了对所学知识的应用。

本次课程设计教会我查阅书籍的重要性，通过翻阅书籍我找到了

与我课设题目有关的内容顺利进行了课程设计，我希望通过更多这样

有价值的课设来充实自己。