射频通信
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2023年3月20日发(作者：企业文化的概念)[3]
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。
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．课程设计体会...................................................错误！未定义书签。
参考文献...........................................................错误！未定义书签。
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
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f
1
=10MHz、幅值0.2V 1m <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f2=10MHz、幅值U2m=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 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。 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Us(t)Usmcosst，则Up(t)Us(t)Uc(t)= UsmcosstUcmcosct=Amcosstcosct 其中：AmUsmUcm 对上式进行三角函数的变换则有 Upt1Amcosstcosct： 1 2 Am[cos(cs)tcos(c-s)t] 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Ui(t)1 2 Amcos[cs]t． 若选频网络是理想下边带滤波器则输出： Ui(t)1 2 Amcos[c-s]t． 工程上对于超外差式接收机而言，如广播电视接收机则有 器的选频网络为下边带滤波是混频器，则输出为差频信 号， Ui(t)1 2 Amcos[c-s]t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 ψc>>ψS．往往混频 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kF2，在LC谐振回路， XcbXbeXce，Xcb与Xbe﹑Xce性质相反，当Xbe﹑Xce为电容，Xcb 就是电感；当Xbe﹑Xce为电感，Xcb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AF1。 由相位平衡条件和振幅平衡条件可得： Ri11 FFF 选取60，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， 大状态，必须满足：电流 电压 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﹑ 为了使三极管处于放 IB5~10I BQ UB 1 5~1 3U cc 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 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 f 1 2L2C4//CT 1 71MHZ， 23.140.7% 61.61012V，基本符合设求。 R1R2R3 2．模拟乘法器电路 用模拟乘法器实现混频，就是在Ux端和Uy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： 图6混频原理框图 静态工作点为V B 12 UxUc通频带滤波器 U0 若UxtUscoswsUytU0cosw0t 1UctKVsV0coswstcosw0tKVsV0cosw0 wstcosw0wst 经带通滤波器后，取差频 1 V0tKVsV0cosw0wst 2 w0wswi为所需要 的中频频率。 Ug 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 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|Ｙ0| 的最小值。 因为 图2谐振电路 输出时域图： d|Y| dC 0，即 解上述方程，求得函数|Y|=f(C)的驻点，即 输出频域 图： 另一种仿真 图 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 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 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 11 71MHZ 2L2C4//CT23.140.%2 1 2C2L2L3 ，静 态工作点VB1212 61.61012V R1R2R3 选频﹑放大电路输出频率应 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。 23.1451.43106 R26.2 ，静态工作点VB12123.51V。 BR1R2156.2 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VB983.3mv；选 频﹑放大电路输出频率为1.99MHz，静态工作点VB3.47mv。 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 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 1.99MHz 的课设来充实自己。 参考文献 [1]宋树祥，周冬梅.高频电子线路.[M]北京大学出版社，2007年2 月 [2]陈邦媛.射频通信电子线路学习指导.[M]科学出版社，2007年6 月 [3]吴慎山.高频电子线路.[M]电子工业出版社，2007年1月 [4]谢沅清.通信电子线路.[M]电子工业出版社，2007年7月 [5]曾兴雯.高频电子线路.[M]高等教育出版社，2004年1月 [6]杨翠娥.高频实验与课程设计.[M]哈尔滨工程大学出版社，2005年 1月 [7]于洪珍.通信电子线路.[M]清华大学出版社，2006年1月 [8]陈利永.电子电路基础.[M]中国铁道出版社，2006年7月 [9]周选昌.高频电子线路.[M]浙江大学出版社，2006年7月 １]邱关源．电路４版）[Ｍ]．北京：高等教育出版社，１９９９． 第３版）[Ｍ]．北京：高等教育出版社，１９９２． [３]张永瑞．电路分析基础（第３版）[Ｍ]．西安：西安电子科技大学出版社２０ ０６ ２]江泽佳．电路原理