混頻器是超外差（超級）接收器架構中射頻信號鏈的關鍵階段。 它允許接收器在感興趣的寬頻帶上進行調諧，然後將任何所需的接收信號頻率轉換為已知的固定頻率。 這允許有效地處理、過濾和解調感興趣的信號。 上層結構的結構優雅簡潔，但實際性能取決於其組成功能塊的性能。
請注意，無處不在的超人是由工程天才 EH Armstrong 少校在 1930 年代開發的，並在很大程度上取代了他之前的接收器設計，即超再生設計（儘管今天仍在專業應用中使用）。 隨後，阿姆斯壯還發明了頻率調製，至今仍被廣泛使用。 其中任何一項都會使阿姆斯壯成為“先驅和發明家”類別，但擁有這三項與無線電相關的發明確實很重要。 有關混音器基礎知識的更多信息，請參閱 TechZone 文章“混音器基礎知識”。 在基本的超級“單次轉換”接收器中，輸入載波射頻信號由一個或多個低噪聲放大器 (LNA) 級放大，然後進入混頻器（圖 1）。 混頻器有兩個輸入：RF 信號和本地振盪器 (LO)。 LO 與要調諧的所需信號有固定偏移，可以設置為高於或低於載波頻率； 在某些設計中存在技術原因，為什麼一個優先於另一個。
圖 1：基本的超外差架構將 RF 信號與本地振盪器混合，並與放大的 RF 信號保持固定偏移，以進行調諧以生成下變頻、固定頻率的 IF 信號，然後可以將其放大和解調到基帶。
混頻器是一個非線性階段，它組合了兩個信號。 這種非線性混合產生兩個輸出：一個是兩個信號頻率的總和，另一個是它們的差（非線性混合過程也會產生其他和/諧波，但它們並不有趣且易於過濾）。 有這樣一個固定的拍頻輸出，稱為中頻（IF），這使得超級設計如此有效。 這是因為無論調諧到何種特定頻率，IF 始終處於相同頻率。 由於 IF 頻率始終相同，因此可以針對單個已知頻率的性能優化 IF 級放大器和後續解調器。
接下來，對混頻器的 IF 輸出進行濾波以消除任何偽影（盡可能多），然後進行下一階段的進一步放大和解調。 歷史上，傳統廣播 AM 廣播使用 455 kHz IF，傳統廣播 FM 廣播使用 10.7 MHz，但其他專業應用使用不同的 IF。
除了基本的單轉換超級，還有雙轉換拓撲。 這用於更高的載波頻率，例如 500 MHz 或 1 GHz 以上，通過優化每級可實現的性能來緩解信號過濾問題和噪聲問題； 載波通過第一級混頻器/LO 將其降低到大約 50-100MHz 的第一個 IF，然後由第二個混頻器/LO 進一步下變頻到第二個 IF。 這為設計人員提供了更大的整體靈活性，並放寬了對單個組件規格的一些要求。 （甚至還有商業用途的三變頻接收機。） 圖 2：在雙變頻設計中，基本超級方法擴展了第一個下變頻級，用於調諧更高頻率； IF 輸出等效於固定頻率 RF，它與第二級的 LO 混合以產生第二個 IF 輸出。
1. 零中頻設計
儘管 LO/IF 超精密方法是迄今為止設計得最成功的接收器架構，但它現在正面臨另一種方法的競爭：零中頻接收器，也稱為直接接收器轉換接收器 (DCR)，零差接收器或同步接收器（圖 3）。 此處，LO 頻率設置得非常接近所需信號的 RF 載波頻率。 混合輸出立即處於基帶，不需要 IF 級。
圖 3：零中頻方法使用非常接近射頻信號的 LO，並直接下變頻到基帶，而無需中間中頻級。
這種方法雖然理論上降低了基本電路的複雜度，但對所有階段都提出了嚴格的要求，包括動態範圍、穩定性、失真、調諧範圍和噪聲。 對於一些精心挑选和設計的應用，IC 可以使零中頻接收機與具有中頻電平的超級接收機相比具有競爭力或優越性。
2. 關鍵混頻器參數
混頻器可以是無源的（通常用二極管構建）或使用晶體管增益的有源設備。 混頻器作為一個在很寬的射頻頻段採集信號並下變頻到固定中頻頻率的功能模塊，對它有很多要求。 有源和無源混頻器各自提供不同的關鍵參數組合，除非另有說明，否則所有參數均以 dB 為單位：
三階截取點或輸入交叉點（IIP3 或 IP3）與非線性乘積混頻器對由三階非線性乘積項引起的線性放大信號的影響有關。 混頻器通帶內的兩個測試頻率用於評估三階截取點； 通常，這些測試頻率相距大約 20 到 30 kHz。 IP3 值（以 dBm 為單位）越高表示混頻器越好。
變頻損耗/增益是中頻輸出功率與射頻輸入功率之比。 對於無源混頻器，這始終是損耗（負 dB），通常在 -5 到 -10 dB 之間。 雖然它是衡量混頻器效率的指標，但這裡的問題不是直流電源的效率，而是混頻器看到的相對較低的射頻功率電平。
噪聲係數 (NF) 非常重要，因為它表徵由混頻器添加並出現在 IF 輸出的噪聲。 這是一個問題，因為一旦將帶內噪聲添加到感興趣的信號中，幾乎不可能消除、破壞信號、使解調更具挑戰性並降低誤碼率 (BER)。 典型的噪聲係數介於 0.5 和 3 dB 之間。
隔離度定義了混頻器阻止 RF 或 LO 輸入信號能量到達 IF 輸出的程度，這會破壞和扭曲 IF 並導致解調問題和錯誤。 它是 RF 或 LO 輸入與洩漏 IF 輸出之比。
動態範圍衡量的是混頻器可以處理的最大信號電平與最小信號電平的比值，並且仍然提供符合規格的中頻信號。 根據預期的 RF 輸入，系統可能需要中等 (50 dB) 或寬動態範圍 (100 dB)。
這些只是與頂級混音器相關的性能參數。 其他包括鏡像抑制、增益壓縮、DC 偏移和 1 dB 壓縮點。
3. 廣泛的可用混合器
混頻器供應商包括具有 RF 專業知識的傳統模擬 IC 供應商，以及開發 IC 和分立混頻器的以 RF 為中心的供應商。 由於這兩個小組從不同的方向看待混頻器性能，因此他們在優先級和權衡以及共同方面有不同的關注領域。
IC 供應商 ADI 推出了 ADL5350，這是一款具有集成 LO 緩衝放大器的 GaAs pHEMT 單端無源混頻器（圖 4）。
圖 4：ADL5350 無源混頻器包括一個有源 LO 放大器，以簡化 LO 信號生成的操作和要求。
這種寬帶設備可以處理 750 MHz 到 4 GHz 的頻率，專為具有不同調製類型和標準的蜂窩基站而設計。 緩衝器允許用戶提供低電平 LO，從而簡化設計。 變頻損耗為 6.8 dB，噪聲係數為 6.5 dB，IP3 為 25 dB。 由於涉及的頻率，ADL5350 使用 8 VFDFN 裸露焊盤、芯片級封裝。 （它也可以用於上轉換的補充過程，但這是另一回事。）
CEL（原加州東部實驗室）為 2757 至 0.1 GHz 的射頻輸入和 2.0 至 20 MHz 的中頻提供 UPC300 矽芯片 MMIC（單片微波 IC）（圖 6）。
圖 6：CEL 的 UPC2757 系列包括用於 0.1 至 2.0 GHz 射頻輸入的基本有源混頻器。
UPC2757TB 針對低功耗進行了優化，而 UPC2758TB 針對低失真進行了優化。 對於每個 IC，轉換增益是 LO 頻率的函數（圖 7）。
圖 7：CEL 的 UPC2757 MMIC 的轉換增益隨 LO 頻率變化； 兩個主要的家族成員提供了功耗和失真的基本選擇。
這只是兩個例子。 許多供應商都提供混合器； 該設備可用於各種 RF 和 LO 頻率，以及不同的功率水平和性能參數。 設計人員的決策過程首先列出了基本頻率要求和其他混頻器屬性所需的值，以及這些因素中可能存在的任何靈活性或權衡。
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