在射频与微波的世界里，混频器是一种极为重要却又常常令人感到费解的器件。通信射频老兵精心整理的这份混频器基础入门宝典，将为我们深入浅出地讲解混频器那看似复杂的原理。
一、什么是混频器
混频器是一个三端口电路，拥有两个输入端口和一个输出端口。在理想情况下，它会对两路输入信号进行混频处理，输出信号的频率要么是两路输入频率相加，要么是相减。其三个端口分别为本振口（LO）、射频口（RF）、中频口（IF）。本振口通常输入正弦连续波或者方波信号，具体选择取决于设备用途和混频器型号。
简单而言，本振信号就如同混频器的开关闸门：本振电压大时，混频器导通工作；电压小时，混频器关断。本振口固定作为输入口，而射频口和中频口可以互换，既可以作为第二个输入端口，也能作为输出端口，具体接法需根据实际使用场景来确定。当我们想要输出频率比输入信号频率更低时，这一操作被称为下变频，此时射频口输入信号、中频口输出信号；反之，若要输出信号频率高于输入信号频率，则称为上变频，此时从中频口输入信号，射频口输出信号。
需要注意的是，上变频存在双边带上变频和单边带上变频两种情况。双边带上变频时，频域中和频与差频挨得很近，意味着射频输出口会同时存在这两个频率分量；单边带上变频则是在混频器内部刻意抵消掉和频或差频其中一路，具备这种复杂功能的混频器称作单边带上变频器（单边带调制器）。
射频、中频信号属于携带信息的信号，表现为中心频率两侧展宽的频谱。变频过程中，射频（中频）信号承载的信息会同步搬移至中频（射频）输出频段。因此，混频器的作用就是完成信号的频域搬移。
理论上，任何非线性器件都能够搭建混频电路，但只有少数非线性器件能制造出性能优良的混频器。目前，行业主流选用肖特基二极管、砷化镓场效应管以及 CMOS 晶体管，具体的选型要根据使用场景来确定。场效应管与 CMOS 混频器多用于大批量量产场景，这类场景更注重成本控制，对性能要求相对宽松；而在要求严苛、追求高性能的场景中，几乎只会选用肖特基二极管混频器。
二、单二极管混频器：理想开关器件与实际二极管对比
搭建混频器有多种方案，其中简单的结构是仅使用一只二极管。在这种结构中，大功率本振信号与小功率射频信号汇合至二极管阳极。
理想单二极管混频器有两个前提条件：一是本振信号幅度远大于射频信号，只有本振能够改变二极管的跨导；二是二极管能够实现瞬时通断。这种可瞬间切换跨导的器件被称为理想开关，能实现理论上性能的二极管混频器。
混频的本质是二极管受大功率本振信号控制，依照自身电流电压特性完成开关动作。本振信号不断控制二极管的导通、关断，从而对微弱射频信号进行斩波处理。
然而，在现实中，我们根本无法制造出理想开关。真实的肖特基二极管导通时存在一段过渡区间，而且即便射频信号功率极低，它还是会在一定程度上改变二极管的跨导。二极管实际电流电压特性，再加上射频信号对跨导的调制作用，会衍生出额外的混频分量，也就是常说的杂散信号。因此，真实二极管会产生所有阶次的谐波混频产物。
我们只需要一组目标输出频率，其余各类谐波分量都会带来严重问题，消除这些失真产物是混频器设计的目标。通过以上简化分析，我们可以总结出混频器的几条关键特性：
混频效应来源于二极管的开关特性；
绝大多数无用谐波，都是射频与本振信号在二极管导通过渡区发生非线性互调产生的；
高性能混频器选用特性尽可能贴近理想开关的二极管；
射频输入功率越低，杂散指标越好，此时本振对二极管跨导的控制效果更充分。
三、混频器平衡结构
高端混频器依靠电路对称结构实现平衡特性，市面上几乎所有商用混频器都采用了各类平衡架构。平衡式混频器具备多重优势：各端口之间天然隔离，频段设计更灵活；能够抵消大部分互调产物；可抑制共模信号，同时提升变频损耗指标。
混频器作为两端口二极管器件，却要实现三端口信号处理功能，因此必须额外配套电路来分配、隔离各路输入输出信号，这也导致了结构带来的固有损耗。单二极管混频器的配套电路由无源耦合、功率分配、滤波电路组合而成，这类电路对频率敏感，很难做出射频、本振、中频频段相互独立的宽带单管混频器，并且额外电路会引入插损，降低变频效率。
为了解决上述问题，工程师利用经典四端口混合耦合器，设计出低损耗、输入输出频段互不干扰的宽带单平衡混频器。这种混合耦合器，也常被称作魔 T 或 180° 混合电桥，是二入二出的四端口器件，两个输入端口之间相互隔离，两路输出功率均分。
借助混合电桥就能搭建出单平衡混频器，该结构改用两只二极管替代单管。单平衡混频器具有以下特点：
射频端口与本振端口相互隔离，各工作频段互不干扰；
互调杂散产物总量减少一半；
可抵消共模噪声，适配噪声较差的本振源；
相比单二极管混频器，变频效率更高。
将两个单平衡混频器组合在一起，就能构成双平衡混频器。这种结构里，射频差分端口和本振差分端口都搭配了混合电桥，中频信号从混合电桥的同相端口输出。细致分析可以得出，双平衡混频器只有 n、m 均为奇数的谐波杂散才会出现在中频端口，也就是说，双平衡结构能滤除中频端口近 75% 的杂散干扰信号。从能量守恒角度来说，能量不会分散到各次偶次谐波上，因此双平衡混频器的变频效率通常优于单端、单平衡混频器。
还有一种结构更复杂的电路，将两个双平衡混频器推挽驱动，这种 “双重双平衡” 混频器被业内命名为三平衡混频器。三平衡混频器的优势在于：射频、本振、中频频段可相互重叠，杂散抑制能力更强。
四、混频器性能指标
评判一个混频器的性能优劣，有多个维度，以下是筛选、评估混频器的各项关键标准：
变频损耗：这是混频器的指标，指的是输入射频信号功率和我们想要的中频输出信号功率之间的差值。无源二极管混频器理论变频损耗为 3.9dB，市面上混频器变频损耗常规区间在 4.5～9dB，多出的损耗来自传输线损耗、巴伦失配、二极管串联电阻、混频器平衡度偏差等因素。受电路附加损耗影响，双平衡混频器变频损耗普遍低于三平衡混频器。一般来说，宽带混频器变频损耗通常更高，因为很难在全频段内维持电路平衡。变频损耗是混频器基准指标，它和隔离度、1dB 压缩点等参数密切相关。
隔离度：用于衡量信号从一个端口泄漏到另一个端口的功率大小。微波混频器一般标注三种隔离指标：本振 - 射频隔离、本振 - 中频隔离、射频 - 中频隔离。本振 - 射频隔离在做下变频时非常关键，本振功率一旦漏进射频通路，会干扰射频放大器，甚至串到其他并行混频通道，造成通道间互相干扰；上变频场景也会受其影响。本振 - 中频隔离通常是三类隔离里差的，当本振和中频频率靠近时，泄露的本振会污染中频链路，严重时直接把中频放大器推饱和，同时还会造成变频损耗随频率起伏变大。射频 - 中频隔离对于系统工程师来说不太受关注，但对混频器设计人员来说是关键参考指标，能反映整个电路的变频效率好坏，该指标越高，说明电路平衡度越好，变频损耗也就越低。
1dB 压缩点：用于衡量混频器线性好坏，定义是让变频损耗相比理想值多出 1dB 时对应的射频输入功率。当射频输入功率较低时，混频器输入输出呈线性关系，但当射频输入功率太大，进入压缩区后，射频功率大到能和本振抗衡，会干扰二极管开关状态，导致混频器工作状态不稳定，互调失真大幅上升、变频损耗变大。想要提升混频器 1dB 压缩指标，可以选用导通电压更高的二极管，但需要更大的本振功率才能正常驱动二极管开关。
电压驻波比（VSWR）：对于微波混频器而言，驻波比参考价值很低，因为混频器不能等效成固定负载，它同时兼具负载和信号源两种属性。即便混频器基波驻波比做到理想无反射，输入端口依然会漏出各类谐波分量，后端电抗负载处理不当会带来严重问题，如 2 倍本振 + 1 倍射频形成的镜像杂散会被滤波器反射回混频器内部，再次和本振信号发生混频，下变频后恰好落到我们需要的差频目标频点上，造成变频损耗大幅波动。
噪声系数：只要二极管品质管控到位，混频器噪声系数近似等于变频损耗。在低信号接收场景选型时，要优先选变频损耗小的混频器。
单音互调失真：射频与本振在二极管电流电压曲线的过渡区间产生非线性混频，会生成大量谐波混频分量，除了我们真正需要的一组分量外，其余所有无用谐波分量统称为单音互调失真。抑制单音互调失真的幅度是混频器设计的目标之一。双平衡、三平衡混频器在抑制单音互调失真方面具有一定优势，中频端口仅会出现本振阶次 n、射频阶次 m 均为奇数的杂散分量，依靠电路平衡抵消作用，偶 × 偶、偶 × 奇、奇 × 偶类谐波抑制能力提升约 30dB，射频输入功率越低，单音杂散指标越好，单纯加大本振驱动功率不一定能改善杂散水平。
多音互调失真：当两路及以上不同频率信号一起从射频口进入混频器，在二极管非线性作用下互相调制，再和本振混频，会生出一堆干扰杂波。这些互调杂散的频率很容易刚好落在接收机中频带宽里面，滤波器根本滤不掉，直接限制了整套接收机能正常工作的信号功率范围，也就是系统动态范围的理论上限。行业里评判混频器多音线性好坏，通用指标是双音输入三阶截点（TOI，也叫 IIP3），这是一个理论计算指标，用来预判射频输入功率变大后，混频器非线性失真会恶化到什么程度。TOI 数值越高，代表混频器线性性能越好。不同类型、不同工艺的混频器，三阶截点 TOI 差距非常大，普通双平衡、三平衡混频器的 TOI，一般比厂商推荐的本振驱动功率高出几 dB。
综上所述，微波混频器作为射频微波系统的器件，可实现信号上下变频、完成频域信号搬移，广泛应用于雷达、传感等诸多领域。它依托二极管等非线性器件工作，单管结构杂散多、性能差，平衡式架构可大幅优化性能，双、三平衡混频器在杂散抑制与变频效率方面更具优势。评判混频器优劣的指标包含变频损耗、隔离度、1dB 压缩点、驻波比、噪声系数及各类互调失真，其中变频损耗是基准参数。高端混频器二极管特性趋近理想开关，在压缩特性、三阶截点及杂散抑制方面的表现远超普通混频器，更适合各类高性能严苛场景。
