混频器的噪声来源与抑制方法

理想混频器的噪声系数
基于混频杂散公式的噪声分析
非理想混频器噪声的抑制
- 射频通路-两种噪声
- 本振通路-三种噪声
小结

理想混频器的噪声系数

混频器是变频链路的核心器件之一，通常在链路预算时，把混频器看成是一种理想的器件，其噪声系数直接选择为其插入损耗的绝对值。

这一点能够简单的通过噪声系数的定义来理解，噪声系数=输入信噪比/输出信噪比=（Si/Ni）/（So/No），对于室温下的50欧姆系统，Ni=No=-174dBm/Hz，而由于变频损耗的存在，Si/So=L（此式为倍数），因此噪声系数（dB）=10log10(L)，也即噪声系数就等于混频器的变频损耗。

但实际上，混频过程与采样过程类似：一方面也会存在类似“混叠”的情况；另一方面混频器本身作为三端口器件，本振端口所引入噪声的影响同样不可忽略。因此在实际的设计中需要适当的考虑这些非理想因素，避免设计不当影响链路指标。在一些文献¹中，有对类似问题的分析，这里从一个比较新的角度来进一步讨论。

基于混频杂散公式的噪声分析

混频器是一个三端口非线性器件，输入端和本振端所引入的噪声都会对输出端的噪声构成影响。以下变频为例，在方案设计时可能需要考虑的噪声如下：

射频端口进入的镜频频段噪声，简称为射频镜频噪声；
射频端口进入的中频频段噪声，简称为射频中频噪声；
本振的相位噪声；
本振端口进入的中频频段噪声，简称为本振中频噪声；
本振端口进入的射频频段噪声，简称为本振射频噪声；
本振端口进入的镜频频段噪声，简称为本振镜频噪声。

实际上，艾科诺觉得理解和分析的关键是将外界的噪声当成是信号，遵循类似杂散的分析方法。比如我们来看一个ADI的毫米波混频器型号为HMC560ALM3，其主要技术指标如下图1所示。

图1 ADI公司型号为HMC560ALM3双平衡混频器的技术指标

图1的技术指标可以反应出前述的各种噪声影响的方式如下：

1. 射频镜频噪声：直接混频；
2. 射频中频噪声：射频-中频泄漏；
3. 本振的相位噪声：调制到中频信号；
4. 本振中频噪声：本振-中频泄露；
5. 本振射频噪声：直接混频；
6. 本振镜频噪声：直接混频。

其中1射频镜频噪声、5本振射频噪声和6本振中频噪声通过直接混频到中频带内，对应图1中的conversion loss项，损耗10dB-11dB；2射频中频噪声通过射频-中频路径泄漏到中频带内，对应RF-IF指标，隔离度24dB-39dB；4本振中频噪声通过本振-中频路径泄漏到中频带内，对应LO-IF指标，隔离度29dB-31dB；对于3本振的相位噪声而言（这里只侠义的考虑本振频率近端的相位噪声），由于其是直接调制到信号上的，因此并不会影响接收小信号时的噪声系数，而是会在存在大信号的情况下影响系统瞬时动态。

如果将噪声看成是信号的话，分析可进一步扩展，使用图2所示的HMC560ALM3交调表，图2所示为RF=24GHz，输入功率-10dBm，LO=25GHz，本振功率13dBm时的混频交调表。

图2 ADI公司型号为HMC560ALM3双平衡混频器的交调表

区域A对应1射频镜频噪声、5本振射频噪声和6本振中频噪声，是需要主要考虑的部分；区域B对应本振端口各谐波的影响，圈出的对应4本振中频噪声，需要重点考虑，其余由于存在谐波抑制基本可忽略不计；区域C对应射频端口各谐波的影响，圈出的对应2射频中频噪声，需要重点考虑，其余抑制度比较高也可忽略不计；区域D的由于阶数较高，均可忽略不计。

非理想混频器噪声的抑制

通过前述分析，我们需要主要考虑五种噪声来源：射频镜频噪声、射频中频噪声

射频通路-两种噪声

射频镜频对应射频链路的镜频抑制度，而射频中频对应射频链路的中频抑制度。相对于镜频而言，中频一般距离射频工作频率较远，同时考虑到射频-中频泄漏相对远小于镜频变频，因此可以判断射频镜频噪声的影响更大，更应优先考虑。

通常的链路设计是：放大-滤波-放大-混频，如果链路增益分配合理，射频镜频噪声是不会影响噪声系数的。但如果链路设计成：滤波-放大-放大-混频，这时虽然镜频抑制指标能够测够，但测噪声系数时，会恶化一些，因为镜频噪低并没有被滤除，随着放大器放大通过混频“混叠”到中频带内，从而恶化噪声系数。

因此，定性的考虑射频通路混频噪声需要合理的设计链路结构，如果定量分析，还需要仔细考虑链路的增益分配。

本振通路-三种噪声

与射频通路类似，相对于镜频和射频而言，中频一般距离本振频率较远，同时考虑到本振-中频泄漏相对远小于变频，因此可以判断射镜频和射频噪声的影响更大，更应优先考虑。

通常本振主要考虑的是近端的相位噪声和杂散，但实际上远端的噪声也应考虑在内，如果本振链路设计不合理，比如驱动放大器被推饱和或者本振放大链路增益分配不合理，可能会导致本振部分的噪声混频到中频后淹没射频端正常混频的噪声，从而影响噪声系数。

因此，考虑处理本振通路的噪声，一方面本振通过带通滤波对相应的射频和镜频频率进行抑制；另一方面，提高射频链路的增益，以减少本振端噪声的影响。

小结

这篇文章分析了混频器相关的噪声问题。通过将噪声当成信号来考虑，分离出重点需要考虑的五种噪声来源。如果在链路设计考虑不充分，这五种噪声来源很可能会影响噪声系数的测试结果，进而影响系统灵敏度。

通过以下两个设计考虑能够有效的降低这五种噪声来源的影响。

射频通路噪声需要重点考虑预选滤波器在链路中的位置以及相关的抑制度；
本振通路的噪声需要考虑添加额外的本振滤波并考虑射频链路的增益分配。

注：理解的关键是在头脑中产生动态的混频过程，但因为艾科诺比较懒，懒得画图和写公式，所以选择尽量用文字描述阐述问题，

李夏琴.本振相位噪声对宽带接收机噪声系数的影响[J].电子技术应用,2020,46(02):36-42+47. ↩︎