变频“桥梁”：混频器如何驱动现代射频系统高效运行

在雷达与卫星通信领域，高频信号是实现高分辨率与宽带宽的关键。然而，直接生成和处理这些GHz乃至毫米波信号，面临着巨大的硬件挑战。上变频与下变频技术，通过混频器这一核心器件，共同构筑了连接基带与射频的“双向桥梁”，是所有高性能射频系统不可或缺的基石。

01 雷达系统为什么需要用到混频器？

雷达系统通过分析目标的微弱回波来提取距离、速度、角度等关键信息。变频技术在此过程中解决了三个核心矛盾。

1 化解“直接采样”的工程难题

现代雷达为达成高分辨率，常工作在X波段（8-12 GHz）或毫米波频段（如77 GHz）。直接对如此高频的信号进行数字化，需要采样率超过20 GSps的ADC，其成本、功耗和体积在多数实际应用中令人望而却步。

混频器将经前端低噪声放大器（LNA）初步放大的高频回波，与一个高稳定度的本振信号进行混频，将其转换至百兆赫兹（MHz）或较低的吉赫兹（GHz）中频。在此中频上，主流、经济高效的高速ADC和数字处理器（如FPGA）便可大显身手，轻松实现高精度采样和复杂的脉冲压缩、波束成形等算法，为精确测距和成像创造条件。

2 实现“速度，距离”的精准捕捉

雷达根据多普勒效应测量目标速度，但这要求能检测出回波频率极其微小的变化（多普勒频移可能仅有千赫兹量级）。在数十GHz的载波上直接识别这种变化，无异于大海捞针。

在此，混频器扮演了 “频率减法器” 的关键角色。雷达利用其高度的相干性，将一部分发射信号作为混频器的本振参考。混频器将回波信号（载频 ± 多普勒频移）与本振信号（载频）进行混频，其输出信号中的差频分量，正好是我们需要的、频率等于多普勒频移的低频信号。这使得后续电路能够轻而易举地对其进行精确测量。这是脉冲多普勒雷达和FMCW雷达能够精确测速的根本所在。

3 达成“分时复用”的架构简化

为适应复杂任务，现代雷达常需在S波段（搜索）、X波段（跟踪）等不同频段间切换。为每个频段配备独立的后端处理链路，将导致系统异常臃肿。

通过前端切换开关与可同步调谐的本振，混频器能将不同频段的回波归一化到同一个标准中频。这样，后端昂贵的高性能处理资源（如ADC、FPGA）只需一套，通过分时复用的方式即可处理所有频段信号。系统在切换模式时，由时序控制器（如FPGA）同步切换射频前端并加载对应的处理参数，从而确保信息处理的正确无误，极大提升了系统的集成度与性价比。此种设计已广泛应用于先进机载雷达及汽车毫米波雷达中。

02 卫星通信领域为何需要混频器？

卫星通信的核心需求是 “地面站 - 卫星 - 地面站” 的远距离信号传输，卫星信号（下行信号，从卫星到地面站）通常为GHz 级高频信号（例：Ku 频段（12-18GHz）、Ka 频段（26-40GHz）），直接接收处理同样面临瓶颈，变频是关键环节：

1 卫星通信：生成高清上行链路

>困境：卫星地面站，需要将承载数据的基带信号调制到极高的Ka/Ku波段（如26-40GHz）上行频率。直接生成如此高频且高纯度的信号极其困难。

>现实解决方案：采用上变频混频器，将已调制的、频率较低的中频信号（如L波段）与一个高稳定度的本振信号进行混频，一步到位地搬移到指定的卫星上行频段。例如德思特MX40000PRO上下混频器支持直接将L波段信号上变频至Ka/Ku波段，完美契合卫星通信的需求。

2 卫星地面站：捕获远距离的微弱信号

>困境：卫星下行信号（如来自同步轨道卫星）经过远距离传输后极其微弱，且常伴有宽带宽特性。

>现实解决方案：地面站通过低噪声下变频器（LNB），将卫星高频信号（如12GHz）首先下变频至L波段等更容易处理的中频，再通过同轴电缆传输至室内接收机。这种方案有效地补偿了信号衰减，并利用中频段更出色的放大器性能来保证信噪比。

03 其他广泛应用

混频器的应用远不止于此，它还是以下系统的关键组件：

1 无线通信基站（4G/5G）

在宏基站和微基站中，混频器同样负责基带信号与射频信号之间的相互转换，支持多频段、多制式的复杂网络需求。同时，对于5G NR等需要宽带宽和复杂调制（如1024QAM）的系统，直接上变频架构（Direct Conversion）可以显著减少组件数量。如下，采用5GNR的FR1频段的基站模拟器实现5GNR FR2频段的信号连接。

2 测试与测量仪器

矢量网络分析仪、频谱分析仪等高端仪器的核心原理正是基于扫频本振和混频器，来实现对设备频响、信号频谱的精确测量。同时，在某些实验室，如果想要测试高频信号但却只拥有低频的测试设备，可以用混频器实现信号的变频转换，极大的减少了置换测量设备的成本。并且可以多个场景复用。

从雷达的精准探测到卫星通信的全球互联，再到5G基站与高端测试仪器，射频系统的成功不仅依赖于极致的性能，更需要权衡成本、效率与可靠性。在选择核心器件混频器时，卓越的性价比与出色的功能性往往是规模化应用的关键。

正是基于这一理念，德思特推出了一系列混频器，比如TS-MX40000PRO这样的高性能通用微波双平衡混频器。它不仅仅是一个频率转换单元，更是一个高度集成的变频解决方案：

化繁为简的核心设计：其最大亮点在于集成了25GHz – 40GHz的可编程LO发生器，并采用超低噪声恒温参考源，直接输出极低相位噪声的本振信号。这使得TS-MX40000PRO能够省去外部笨重昂贵的高频信号源，极大地简化了系统架构，降低了整体成本和体积。

全面均衡的性能表现：该器件支持上变频与下变频的灵活应用，具备12dB的低转换损耗、10dBm的高线性度（P1dB）以及优异的端口隔离度（LO-RF: 35dB）。这些指标在宽射频范围（18-41GHz）内保持了良好的一致性，确保了其在各种测试场景下的稳定性和可靠性。

便捷的控制与连接：提供以太网、USB多种通信方式及GUI/SCPI控制支持，可轻松集成到自动化测试系统中，大大提升了研发与生产的效率。

审核编辑 黄宇