Смеситель на диодах. Диодный кольцевой смеситель: принцип работы, схема и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое диодный кольцевой смеситель. Как работает схема диодного кольцевого смесителя. Каковы преимущества и недостатки диодных кольцевых смесителей. Где применяются диодные кольцевые смесители в радиотехнике.

Содержание

Принцип работы диодного кольцевого смесителя

Диодный кольцевой смеситель — это тип частотного смесителя, широко используемый в радиотехнике для преобразования частоты сигналов. Его основные компоненты:

Кольцо из 4 диодов (обычно диодов Шоттки)
Два трансформатора для согласования импедансов
Три порта: ВЧ вход, вход гетеродина, ПЧ выход

Принцип работы диодного кольцевого смесителя основан на переключении диодов сигналом гетеродина. Как это происходит?

Сигнал гетеродина поочередно открывает пары диодов D1-D4 и D2-D3
Это приводит к периодическому изменению полярности ВЧ сигнала на выходе
В результате происходит перемножение ВЧ сигнала и сигнала гетеродина
На выходе образуются сумма и разность частот входных сигналов

Таким образом, диодный кольцевой смеситель осуществляет частотное преобразование входного ВЧ сигнала.

Схема диодного кольцевого смесителя

Рассмотрим типовую схему диодного кольцевого смесителя:

«`

Основные элементы схемы:

Четыре диода D1-D4, образующие кольцо
Трансформатор T1 для подачи ВЧ сигнала
Трансформатор T2 для подачи сигнала гетеродина
Порты для подключения ВЧ, гетеродина и съема ПЧ

Трансформаторы обеспечивают согласование импедансов и балансную подачу сигналов. Диоды выполняют функцию коммутаторов под управлением гетеродина.

Преимущества диодных кольцевых смесителей

Диодные кольцевые смесители обладают рядом важных преимуществ:

Высокая линейность характеристики преобразования
Хорошая развязка между портами (до 30-40 дБ)
Подавление четных гармоник входных сигналов
Низкий уровень интермодуляционных искажений
Широкий динамический диапазон (до 100 дБ)
Работа в широкой полосе частот (до нескольких ГГц)

Эти свойства обусловлены балансной схемой и использованием диодов в качестве коммутаторов. Благодаря им диодные кольцевые смесители находят широкое применение в радиоаппаратуре.

Недостатки диодных кольцевых смесителей

Несмотря на преимущества, диодным кольцевым смесителям присущи и некоторые недостатки:

Потери преобразования 6-10 дБ
Необходимость высокого уровня сигнала гетеродина
Сложность изготовления широкополосных трансформаторов
Чувствительность к согласованию импедансов портов
Ограниченный динамический диапазон по ВЧ входу

Эти ограничения необходимо учитывать при проектировании устройств на основе диодных кольцевых смесителей. В некоторых случаях могут потребоваться дополнительные цепи согласования или усиления.

Применение диодных кольцевых смесителей

Благодаря своим характеристикам диодные кольцевые смесители широко используются в различных радиотехнических устройствах:

Супергетеродинные приемники
Передатчики с однополосной модуляцией

Преобразователи частоты
Модуляторы и демодуляторы
Анализаторы спектра
Векторные анализаторы цепей

Они применяются как в профессиональной аппаратуре, так и в любительской радиосвязи. Диодные кольцевые смесители позволяют реализовать эффективное преобразование частоты в широком диапазоне от единиц мегагерц до десятков гигагерц.

Сравнение с другими типами смесителей

Как диодные кольцевые смесители соотносятся с другими типами частотных смесителей? Рассмотрим основные отличия:

Тип смесителя	Преимущества	Недостатки
Диодный кольцевой	— Высокая линейность — Хорошая развязка портов — Широкий диапазон частот	— Потери преобразования — Высокий уровень гетеродина
На полевых транзисторах	— Низкие потери преобразования — Высокая точка IP3	— Меньший диапазон частот — Худшая развязка портов
На биполярных транзисторах	— Простота схемы — Низкая стоимость	— Худшая линейность — Низкая развязка портов

Как видим, диодные кольцевые смесители обладают оптимальным сочетанием характеристик для многих применений, хотя и не лишены недостатков.

Расчет параметров диодного кольцевого смесителя

При проектировании диодного кольцевого смесителя необходимо рассчитать ряд ключевых параметров:

Требуемый уровень сигнала гетеродина
Согласующие трансформаторы
Ожидаемые потери преобразования
Развязку между портами
Допустимый динамический диапазон

Рассмотрим основные формулы для расчета:

1. Уровень сигнала гетеродина: P_LO [dBm] ≈ 7 + 20log(Vf) где Vf — прямое падение напряжения на диоде 2. Коэффициент трансформации: n = √(R2 / R1) где R1, R2 — входное и выходное сопротивления 3. Потери преобразования: L [dB] ≈ 6 + 20log(π/4) ≈ 7.9 dB 4. Развязка между портами: I [dB] ≈ 20log(2n) где n — коэффициент трансформации 5. Точка компрессии 1 дБ: P1dB [dBm] ≈ P_LO — 6 6. Точка пересечения IP3: IP3 [dBm] ≈ P1dB + 9.6

Эти формулы позволяют оценить основные характеристики диодного кольцевого смесителя на этапе проектирования. Однако следует учитывать, что реальные параметры могут отличаться из-за неидеальности компонентов и паразитных эффектов.

Практические рекомендации по применению

При использовании диодных кольцевых смесителей следует учитывать ряд практических аспектов:

Выбирайте диоды с малой барьерной емкостью и низким прямым сопротивлением

Используйте симметричную компоновку для минимизации паразитных связей
Обеспечьте хорошее экранирование для улучшения развязки портов
Применяйте согласующие цепи для оптимизации характеристик
Контролируйте уровень сигнала гетеродина для предотвращения перегрузки

Соблюдение этих рекомендаций позволит добиться максимальной эффективности и надежности работы диодного кольцевого смесителя в вашем устройстве.

Диодный кольцевой смеситель: теория и практика

Смеситель частот (frequency mixer) — это схема, выполняющая перемножение двух сигналов. Из школьного курса тригонометрии нам известно, что cos(α)×cos(β) = ½cos(α-β) + ½cos(α+β). Поэтому в сочетании с фильтрами смеситель позволяет двигать сигнал выше или ниже по частоте. Это называется гетеродинирование (heterodyning). На данном принципе работают все приемники прямого преобразования и супергетеродинные приемники. Сегодня мы спаяем собственный смеситель и рассмотрим несколько примеров его использования.

Теория

Схем смесителей существует сильно больше одной. Лучшим источником информации по теме смесителей, что мне удалось найти, является книга Solid State Design for the Radio Amateur, за авторством Wes Hayward, W7ZOI и Doug DeMaw, W1FB. Книга вышла более 40 лет назад, в 1977 году, и в наши дни найти ее может быть проблематично. Однако она доступна в электронном виде на archive.org. Желающих ознакомиться с разными схемами смесителей, понять их классификацию, слабые и сильные стороны, и так далее, я вынужден направить к этой книге. Это действительно большая тема.

Мы же сосредоточимся на одной схеме, которая часто используется на практике. Она называется двойной балансный диодный кольцевой смеситель (double balanced diode ring mixer) или просто диодный кольцевой смеситель (diode ring mixer). Название как бы намекает, что где-то в схеме должно быть кольцо из диодов:

Схема имеет два входа — гетеродин (local oscillator, LO) и ВЧ (radio frequency, RF), а также выход ПЧ (intermediate frequency, IF). Стоит сказать, что IF может быть использован как вход, а RF — как выход, но такой режим мы рассмотрим отдельно. Как же работает эта схема?

Когда ток течет из LO в смеситель, на вторичной обмотке левого трансформатора течет противофазный ток (по правилу Ленца), через диоды D1 и D4. Через D2 и D3 ток не течет, их как будто вовсе нет в схеме. Таким образом, в правом трансформаторе верхняя половина вторичной обмотки оказывается как бы выключена. Ток может течь только через нижнюю половину. То есть, правый трансформатор работает просто как трансформатор 1:1 и сигнал течет с RF на IF без изменений.

Когда же ток течет в LO из смесителя, ситуация противоположная. Диоды D1 и D4 не участвуют в работе схемы, но ток течет через D2 и D3. В правом трансформаторе работает верхняя половина вторичной обмотки, и мы снова получаем трансформатор 1:1. Но обратите внимание на то, куда подключен IF и где у трансформатора точки. По сравнению с предыдущей ситуацией трансформатор получился перевернутым. То есть, фаза RF будет сдвинута на 180°, что эквивалентно умножению на -1.

Другими словами, мы умножаем RF на меандр с частотой, заданной LO. Меандр состоит из множества нечетных гармоник, основной из которых будет LO. На выходе смесителя также будут нежелательные сигналы, вызванные перемножением RF на третью, пятую и прочие гармоники LO, но их мы всегда можем отфильтровать. Вспомним, что диоды D1-D4 не являются идеальными. Ток через них является функцией от разности потенциалов на диоде. Плюс к этому, не бывает двух одинаковых диодов. Все это тоже вносит вклад в отличие выхода от идеальных ½cos(α-β) + ½cos(α+β).

Стоит отметить, что на выходе диодного кольцевого смесителя следует использовать не фильтры, а диплексеры. Фильтры вне своей полосы пропускания имеют высокий КСВ, а значит отражают нежелательный сигнал обратно в его источник. В случае со смесителем это ни к чему хорошему не приведет. В отличие от фильтров, диплексеры позволяют погасить нежелательный сигнал на эквиваленте нагрузки. Еще один нюанс заключается в том, что смесителю нужен достаточно высокий уровень LO, около 7 dBm (1.4 Vpp).

Плюсом диодного кольцевого смесителя является широкополосность. В отличие от смесителей на активных компонентах, диодный кольцевой смеситель почти не вносит собственного шума в сигнал. Есть и другие преимущества. В частности, в схеме используются легко доступные и удобные в использовании компоненты, чего не скажешь о смесителях, использующих двухзатворные полевые транзисторы (dual gate MOSFETs). Последние либо редки, либо относительно дороги, либо представляют собой очень маленькие компоненты для поверхностного монтажа.

Модель приведенной выше схемы для LTspice вы найдете в этом архиве. Заинтересованным читателям предлагается проверить, что она действительно работает так, как описано выше.

Практика

В моем исполнении диодный кольцевой смеситель получился таким:

Трансформаторы намотаны эмалированной проволокой 0.6 мм на ферритовых кольцах FT50-43 трифилярной обмоткой. У меня получилось 7 витков. Согласно Solid State Design for the Radio Amateur, порядка 10 витков на ферритовых кольцах с высокой магнитной проницаемостью (μ ≈ 800 для 43-ей смеси) должны хорошо работать для КВ. Для УКВ рекомендуются материалы с магнитной проницаемостью поменьше, например, 61-ая смесь с μ ≈ 125.

В качестве диодов были использованы диоды Шоттки 1N5818. Выбор диодов не принципиален. Подойдут даже обычные импульсные диоды 1N4148. Будет не лишним подобрать при помощи мультиметра четыре диода с одинаковым напряжением смещения (voltage drop). Впрочем, в своем смесителе я использовал случайные диоды.

Проверим смеситель при помощи анализатора спектра:

Генератором сигналов на LO был подан сигнал с частотой 14 МГц, а на RF — с частотой 3 МГц. Поэтому на выходе смесителя мы видим 14 − 3 = 11 МГц и 14 + 3 = 17 МГц. На скриншоте мы также видим сигнал меньшего уровня с частотой 14 МГц. Это сигнал утечки с LO. Мы также видим и другие нежелательные сигналы, но в данном случае их уровень невысок. Заметьте, что сигналы с маркерами 1 и 3 различаются на 1.5 dB. Возможно, такого перекоса не было, если бы я использовал подобранные диоды. Поигравшись с LO и RF можно найти и другие артефакты. В целом, смеситель адекватно работает на частотах до 30 МГц. Однако с ростом частоты падает уровень полезного сигнала и снижается изоляция между LO и IF.

Эксперимента ради подключим порт RF смесителя к КВ-антенне, на LO подадим 25 МГц, а IF подключим к RTL-SDR v3:

Перед нами радиолюбительский диапазон 40 метров, только смещенный на 25 МГц выше. То есть, мы получили апконвертер. Очень простой, совсем без фильтрации, но все же вполне рабочий. Даунконвертер работает по тому же принципу. Этот прием можно использовать, если интересующий сигнал выходит за поддерживаемый интервал частот вашего приемника.

Выше было сказано, что IF может быть использован как вход, а RF — как выход. Давайте проверим. На LO подадим 7 МГц, а на IF подадим какой-нибудь НЧ сигнал порядка 2 кГц. RF подключим к осциллографу, не забыв о согласовании импеданса:

Перед нами ни что иное, как двухполосная модуляция (double sideband, DSB). Вспомним, что DSB — это в сущности амплитудная модуляция с подавленной несущей, или в точности произведение несущей на НЧ сигнал. Не удивительно, что смеситель частот и DSB-модулятор представляют собой одну и ту же схему. Отфильтровав сигнал, мы можем получить либо нижнюю боковую (lower sideband, LSB), либо верхнюю боковую (upper sideband, USB).

Кроме того, в сочетании с аттенюаторами и делителями/сумматорами можно получить AM:

Иллюстрация позаимствована из The ARRL Handbook. В сущности, здесь берется DSB и к нему с нужным уровнем добавляется несущая. Получается амплитудная модуляция. Проверено, работает.

Дополнение: Позже я узнал, что AM-сигнал также можно получить, добавив смещение по постоянному току в 100-200 мВ на порту IF. Это наглядно продемонстрированно в видео Generating AM and DSB-SC with a Double-Balanced Diode Ring Mixer, снятом Alan Wolke, W2AEW.

Заключение

Сегодня мы разобрались, как работает ключевой компонент радиоприемников. Еще мы выяснили, как сделать апконвертер, даунконвертер и узнали новый способ получения амплитудной модуляции. Также теперь мы имеем почти все необходимое для генерации SSB сигнала. Немало открытий для схемы из двух трансформаторов и четырех диодов!

А доводилось ли вам делать смеситель частот? Если да, то по какой схеме вы его делали?

Дополнение: Несколько доработанную схему вы найдете в посте Как сделать компактный диодный кольцевой смеситель. Альтернативные схемы смесителей рассмотрены в статьях Смеситель частот на интегральной схеме SA612, Упрощенная схема диодного смесителя, Тройной балансный смеситель на диодах 1N5711 и Квадратурный демодулятор на основе 74HC4053.

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.

Схема смесителя на диодах. Балансные смесители » Паятель.Ру

Категория: Радиоприемники

При конструировании приемников со смесителями на диодах следует принимать во внимание, что сигнал ПЧ получается по уровню меньше входного сигнала на величину потерь в смесителе (на 6-10 дБ). Однако смесители на диодах зачастую смогут обеспечить наименьший уровень шумов. Поэтому к выбору схемы смесителя следует походить с большой осторожностью.

Известно, что параметры радиоприемника во многом зависят от смесителя. Смеситель должен обладать высоким коэффициент передачи, малым уровнем шума (для повышения реальной чувствительности) и хорошо подавлять мешающие AM сигналы, т.е. не детектировать их (для повышения помехоустойчивости).

Этим критериям соответствуют широко известные смесители, сделанные по балансным и кольцевым схемам, которые не детектируют ни напряжение сигнала, ни напряжение гетеродина.

Рис.3
На рис. 1 показана схема простого балансного смесителя, а на рис. 2 показана схема кольцевого смесителя. Обе схемы выполнены на диодах 8 обоих смесителях (рис. 1 и рис. 2) использованы симметрирующие трансформаторы Тр1 и Тр2. намотанные на кольцевых ферритовых сердечниках жгутом, сложенным из трех проводов, скрученных вместе. На рис. 3 показана конструкция такого трансформатора.

Концы проводов в начале жгута помечены как к1 , к2 и к3. Обмотка, состоящая из провода 1, служит для входа сигнала, конец провода 2 соединяется с началом провода 3 — это соединение является средней точкой вторичной обмотки трансформатора и либо соединяется с землей, либо от этой точки берется сигнал для подачи его на УПЧ.

Трансформатор наматывается на кольце из высокочастотного феррита. Диаметр кольца может быть 4… 10 мм, магнитная проницаемость 20…1000. При этом, чем выше частота используемого сигнала, тем меньшей должна быть магнитная проницаемость феррита. Кольца с большой магнитной проницаемости применяются для НЧ диапазонов.

Рис.2
На ВЧ диапазонах достаточно 5… 15 витков. В большинстве случаев первичную обмотку можно настроить в резонанс, подключив параллельно ей конденсатор емкостью 40…500 пФ (подбирается при настройке). Число витков первичной обмотки зависит от сопротивления цепей, подключенных к смесителю.

Зачастую вместо первичной обмотки трансформатора используется контурная катушка последнего каскада УВЧ или гетеродина, на которую, поверх существующей обмотки, наматывается жгутик из двух скрученных вместе проводов, которые соединяются между собой также, как и вторичная обмотка трансформатора Тр1 или Тр2. Витки, намотанные жгутиком, должны располагаться возле заземленного конца контурной катушки.

Для достижения максимальной чувствительности. при настройке смесителя нужно подобрать напряжение гетеродина. Недостаточное напряжение уменьшает коэффициент передачи, а излишнее — увеличивает шум самого смесителя.

В обоих случаях чувствительность падает. Оптимальное напряжение лежит в пределах от долей вольта до 1. ..1,5 В (амплитудное значение).

Теория работы схемы » Примечания по электронике

Двойной балансный ВЧ или частотный смеситель способен обеспечить высокий уровень производительности и используется во многих требовательных ВЧ приложениях.

Радиочастотные микшеры и руководство по микшированию Включает:
Основы микширования радиочастот Теория и математика Спецификации и данные Как купить смеситель Select Транзисторный смеситель Смеситель на полевом транзисторе Двойной сбалансированный смеситель Смеситель клеток Гилберта Смеситель отклонения изображения

Двойные балансные смесители способны обеспечить очень высокий уровень производительности в приложениях ВЧ или частотного микширования.

Действие двойного балансного смесителя заключается в том, что входные ВЧ-сигналы и сигналы гетеродина «уравновешиваются», а их уровень на выходе значительно снижается за счет дифференциальных цепей на их входах.

Это снижает потребность в удалении часто нежелательных ВЧ-сигналов и сигналов гетеродина на выходе и уменьшает влияние этих входных сигналов на интермодуляционные искажения.

Смесители с двойной балансировкой могут быть либо изготовлены из основных электронных компонентов, либо их также можно купить в виде модулей для включения в схему — часто используется последний подход, поскольку приобретаемые модули будут спроектированы, оптимизированы и изготовлены специализированными производителями высочайшая производительность.

Учитывая уровень их использования, двойные балансные смесители широко доступны у ряда специализированных поставщиков радиочастотных компонентов. Эти поставщики имеют широкий спектр двойных балансных смесителей, как смесителей на основе гибридных диодов и полевых транзисторов, так и полностью интегрированных устройств на основе MMIC, которые должны соответствовать требованиям для большинства приложений проектирования радиочастотных цепей.

Потребность в сбалансированных миксерах

Многие формы микшеров не сбалансированы, в результате чего они пропускают значительные уровни гетеродина и радиочастотных сигналов. Обычно они нежелательны, и обычно их приходится удалять с помощью фильтрации, что часто неудобно и дорого. Решение состоит в том, чтобы сбалансировать микшер, чтобы удалить входные сигналы.

Существует два типа балансных ВЧ-микшеров:

Одиночный сбалансированный смеситель: Часто называемый просто балансным микшером, этот тип микшера будет подавлять либо гетеродинный, либо радиочастотный сигнал, но не оба

Двойной балансный микшер В отличие от одинарного балансного микшера, двойной балансный микшер подавляет оба входных сигнала.

В то время как одиночные сбалансированные смесители имеют много преимуществ по сравнению с более простыми конструкциями, двойные сбалансированные смесители используются более широко. Однако следует учитывать ряд преимуществ и недостатков по сравнению с одним балансным микшером:

Преимущества двойного сбалансированного смесителя.

Повышенная линейность.
Улучшенное подавление паразитных составляющих — подавляются все четные составляющие сигналов гетеродинного и радиочастотного входов.
Изоляция между всеми портами.

Двойной сбалансированный смеситель Недостатки.

Часто требуется уровень возбуждения гетеродина более высокого уровня.
В проекте требуется как минимум два балуна — это увеличивает стоимость и сложность

Несмотря на повышенную сложность, смесители с двойной балансировкой более широко используются в приложениях, где первостепенное значение имеет высокая производительность.

Порты ВЧ/частотного смесителя

Как и все другие радиочастотные микшеры, двойные балансные микшеры имеют те же три порта или разъема.

ВЧ-вход: Этот порт микшера подключается к входящему сигналу, частота которого должна быть преобразована.
Вход гетеродина или гетеродина: Этот порт принимает сигнал внутреннего гетеродина, который используется для преобразования радиочастотного сигнала в новую частоту.
Выход ПЧ: Третий порт двойного балансного микшера обычно называется выходом ПЧ или промежуточной частоты. Сигнал на выходе идеального радиочастотного смесителя должен содержать только продукты смесителя, то есть сумму и разность частот двух входных сигналов.

Обозначение схемы ВЧ смесителя

Типы двойного балансного смесителя

Двойные балансные микшеры бывают разных форм, с использованием разных типов электронных компонентов и немного отличающихся форматов.

Двойной балансный диодный гибридный микшер: Этот тип двойного балансного микшера является стереотипным двойным балансным микшером. В нем используются два основных электронных компонента, а именно кольцо из четырех диодов, которые обычно представляют собой диоды Шоттки и балуны на двух или более портах. В первую очередь эти балуны увеличивают стоимость, а также ограничивают частотную характеристику ВЧ-микшера.
Активный двойной балансный смеситель на гибридной основе: В этой форме двойного балансного смесителя диоды заменены активным устройством, которое действует как переключающие элементы в кольцевой схеме. В обеих входных цепях снова используются гибридные балуны, но формат снова тот же. Электронные компоненты включают в себя дорогие балуны с обмоткой, а также активные устройства, например. FET, которые имеют хорошие характеристики переключения.
Активный двойной сбалансированный микшер: Используя схемы активного дифференциального усилителя, можно добиться сбалансированной работы ВЧ-микшера. Это позволяет изготовить всю схему смесителя на одном полупроводниковом кристалле. Эта технология используется в большинстве ВЧ-микшеров с высокими характеристиками, а также во многих микшерах с более низкими характеристиками. Стоимость высокопроизводительных активных двойных балансных смесителей намного меньше, чем у тех, которые используют компоненты с обмоткой, и они предлагают гораздо более широкую полосу пропускания.

В связи с лучшими ВЧ-характеристиками и более низкой стоимостью активных двойных балансных смесителей, не использующих гибриды, этот тип смесителя используется в большинстве приложений для проектирования ВЧ-схем в наши дни. Смесители доступны в стандартных технологических пакетах для поверхностного монтажа для многих приложений, а для более требовательных приложений доступны специальные монолитные микроволновые ИС, MMIC для ВЧ-смесителей.

Смесители с реверсивным переключением

Смесители с двойным балансом

представляют собой разновидность так называемых «смесителей с реверсивным переключением». Смесители с реверсивным переключателем работают с использованием электронных переключателей в мостовой схеме для реверсирования входного РЧ-сигнала под действием гетеродина, используемого в качестве сигнала переключения прямоугольной формы. Как правило, они предлагают значительные преимущества по сравнению с аналоговыми смесителями для радиосвязи и приложений общего проектирования ВЧ, поскольку они могут предложить лучшие уровни динамического диапазона и шума. Ввиду этого факта, они обычно используются в высокопроизводительных приложениях, где важны шум и динамический диапазон, например. в передней части радиоприемника или анализатора спектра.

Основы двойного балансного микшера

Наиболее распространенной формой двойного балансного смесителя является диодный двойной балансный смеситель. В своей простейшей форме он состоит из двух несимметричных трансформаторов в симметричные и диодного кольца, состоящего из четырех диодов, как показано на рисунке.

Схема двойного сбалансированного смесителя

Хотя конструкция ВЧ-микшера выглядит простой, высокопроизводительные смесители разработаны и изготовлены в соответствии со строгими стандартами для достижения необходимого высокого уровня производительности.

Одной из ключевых характеристик двойного балансного смесителя является то, какой из сигналов гетеродина или радиочастоты поступает на порт ПЧ. Это зависит от однородности диода и трансформатора. В дополнение к этому схема обеспечивает высокую изоляцию между ВЧ- и ПЧ-портами, поскольку балансное переключение диодов исключает прямое соединение между Т1 и Т2.

Компоненты двойного сбалансированного смесителя

Хотя в двойном балансном микшере сравнительно мало компонентов, их индивидуальные характеристики имеют решающее значение для работы ВЧ-микшера в целом.

Обычно для диодного кольца используются диоды с барьером Шоттки. Они предлагают низкое сопротивление, а также имеют хорошую высокочастотную характеристику. Обычные сигнальные диоды могут использоваться для приложений с низкой производительностью, хотя разница в стоимости невелика. Установлено, что прямое падение напряжения на диодах определяет оптимальный уровень возбуждения гетеродина. ВЧ-смесители, требующие обработки высокого уровня входного сигнала РЧ, должны иметь соответственно высокий уровень входного сигнала гетеродина. Как показывает опыт, уровень сигнала гетеродина должен быть как минимум на 20 дБ выше, чем сигналы РЧ или ПЧ. Это гарантирует, что сигнал гетеродина, а не сигналы ВЧ или ПЧ, переключает ВЧ-микшер, и это является ключевым элементом в снижении интермодуляционных искажений, интермодуляционных искажений, а также в максимальном увеличении динамического диапазона.

Для увеличения требуемого уровня возбуждения можно разместить несколько диодов в каждой ножке. Наиболее распространенный уровень гетеродина для двойного балансного микшера, вероятно, +7 дБм. Однако их можно получить с различными уровнями драйва. Обычно доступны значения 0, +3, +7, +10, +13, +17, +23 и +27 дБм.

Чтобы обеспечить требуемый уровень производительности, в этих смесителях используются счетверенные диоды, как правило, изготавливаемые монолитно. При этом они будут иметь очень близкие рабочие параметры, и, в частности, уровень прямого напряжения будет практически одинаковым для всех диодов.

Трансформаторы также имеют решающее значение для работы ВЧ-микшера. Создание широкополосного балуна для микшера является одним из ключевых элементов в общей конструкции микшера, и достижение требуемой полосы пропускания и производительности может быть затруднено.

Согласование трансформаторов и отдельных ветвей важно для определения баланса ВЧ смесителя. Трансформатор также играет важную роль в определении потерь преобразования и уровня возбуждения ВЧ смесителя. Поскольку трансформаторы намотаны на ферритовый сердечник, потери в сердечнике, потери в меди и несоответствие импеданса вносят свой вклад в потери трансформатора.

Двойной сбалансированный смеситель

Работа двойного балансного смесителя относительно проста для понимания. Сигнал гетеродина, LO, включает сначала одно плечо (D3, D4), а затем другое (D1, D2) внутри диодного кольца.

Поскольку точки, в которых сигнал гетеродина входит в диодное кольцо на стыке D1 и D4, выглядят как виртуальная земля для ВЧ-сигнала, это означает, что точки, в которые входит ВЧ-сигнал, попеременно соединяются с землей, когда диоды включаются и выключенный.

Работа микшера означает, что РЧ-сигнал с чередованием инверсных фаз направляется на порт ПЧ в соответствии с переключением гетеродина, другими словами, сигнал на порту ПЧ умножается на форму волны гетеродина.

Двойной балансный смеситель на полевых транзисторах

Несмотря на то, что диодные смесители способны обеспечить превосходные характеристики, рост использования беспроводных и обычных систем радиосвязи означает, что приемники должны быть способны принимать большее количество местных сильных сигналов, чем это могло быть раньше. Требуются лучшие характеристики шума на низких частотах наряду с более высокими точками пересечения третьего порядка. Показатели производительности, требуемые смесителями с двойным балансным диодом, не всегда могут соответствовать требованиям некоторых конструкций, если только не будет проведена значительная адаптация, которая увеличивает затраты сверх экономической целесообразности. Обычные смесители с двойным балансным диодом могут обеспечить характеристику пересечения третьего порядка до цифр от +25 до +30 дБм.

В качестве альтернативы диодному смесителю можно использовать двойной сбалансированный смеситель на полевых транзисторах. Хорошо спроектированные смесители на полевых транзисторах способны обеспечить чрезвычайно линейную характеристику наряду с высокими точками пересечения третьего порядка, некоторые из которых достигают +38 дБм.

Смеситель на полевых транзисторах с двойным балансом

На схеме показана основная концепция смесителя на полевых транзисторах с двойным балансом. Однако некоторые смесители требуют применения смещения постоянного тока для обеспечения правильного переключения диодов, а некоторые смесители демонстрируют высокие потери преобразования или коэффициент шума. Смесители на полевых транзисторах с двойной балансировкой, использующие дискретные компоненты, иногда можно оптимизировать для обеспечения более высоких показателей производительности, и более новые коммерчески доступные устройства также предлагают более высокие характеристики.

Практические аспекты смесителей с двойной балансировкой

Использование смесителей с двойной балансировкой позволяет достичь очень высокого уровня производительности. Однако несколько полезных советов и подсказок гарантируют, что моты могут быть сделаны из них.

Используйте правильный уровень привода: Для обеспечения правильной работы микшера необходимо убедиться, что используется правильный указанный уровень привода. Таким образом, диоды в ВЧ смесителе будут переключаться правильно.
Выберите правильный микшер уровня для ВЧ-дизайна: Аналогично использованию указанного уровня возбуждения, конкретный ВЧ-микшер следует выбирать так, чтобы уровень возбуждения был достаточно высоким для конкретного ВЧ-исполнения. Обычно возбуждение гетеродина должно быть по крайней мере на 20 дБ выше, чем самый высокий ожидаемый сигнал РЧ или ПЧ. Это обеспечит оптимальные интермодуляционные искажения и динамический диапазон.
Убедитесь, что порты точно совпадают: Смесители с двойным балансным диодом чувствительны к импедансу согласования. Они должны быть согласованы с правильной резистивной нагрузкой или импедансом источника (обычно 50 Ом). Широкополосный резистивный выходной сигнал особенно важен для достижения максимального динамического диапазона. Этого можно добиться, используя в линии аттенюатор. Хотя это можно использовать для порта гетеродина, этот подход обычно не подходит для портов ВЧ и ПЧ, поскольку это ухудшит коэффициент шума. Вместо этого точное согласование каскадов усилителя, предшествующих и следующих за микшером, является одним из решений.
Отвод ПЧ от ВЧ-балуна: Отводя выход ПЧ от ВЧ-входа, можно достичь гораздо большего уровня подавления гетеродина — обычно 20 дБ.

Смесители с двойной балансировкой широко используются в радиочастотных приложениях, где производительность имеет первостепенное значение. Хотя они более дороги, чем многие другие формы смесителей частоты, они обеспечивают производительность, которая часто требуется. Обычно эти смесители покупаются у специализированных производителей, поскольку они обладают опытом и производственными возможностями для трансформаторов и других необходимых компонентов. Кроме того, стоимость разработки и оптимизации распределена по большому количеству единиц.

Другие основные темы радио:
Радиосигналы Типы и методы модуляции Амплитудная модуляция Модуляция частоты OFDM ВЧ микширование Петли фазовой автоподстройки частоты Синтезаторы частоты Пассивная интермодуляция ВЧ аттенюаторы ВЧ-фильтры РЧ циркулятор Типы радиоприемников Суперхет радио Избирательность приемника Чувствительность приемника Приемник с сильным сигналом Динамический диапазон приемника
Вернуться в меню тем радио. . .

Теория двойного сбалансированного смесителя — Дэвид С. Рикеттс

Двойной балансный смеситель представляет собой смеситель с диодным мостом, в котором используются два несимметричных дифференциальных трансформатора или балуна для создания умножения двух входных частот и , подавляющих многие нежелательные гармоники и сигналы. Прежде всего, это отмена (в идеале) гетеродина и вход на нескольких гармониках.

Смесители

— это просто умножители напряжения и/или тока. Хотя с математической точки зрения мы можем рассматривать их как множители, в схеме нет элемента, который непосредственно «умножает» сигналы. Для достижения умножения мы используем нелинейный элемент, который имеет сильный член второго порядка в своем ряду Тейлора. Можно использовать и другие члены из ряда Тейлора, но обычно амплитуда коэффициентов мала. Входной сигнал обычно представляет собой сумму гетеродина (LO) и промежуточной частоты (IF) для смесителя с повышающим преобразованием или сигнала LO и RF для смесителя с понижающим преобразованием.

В этом примере два входа, A ₁ и A ₂ , вставляются в ряд Тейлора. Создано много терминов. Мы сосредоточимся на красном, так как он будет иметь самый сильный вклад, поскольку ₂ больше, чем коэффициенты более высокого порядка. Важным в этом выводе является то, что существует 90 230 многих 90 231 гармоник, генерируемых с использованием этой нелинейности для выполнения умножения. Устранение или компенсация этих гармоник будет одной из основных задач при разработке диодного смесителя.

Для иллюстрации рассмотрим простой диод и исследуем ток через него, являющийся результатом напряжения на устройстве. Напряжение возникает из-за гетеродина и либо ПЧ, либо ВЧ (любой из них может быть стимулом). Предположим, у нас есть ПЧ 5 МГц и гетеродин 105 МГц, а ВЧ-порт является выходом (микшер с повышающим преобразованием). Расширение ряда (предполагая, что ₀ = 0) дает нам ток на следующих частотах: гетеродин (термин 2), промежуточная частота (термин 3), компонент постоянного тока и один с удвоенной частотой гетеродина — см. идентичность на рисунке ( член 4), искомая РФ при LO±IF (термин 5), a dc составляющая и одна с удвоенной ПЧ (член 6), а затем член 7 обеспечивают несколько гармоник и сигнал на нашем гетеродине ± ПЧ, который возникает из-за члена, когда расширяется член 7 и используется тождество, выделенное красным . Ожидается, что этот срок будет очень маленьким из-за ₃ . Главный вывод — мы добились нашего усиления сигнала, но при этом также имеем много гармоник.

Простой фильтр LC отделяет низкие частоты от высоких через порты ПЧ и ВЧ.

Результирующая мощность на выходе РЧ-порта показана на рисунке. Мощность гетеродина составляет 7 дБм, а ПЧ – 5 дБм. Смеситель обеспечивает получение желаемых сигналов ГНЧ ± ПЧ на частотах 100 и 110 МГц, однако усиление преобразования довольно низкое, -11,6 дБм (потери). Также видно, что гетеродин очень сильный на выходе с изоляцией всего 8,67 дБ. Кроме того, мы можем видеть сигнал ПЧ и гармонику в два раза больше гетеродина, как описано выше. Хотя можно использовать маломощные РЧ-сигналы и компенсировать в системе большой гетеродин, было бы желательно удалить вклад гетеродина.

Сбалансированный смеситель использует два диода с противоположными полярностями для подавления составляющей гетеродина. Трансформатор на картинке представляет собой балун, и он просто преобразует гетеродин из несимметричного в дифференциальный.

Математика для расчета разницы токов диодов подробная, но простая. Глядя на нижнюю часть, мы видим, что мы достигли желаемого умножения. Кроме того, мы можем видеть, что V _a и ( V _a ) ² исчез в результате простой отмены.

Спектр на РЧ-порте теперь выглядит совсем по-другому. Компоненты в LO и дважды LO теперь очень малы. Изоляция НЧ-ВЧ составляет 65,5 дБ. Усиление преобразования также улучшилось до -6,6 дБм, что лучше всего можно понять, удвоив количество сигнала с двумя диодами. У нас все еще есть некоторые гармоники, включая ПЧ на выходе.

Двойной сбалансированный смеситель обеспечивает такое же подавление промежуточной частоты, как и сбалансированный смеситель для гетеродина. Вместо подробного математического анализа мы можем рассмотреть работу большого гетеродина и рассматривать диоды как переключатели. Когда они смещены вперед, сигнал проходит через них. Когда они смещены в обратном направлении, они выключены. Этот способ мышления работает только в том случае, если гетеродин намного больше, чем напряжение прямого смещения диода.

При показанной полярности гетеродина два левых диода горят. Мы рассмотрим микшер с повышающим преобразованием, так как его немного проще объяснить, но микшер работает как с повышающим, так и с понижающим преобразованием.

LO будет удерживать среднюю точку левых диодов примерно на земле (поскольку LO является дифференциальным). Мы можем сделать это приближение, поскольку предполагается, что LO ниже, чем RF, поэтому мы рассматриваем его как фиксированный потенциал для RF-сигнала в течение 1/2 цикла LO.