Кольцевой балансный смеситель на диодах

На выходе балансного смесителя подавлено напряжение гетеродина, но присутствует напряжение принимаемого рабочего сигнала. Как это обсуждалось при рассмотрении принципов работы супергетеродинного приемника, на выходе идеального умножителя этих компонентов не должно быть в принципе. Уменьшить уровень радиосигнала на выходе преобразователя частоты позволяет схема кольцевого смесителя (преобразователя частоты). Эту схему часто называют двойным балансным смесителем. Принципиальная схема диодного кольцевого смесителя приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Схема диодного кольцевого смесителя (преобразователя частоты)

Подавление входного сигнала на выходе кольцевого смесителя (преобразователя частоты) производится за счет вычитания токов балансного смесителя, собранного на диодах VD1, VD4 и токов балансного смесителя, собранного на диодах VD2, VD3.

Спектр сигнала на выходе кольцевого балансного смесителя (преобразователя частоты) приведен на рисунке 2.


Рисунок 2. Спектр сигнала на выходе кольцевого балансного смесителя (преобразователя частоты)

Обратите внимание, что спектр сигнала на выходе кольцевого смесителя (преобразователя частоты) уже похож на спектр идеального умножителя. Недостаточно подавленные компоненты спектра выходного сигнала должны быть подавлены полосовыми фильтрами на входе и выходе смесителя.

На выходе схемы кольцевого смесителя (преобразователя частоты) подавляется не только сигнал, присутствующий на входе преобразователя частоты, но и все компоненты, формируемые нечетными степенями полинома аппроксимации крутизны нелинейных элементов, примененных в смесителе. Процесс подавления входного сигнала на выходе кольцевого смесителя (преобразователя частоты) иллюстрируется рисунком 3.


Рисунок 3. Временная диаграмма напряжения на выходе кольцевого смесителя (преобразователя частоты)

На этом рисунке рассмотрена ситуация, когда частоты принимаемого сигнала и гетеродина равны. Временная диаграмма выходного тока напоминает временную диаграмму выпрямленного сигнала. В результате четные полуволны принимаемого сигнала подавляют нечетные. Это приводит к тому, что все нечетные гармоники спектра выходного сигнала подавляются. В спектре выходного сигнала в основном присутствуют компоненты четных гармоник:

(1)

Если при этом вольтамперная характеристика нелинейного элемента будет аппроксимироваться квадратичной функцией (полином второго порядка), то мы получим преобразователь, максимально приближенный к идеальному умножителю. Приближение формы вольтамперной характеристики смесительных диодов к квадратичному полиному удается получить соответствующим подбором объемного сопротивления полупроводника.

В настоящее время кольцевые диодные смесители (преобразователи частоты) выполняются в виде готовых интегральных микросхем. При этом входное и выходное сопротивление выполняется равным 50 Ом. Входное сопротивление входа гетеродина тоже делается равным 50 Ом. Интегральное исполнение кольцевого смесителя (преобразователи частоты) позволяет добиться высокой степени симметричности плечей смесителя, что позволяет получить достаточно хорошие характеристики подавления сигналов гетеродина в цепях радио и промежуточной частоты. В качестве примера подобных кольцевых смесителей (преобразователей частоты) можно привести смесители, выпускающиеся фирмой Mini-Circuits. Параметры некоторых из них приведены в таблице 1.

Таблица 1 Параметры кольцевых смесителей (преобразоватей частоты)

Тип смесителя Уровень гетеродина (дБм) Точка одно-
децибельной компрессии (дБм)
IP3 (дБм) Диапазон частот гетеродина и радиочастоты (МГц) Диапазон частот промежу-
точной частоты (МГц)
Потери преобра-
зования (дБ)
Развязка между входами радио-
частоты и гетеродина (дБ)
Развязка между входами промежу-
точной частоты и гетеродина (дБ)
ADE-1L +3 +16 2. 500 0. 500 8.0 68. 30 55. 25
ADE-3L +3 +3 +10 0.2-400 0. 400 9.0 58. 28 55. 20
MBA-10L +3 +9 800. 1000 0. 200 9.5 20 15
MBA-15L +4 +10 1200. 2400 0. 600 8.5 27 20
MBA-25L +4 +10 2000. 3000 0. 600 8.6 28 15
MBA-35L +4 +9 3000. 4000 0. 700 8.5 26 17

Габариты данных смесителей выполняются достаточно малыми, пригодными для поверхностного монтажа. На рисунках 4 и 5 приведены фотографии этих микросхем.


Рисунок 4. Внешний вид и размеры смесителей ADE

Так как входные и выходные сопротивления выбранных смесителей равны 50 Ом, то схема включения данных узлов радиоприемника достаточно проста. Она приведена на рисунке 6.


Рисунок 6. Схема включения смесителя частоты на ИМС ADE-1L

При построении современных систем производственной или сотовой радиосвязи следует иметь в виду, что в этих системах связи применяются достаточно высокие частоты. Поэтому при реализации высокочастотных узлов радиоаппаратуры, в том числе и смесителей частоты, следует особое внимание уделять их конструктивным особенностям. Например, все линии связи должны выполняться в виде микрополосковых линий, а отдельные узлы приемников и передатчиков экранироваться от электромагнитных излучений. На рисунке 7 приведена конструкция микрополосковой линии, в которой сигнальный проводник проходит над заземляющей поверхностью печатной платы.


Рисунок 7. Конструктивное исполнение микрополосковой линии с заданным волновым сопротивлением

На данном рисунке W — это ширина сигнального проводника; T — толщина напыления меди; H — толщина диэлектрика печатной платы, обладающего электрической проницаемостью ε. Следует отметить, что для конкретной печатной платы все параметры фиксированы за исключением ширины сигнального проводника. Волновое сопротивление микрополосковой линии можно найти по эмпирической формуле:

Читайте также:  Китайские газовые колонки на батарейках

(2)

В данной формуле значения H делится на W и T, в результате чего получается безразмерный коэффициент. Поэтому данные значения могут подставляться как в миллиметрах, так и в дюймах. Например, при применении стеклотекстолита FR-4 толщиной 0,5 мм и , равной 4,0, для реализации волнового сопротивления 50 Ом линию передачи необходимо выполнить полоской с шириной 0,5 мм. Толщина покрытия меди при этом должна быть равной 0,04 мм. Для реализации волнового сопротивления 75 Ом при тех же условиях ширина проводника должна быть равной 0,2 мм. Более точные вычисления можно выполнить при помощи калькулятора волнового сопротивления, приведенного на сайте http://mcalc.sourceforge.net/#calc.

Пример конструктивного исполнения смесителя на ИМС ADE-1L приведен на рисунке 8.


Рисунок 8. Пример конструктивного исполнения смесителя частот на ИМС ADE-1L

На рисунке четко прослеживается строгое выдерживание ширины проводников, подводящих входные сигналы. Видно как конструктивно удалены резкие изменения направления для того, чтобы избежать отражения от неоднородности полосковой линии.

Дата последнего обновления файла 10.10.2018

  1. "Проектирование радиоприемных устройств" под ред. А.П. Сиверса – М.: "Высшая школа" 1976 стр. 6
  2. Палшков В.В. "Радиоприемные устройства" — М.: "Радио и связь" 1984 стр. 32
  3. http://qrx.narod.ru/book/red2/1.5.htm
  4. https://ww2.minicircuits.com/WebStore/Mixers.html

Вместе со статьей "Кольцевые смесители" читают:

Параметры смесителя Реальные смесители сложны для анализа, и поэтому их эксплуатационные характеристики определяются множеством параметров.
http://digteh.ru/WLL/ParSmes.php

Принцип работы смесителя Обычно операция умножения двух аналоговых сигналов осуществляется за счет вольтамперной характеристики нелинейного элемента.
http://digteh.ru/WLL/Smes.php

Диодный смеситель В диодном преобразователе на вход нелинейного элемента, в качестве которого выступает диод, одновременно подаются два сигнала.
http://digteh.ru/WLL/DiodSmes.php

Балансные смесители Для того чтобы убрать из выходного сигнала напряжение гетеродина обычно применяют двухтактную схему, называемую балансным смесителем.
http://digteh.ru/WLL/BalSmes.php

Смесители с подавлением зеркального канала В ряде случаев в супергетеродинном приемнике очень трудно обеспечить удовлетворение требований по подавлению частоты зеркального канала и соседнего канала одновременно.
http://digteh.ru/WLL/kvSmes.php

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2019

Рубрикатор

События

Наши новости

Новости

Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

Кондратенко Алексей
Штраух Алексей
Карев Евгений
Шевляков Максим

В статье рассматриваются результаты сравнительного анализа основных электрических характеристик диодных двойных балансных смесителей, выполненных по трем различным схемам. Смесители разработаны в ЗАО «НПФ Микран» (г. Томск). Конструктивно все устройства выполнены по гибридно-интегральной технологии на подложках из поликора ВК-100.

В отечественной литературе практически отсутствуют публикации, посвященные разработке диодных двойных балансных смесителей (ДДБС), построенных по схеме «звезда», а также по кольцевой схеме с «U-коленом». Благодаря структурной развязке трактов гетеродина и промежуточной частоты смесители, построенные по данным схемам, позволяют работать на «высоких» промежуточных частотах при достижении приемлемых значений развязок между трактами. Применение в качестве нелинейных элементов диодов представляет собой компромисс между простотой реализации устройства и достижимыми параметрами в плане динамических характеристик и подавления неосновных продуктов преобразования.

В статье представлен обзор схем диодных двойных балансных смесителей, приведены результаты экспериментального исследования основных электрических характеристик для трех различных схем.

Схемы построения двойных балансных смесителей

Классическая кольцевая схема

В преобразовательной технике широко применяются ДДБС, построенные по кольцевой схеме [1, 2]. Эквивалентная схема подобного смесителя, а также одна из возможных ее реализаций в диапазоне СВЧ приведены на рис. 1.

Противофазные трансформаторы для схемы на рис. 1б представляют собой мосты Маршанда, выполненные в микрополосковом исполнении на основе четвертьволновых отрезков линий с бок овой связью. Подобные устройства могут осуществлять функцию противофазного деления сигналов с приемлемыми параметрами в полосе частот порядка октавы [3]. Возможно некоторое расширение рабочей полосы частот за счет увеличения потерь преобразования смесителя и (или) увеличения мощности гетеродина.

Противофазные трансформаторы могут быть выполнены как на короткозамкнутых отрезках связанных линий, так и на разомкнутых (рис. 2). Следует отметить, что целесообразно применение однотипных трансформаторов для радиосигнала и для гетеродина, так как это обеспечит реализацию более широкой полосы рабочих частот для устройства в целом.

Применение короткозамкнутых отрезков связанных линий более предпочтительно при построении смесителей, так как в противном случае на параметры трансформаторов существенное влияние оказывают реактивные цепи фильтра промежуточной частоты (ПЧ). Этот факт осложняет процедуру проектирования трансформаторов и снижает возможность применения смесителя в целом в плане выбора диапазона ПЧ.

Сигнал ПЧ необходимо снимать через фильтр нижних частот (ФНЧ), который выполняет функцию дополнительного подавления неосновных продуктов преобразования и обеспечивает необходимую трансформацию сопротивлений для сигнала в полосе ПЧ. В случаях, когда длина плеч мостов Маршанда много больше их ширины, возможно сворачивание противофазного трансформатора радиосигнала в кольцо с целью более удобного съема сигнала ПЧ. В противном случае усложняется структура ФНЧ.

На рис. 3 показаны примеры топологической реализации кольцевых ДДБС в микрополосковом исполнении для С- и Х-диапазона частот.

Применение ДДБС, построенных по кольцевой схеме, затруднено в случаях, когда диапазон ПЧ находится достаточно близко к диапазону частот радиосигнала (либо гетеродина). Этот факт обусловлен наличием блокировочной емкости, замыкающей плечи мостов Маршанда на землю по радиосигналу. Шунтирующий эффект для сигналов ПЧ от наличия данной емкости приводит к увеличению потерь преобразования смесителя. Уменьшение номинала емкости приводит к сужению полосы рабочих частот смесителя вследствие рассогласования плеч мостов Маршанда. Альтернативным решением данной проблемы является применение ДДБС, выполненных по схеме «звезда» [1, 4].

Читайте также:  Картинка антенна на крыше

Звездообразная схема

Точка соединения диодов, с которой снимается сигнал ПЧ в смесителе по схеме «звезда», развязана с входами радиосигнала и гетеродина. Благодаря подобной структурной развязке смеситель может применяться в случаях, когда требуется работа устройства на «высоких» ПЧ (полоса сигнала ПЧ расположена достаточно близко к полосе частот радиосигнала и гетеродина). На рис. 4 представлена эквивалентная схема подобного смесителя, а также одна из возможных ее реализаций в диапазоне СВЧ. Как и в предыдущем случае, противофазные трансформаторы выполнены на отрезках четвертьволновых связанных линий.

Сигнал ПЧ необходимо снимать через ФНЧ, который выполняет функцию дополнительного подавления неосновных продуктов преобразования и обеспечивает необходимую трансформацию сопротивлений для сигнала в полосе ПЧ. На рис. 5 приведены примеры топологической реализации микрополосковых ДДБС по схеме «звезда» для различных диапазонов частот.

К недостаткам смесителей, построенных по схеме «звезда», в первую очередь следует отнести тот факт, что развязка «гетеродин – радиосигнал» хуже, чем полученная для кольцевого смесителя. (Здесь и далее развязка «гетеродин – радиосигнал» должна рассматриваться без учета влияния ФНЧ в тракте ПЧ для объективного сравнения параметров смесителей, построенных по различным схемам.)

Для нормальной работы смесителя требуется большая мощность гетеродина, так как противофазный трансформатор гетеродина нагружен как на рабочую пару диодов, так и на трансформатор радиосигнала. Этот же факт объясняет и худшее качество развязки «гетеродин – радиосигнал». Кроме того, в данных смесителях труднее достичь приемлемой развязки «гетеродин – ПЧ», так как на данный параметр имеет заметное влияние разброс показателей для разных плеч противофазного трансформатора сигнала, что неактуально для кольцевого смесителя.

Кольцевая схема с «U-коленом»

Продолжением разработки двойных балансных смесителей является схема модернизированного кольцевого смесителя с «U-коленом» [5, 6]. Данная схема, так же как и описанная выше схема классического кольцевого смесителя, превосходит схему «звезда» в плане развязок по гетеродину. Кроме того, она в достаточной степени свободна от ограничения, связанного с применением смесителя в случаях, когда требуется работа в диапазоне ПЧ, близком к диапазону радиосигнала. Это достигается отказом от применения блокировочных емкостей, приводящих к заметному шунтированию сигналов ПЧ, и применением так называемого U-колена из направленных ответвителей, что, в свою очередь, улучшает развязку «гетеродин – ПЧ» и облегчает дальнейшую фильтрацию. Пример реализации подобной схемы смесителя в диапазоне СВЧ приведен на рис. 6.

Сужения рабочей полосы частот и увеличения потерь преобразования вследствие применения дополнительных элементов в цепях радиосигнала на практике обнаружено не было. На рис. 7 показаны примеры топологической реализации микрополосковых ДДБС, построенных по кольцевой схеме с «U-коленом» для различных диапазонов частот.

Сравнительный анализ типовых смесительных схем

Измерения основных электрических характеристик смесительных схем проводились в 2007 году на базе ЗАО «НПФ Микран» (г. Томск). На рис. 8 приведена фотография экспериментальных образцов, подготовленных к тестированию.

Конструктивно все смесители выполнены по гибридно-интегральной технологии на подложках толщиной 0,5 мм. Материал подложек — поликор ВК-100 (ε = 9,8). Подложки крепятся к титановым основаниям для сопряжения коэффициентов линейного расширения материалов при монтаже в корпус. В макетах использовались образцы GaAs кристаллов счетверенной диодной сборки производства НПФ «Микран».

В рамках сравнительного анализа рассматривались результаты измерений следующих электрических характеристик смесительных схем: потери преобразования, оптимальная мощность гетеродина, а также развязки между трактами. Измерения проводились при использовании скалярного анализатора цепей и внешнего перестраиваемого генератора в качестве сигнала гетеродина. Результаты измерений представлены в таблице. Данные, касающиеся развязок, представлены с учетом влияния ФНЧ в тракте ПЧ, что усложняет сравнение смесителей. Однако в связи с тем, что звено ФНЧ во всех случаях выполняет также и функцию трансформации сопротивлений, измерения без него нельзя считать корректными.

Параметр Кольцевая схема Звездообразная схема Кольцевая схема с «U-коленом»
Х-диап. С-диап. Х-диап. С-диап. L-диап. Х-диап. С-диап. L-диап.
Диапазон радиосигнала, ГГц 8,5–9,5 5,0–6,0 8,5–9,5 5,0–6,0 0,9–1,4 8,5–9,5 5,0–6,0 0,9–1,4
Диапазон гетеродина, ГГц 8,5–9,5 5,0–6,0 8,5–9,5 5,0–6,0 0,9–1,4 8,5–9,5 5,0–6,0 0,9–1,4
Диапазон ПЧ, ГГц 2,6–3,7 2,6–3,7 2,6–3,7 2,6–3,7 2,6–3,7 2,6–3,7 2,6–3,7 2,6–3,7
Оптимальная мощность гетеродина PГ, дБм 15 15 16 18 16 15 16 15
Потери преобразования LП (при PГ), дБ –7,5 –7,3 –6,5 –6,5 –6,6 –7,3 –6,3 –7,3
Неравномерность LП в полосе ПЧ
(при фиксированной частоте гетеродина), дБ
±0,4 ±0,6 ±0,4 ±0,8 ±0,6 ±0,3 ±0,3 ±0,4
Развязка «гетеродин – радиосигнал», не менее, дБ –25 –23 –21 –22 –21 –25 –23 –23
Развязка «гетеродин – ПЧ», не менее, дБ –30 –27 –30 –27 –25 –30 –27 –25
Читайте также:  Как снять створку пластикового окна с петель

Данные, приведенные в таблице, являются оптимальными для описываемых смесителей, однако все смесители измерялись в более широких частотных диапазонах, где они могут использоваться при некотором ухудшении параметров потерь преобразования и неравномерностей. В результате анализа приведенных параметров могут быть сделаны следующие выводы.

  1. В случае, когда необходима работа устройства на «высоких» ПЧ, очень близких к полосе, занимаемой радиосигналом или гетеродином, и когда развязки между каналами имеют второстепенное значение, предпочтение следует отдавать смесителям, построенным по схеме «звезда».
  2. В случае, когда развязки между каналами имеют существенное значение, однако все еще есть необходимость работать на «высоких» ПЧ, предпочтение следует отдавать смесителям, построенным по кольцевой схеме с «U-коленом».
  3. В случае, когда требуется работа в очень широких полосах частот, а остальные параметры являются второстепенными, предпочтение следует отдавать смесителям, построенным по классической кольцевой схеме.
  4. Во всех случаях при работе смесителей в более широкой полосе частот требуется большая мощность гетеродина.

Литература

  1. Maas S. Microwave Mixers, 2nd ed. Boston, MA: Artech House, 1993.
  2. Gilmore R., Besser L. Practical RF circuits design for modern wireless systems. Vol. 2: Active circuits and systems. (Artech House microwave library).
  3. Puglia K. Electromagnetic Simulation of Some Common Balun Structures // IEEE Microwave Magazine. 2002. September.
  4. Maas S. A., Chang K. W. "A Broadband, Planar, Doubly Balanced Monolithic Ka-Band Diode Mixer", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 41, No. 12, P.p. 2330-2335. 1993. December.w
  5. Maas S. A. Broadband Planar Monolithic Balan-ced Mixers and Frequency Multipliers // 1998 AsiaPacific Microwave Conference Proceedings. 1998.
  6. Шеерман Ф. И., Баров А. А., Гроо Е. П., Гюнтер В. Я, Петрова Т. С. Широкополосные монолитные смеситель и умножитель частоты, выполненные по двойной балансной схеме // 15-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2005). Севастополь, 12–16 сентября 2005 г.: Материалы конф.: В 2 т. Севастополь: Вебер, 2005.

Другие статьи по данной теме:

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

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).

Комментарии запрещены.

Присоединяйся