САЙТ МЕДИКОВ-РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ SMHAM ГлавнаяРегистрацияВход
Главная » Статьи » Другое » Все остальное

Андрей Белоконь, UR5FFR. Пассивные смесители

1. Введение

Несмотря на то, что за окном уже давно 21-й век и все чаще в радиолюбительских конструкциях КВ-диапазона применяются смесители на интегральных ключах, попытка разобраться в некоторых вопросах схемотехники пассивных смесителей наталкивается на практически полное отсутствие информации. Обычно, в радиолюбительской литературе приводится несколько типовых схем без объяснения принципов их работы. Это приводит к тому, что часто конструкторы копируют некоторые решения, не всегда понимая к каким последствиям это приводит. Попытка найти информацию в специализированной профессиональной литературе (в том числе и англоязычной), опять же, приводит к неутешительным результатам. Точнее, к их отсутствию.

Собственно, данная статья и возникла в результате попыток автора найти ответы на некоторые вопросы, и собрать все это воедино проведя параллели и аналогии между различными схемотехническими решениями.

По возможности, в статье будут опущены различные сложные математические выкладки и приведены лишь конечные результаты. Для более углубленного понимания материала рекомендуется ознакомиться с литературой и источниками в конце статьи.

 

2. Классический двойной балансный смеситель

В англоязычной литературе фигурирует под названием DBMDouble Balanced Mixer. Выпускается достаточно большое количество различных коммерческих реализаций смесителя. Схема и принцип действия понятен из Рис.1.

Рис.1


Порты IF и RF взаимозаменяемы, но следует учитывать что по порту IF нижняя граничная частота = постоянный ток (DC), в то время как нижняя граничная частота порта RF определяется трансформатором Tr2.

В случае если гетеродин – меандр, то импедансы по портам IF/RF равны между собой. Говоря по другому, смеситель транслирует импеданс со входа на выход в тех пределах насколько это позволяет трансформатор [4]. При накачке синусоидальным сигналом выходной импеданс зависит также и от напряжения отсечки диодов и напряжения накачки.

Со стороны гетеродина (порт LO) смеситель представляет собой два последовательно включенных диода и имеет достаточно низкий импеданс. При использовании в качестве гетеродина драйвера с низким выходным сопротивлением (например, цифровая логика), необходимо предусмотреть токоограничивающий резистор.

 

На Рис.2С представлен результат работы смесителя в случае, если на вход подается синусоидальный сигнал частотой 2 MHz, а в качестве гетеродина используется прямоугольные колебания (меандр) с частотой 8 MHz [3].

Рис.2


Потери в данном смесителе зависят от формы и уровня сигнала гетеродина. В случае меандра этот параметр достигает -3,9 dB. В случае синусоидального сигнала он ухудшается до -6 dB (Рис.2D).

На выходе смеситель формирует суммарную и разностную частоты, а также их нечетные гармоники. Типичное значение уровней гармоник представлено на Рис.2D.

Типовой уровень сигнала гетеродина для такого смесителя +7 dBm.

 

Важный момент в работе этого типа смесителей является то, что диоды запираются сравнительно невысоким напряжением равным падению напряжения на диоде вне зависимости от напряжения накачки гетеродина. Это приводит к тому, что если мы используем обычные кремниевые диоды с напряжением отсечки Vd=0.65 В, то максимальная амплитуда сигнала на выходе смесителя ограничена 2*Vd=2*0.65=1.3 Vpp. При повышении амплитуды сигнала на входе начинается ограничение (срезаются верхушки сигнала). Это видно на Рис.3 – результат моделирования перегрузки смесителя (отмечено красным цветом).


3. Diode Ring Modulator

 

В рассмотренном выше смесителе DBM все входы являются взаимозаменяемыми – т.е., мы можем любой из трех портов выбрать для подачи сигнала гетеродина. Особенно интересно, если подать сигнал гетеродина так, как показано на Рис.4А.

Рис.4


В зарубежной литературе такая схема фигурирует под названием Diode Ring Modulator (DRM) и достаточно широко распространена не только в высокочастотных устройствах, но и в устройствах звукового диапазона. На Рис.4B показан принцип работа данного смесителя. В отличие от классического DBM нижняя граничная частота по портам IF/RF определяется параметрами трансформаторов. В случае использования цифрового гетеродина схему можно упростить, исключив трансформатор в цепи гетеродина. Токоограничивающие резисторы выбирают исходя из максимального выходного тока применяемой цифровой логики.

Для этого смесителя справедливы все ранее озвученные замечания по потерям, гармоникам и максимальной амплитуде сигнала на выходе.

 

4. Двойной дважды балансный смеситель DDBM

Попытка улучшить развязку портов приводит к топологии двойного дважды балансного смесителя (DDBM), или трижды балансного, что по сути одно и то же (Рис.5.А).

Рис.5


Из анализа Рис.5.В становится очевидным, что смеситель наследует все проблемы, связанные с ограничением максимального уровня входного сигнала, присущие ранее рассмотренному простому DBM, т.к. диоды закрыты напряжением Vdd.

 

5. Трансформаторы на длинных линиях

Если от смесителя требуется большая широкополосность, то вместо обычных трансформаторов применяются TLT (transmission line transformer) [48,49]. В русскоязычной литературе прижились два термина - ТДЛ (трансформаторы на длинных линиях) и ШТЛ (широкополосный трансформатор на линиях). Применение ТДЛ по гетеродинному входу в случае «накачки» меандром актуально даже в сравнительно узкополосных устройствах, помня, что меандр с крутыми фронтами имеет достаточно широкий спектр. Если мы «обрежем» его спектр сверху, то получим «затянутые» фронты, что ухудшит параметры смесителя.

На Рис.6А показана реализация DBM с использованием т.н. «Guanella balun» [2,48,49]. На Рис.6В – на простой схеме симметрирования [2]. Отметим, что «Guanella balun», помимо симметрирования, обладает свойствами трансформации сопротивления 1:4.

Рис.6


Эти схемы наследуют все основные свойства рассмотренного ранее DBM на трансформаторах. В частности, свойство взаимозаменяемости портов, что позволяет получить полностью симметричные схемы (Рис.6C и Рис.6D).

Пример практической реализации трижды балансного смесителя на ТДЛ конструкции OE9PMJ приведен на Рис.7 [45].

Рис.7


В некоторых случаях схемотехника смесителей на ТДЛ может на первый взгляд выглядеть странно и подозрительно. На Рис.8 приведена схема смесителя из [46]. Казалось бы, она не должна работать. Но она работает, и это подтверждается моделировщиком.

 

На Рис.9 приведена еще более запутанная схема Ultra high isolation mixer из патента [47]. Естественно, тоже рабочая.

Рис.9


6. Классификация смесителей по уровню гетеродина

Рассмотренные ранее смесители с простым диодным кольцом относят к «Class I». Им требуется примерно +7 dBm мощности гетеродина.

Попытка решить проблему ограничения сигнала что называется «в лоб» представлена на Рис. 10A. Видно, что в каждое плечо включено по два диода. Соответственно, в два раза повышается и максимальный неограниченный уровень на выходе смесителя. Данный смеситель требует увеличенной мощности накачки по входу гетеродина до +13..+17 dBm и относится к «Class II Type 1».

 

В патенте [6] приводится критика предыдущего решения и предлагается схема с варикапами (Рис.10B). Основное преимущество такого решения – более «крутая» ВАХ и, как следствие, меньшие искажения.

 

Рис.10


Кардинальным решением проблемы ограничения выходного сигнала является схема представленная на Рис.10C. Номиналы резисторов должны быть в 2-3 раза больше, чем выходное сопротивление гетеродина LO. В этой схеме диоды заперты напряжением, которое образуется в результате протекания тока гетеродина через цепочку R+D. При правильном выборе номиналов ограничение наступает при уровне выходного сигнала практически равном уровню гетеродина.

В случае,если последовательно с диодами включены только резисторы (т.е., без конденсаторов), то мы имеем дело с «Class II Type 2» смесителем и требуемая мощность гетеродина порядка +17 dBm.

Если резисторы зашунтированы конденсаторами (как на Рис.10С), то это «Class III» и от гетеродина требуется мощность +20..+30dBm.

 

7. Высокоуровневые Termination Insensitive Mixers

Под понятием «высокоуровневый смеситель» будем понимать такой смеситель, максимальный уровень сигнала на выходе которого определяется исключительно напряжением гетеродина, вне зависимости от напряжения отсечки примененных диодов. Это особенно актуально, т.к. перспективные в плане быстродействия диоды Шоттки имеют прямое падение в два раза ниже кремниевых - порядка 0,3 В.

В зарубежной литературе такого рода смесители позиционируются как «нечувствительные к нагрузке» (Termination Insensitive Mixers), т.е., не ухудшающие существенно IP3 при рассогласовании по портам IF/RF. Например, в патенте [47] мы можем прочесть следующее:

Class IV Termination Insensitive Mixers: This mixer circuit called TIM consists of a transmission line hybrid network driving two sets of diodes Isolation between each hybrid's opposite ports allows the LO to independently control the switching action of alternately conducting diode sets

 

Важно понимать, что не все смесители на диодах являются TIM, в то же время все смесители на интегральных ключах либо ПТ в режиме ключей являются TIM.

Попробуем синтезировать схему TIM исходя из описания. За основу возьмем топологию DRM (Рис.11А) и преобразуем ее к виду на Рис.11B.

Рис.11


К разветвителю (на схеме - прямоугольник с двумя стрелочками) предъявляются требования изоляции между выходными портами.

Реализация такого разветвителя может быть осуществлена различными средствами в зависимости от формы колебаний гетеродина и используемой элементарной базы.

 

На Рис.12А показан классический пассивный 180º разветвитель (гибрид) [20]. На его выходах сигнал будет в противофазе. Такой разветвитель может быть реализован и на ТДЛ (Рис.12В).

Рис.12


Другой вариант на Рис.12C известен в зарубежной литературе как Magic-T combiner-splitter [21]. В отличие от предыдущей схемы напряжения на его выходах синфазны.

Разветвитель сигнала гетеродина может быть так же реализован на активных элементах. Например, на Рис.12D используются каскады на ПТ с ОЗ – такое включение отличается очень хорошей развязкой вход-выход и повышенной широкополосностью за счет устранения эффекта Миллера.

Разветвитель может быть также построен по очень упрощенной схеме (Рис.12E). Такое возможно в случае если выходное сопротивление гетеродина очень низкое. Таким свойством обладает каскад Рис.12F [2].

В случае «цифрового» гетеродина схемы разветвителей упрощаются. На Рис.12G показан «цифровой» разветвитель с синфазным выходом, на Рис.12H – с парафазным.

 

На Рис.13 представлены две достаточно близкие практические схемы высокоуровневых TI-смесителей. В обеих схемах диоды закрыты полным напряжением гетеродина.

 

Схема (Рис.13А) представлена в [9]. Первоначально она была применена в Redifon (GR-345) mobile transceiver в 1965 году(!). LA7MI переработал схемотехнику под более современные компоненты. IP3 порядка +25..+30 dBm.

Рис.13


Схема Рис.13В - из патента [10]. IP3=+22 dBm при токе через диоды 18 mA (74ACT, 220 Ом).

Трансформатор Tr1 может быть выполнен на бинокле: левая обмотка мотается по центру сердечника (через два отверстия), а две другие обмотки мотается скруткой в два провода каждая на своей половине "бинокля".

В последнее время стали широко доступны подобранные сборки ПТ (quad-ring) и скоростные коммутаторы FST, ADG. Это позволило реализовывать ключевые пассивные смесители на новом качественном уровне.

 

Рис.14A поясняет принцип работы балансного смесителя на сборке ПТ SD8901 (Рис.14B), разработанного J.Makhinson, N6NWP [40]. Смеситель имеет параметр IP3=+40 dBm.

Рис.14


С.Макаркин, RX3AKT разработал ключевой смеситель на высокоскоростном коммутаторе ADG774 [39] по структурной схеме Рис.14А. Аналогичный смеситель на ADG774 применен UR3LMZ в трансивере SW2012 [38].

И.Усихин, RW3FY в [37] предложил смеситель на ADG774 с использованием ТДЛ (Рис.15) с IP3=+39 dBm @14MHz.

Рис.15


Схема, предложенная  в [36] (Рис.16А), использует ТДЛ, намотанный лентой из трех проводов виток к витку [32] (стр.150, рис.3.23).

Рис.16


Схема Рис.16B [36] использует балун конструкции C.Trask [41].

Схема Рис.16С [36] использует два ТДЛ для получения лучшей симметрии.


Интересная топология смесителя описана в патенте [18]. Смеситель задекларирован как «Broadband doubly balanced mixer having improved termination insensitivity characteristic», что в переводе означает: широкополосный двойной балансный, имеющий улучшенную нечувствительность к рассогласованию портов. Оригинальная схема смесителя из патента приведена на Рис.17.

 

Рис.17


Принцип действия смесителя понятен из Рис.18А. В смесителе можно использовать обычные трансформаторы вместо ТДЛ (Рис.18B).

 

Рис.18


Смеситель может быть реализован как с использованием интегральных ключей, так и с применением диодных ключей. В последнем случае схема приобретает вид, как на Рис.19.


Рис.19


Оригинальную схему, перекликающуюся с рассмотренной, предложил Г.Брагин, RZ4HK (Рис.20) в [19]. Т.к. ключи не только коммутируют фазы, но и замыкают их на землю, то это потребовало введения двух дополнительных трансформаторов на входе и выходе для симметрирования.


В случае если не требуется большая широкополосность, то трансформаторы на линиях вполне можно заменить на обычные трансформаторы, намотанные на кольцах или "биноклях". Схема смесителя упрощается и приобретает вид, как на Рис.21.

Рис.21


На Рис.22 представлена эквивалентная схема смесителя из патента [17].

Рис.22


В качестве ключей в патенте были использованы полевые транзисторы. Использование диодных ключей и цифрового гетеродина приводит нас к схеме на Рис.23.

Рис.23


Трансформатор Tr1 может быть реализован на "бинокле", либо разделен на два трансформатора.

 

     Белоконь А.Н., UR5FFR

     Одесса 2013


                                                                    (продолжение следует)

Категория: Все остальное | Добавил: Author (08.02.2013) | Автор: А.Н.Белоконь E
Просмотров: 5025 | Комментарии: 2 | Теги: пассивные смесители | Рейтинг: 3.7/3
Всего комментариев: 2
2  
Вопрос с форума http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?t=9701&page=18 - пост 479:
"Guanella balun - который приводится в статье на рис.6А,  применяется в последних трансиверах ICOM, в частности в качестве второго смесителя приемника.
Очень интересует информация о них - чем они отличаются по параметрам от обычных (4 диода+2штл) и как и на чем мотать эти балуны ?
Может у кого есть информация и опыт использования?"  - интересуется ra3qdp.

1  
Вторая часть статьи опубликована здесь: http://smham.ucoz.ru/publ/12-1-0-318

Администрация СМР.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Вторник, 21.11.2017, 18:20
Меню сайта
Категории раздела
Источники питания [20]
.....
Все остальное [71]
....
Измерения [22]
....
Вход на сайт

Поиск
Наш опрос
Какой раздел на сайте Вам неинтересен?
Всего ответов: 543
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Статистика

    Онлайн всего: 4
    Гостей: 4
    Пользователей: 0
    Copyright MyCorp © 2017