Романюк_Приемопередающие_устройства

ложить в ряд Тэйлора для малого сигнала, ограничиваясь линейным членом. Однако про-

Функцию g(t) можно разложить в ряд Фурье:

Подставив (12.3) в (12.2), заметим, что в выходном токе имеется составляющая, про-

порциональная произведению cos гt cos ct . В данном случае выходной спектр смесителя содержит частоты nfг ± fc, где n = 1, 2, 3, … Число спектральных составляющих при малом сигнале существенно меньше, чем в предыдущем случае.

12.3.Состав смесителя частот, его параметры

ихарактеристики

Обязательной частью смесителя частот является нелинейный элемент - диод или тран-

зистор. Смеситель обычно выполняют в виде стандартизированной микросхемы, рассчи-

танной на источники напряжений гетеродина и сигнала, имеющие внутреннее сопротив-

ление R = 50 Ом, и нагруженной на стандартное сопротивление, так же равное 50 Ом.

Входные сопротивления нелинейного элемента для напряжений сигнала и гетеродина и его оптимальное выходное сопротивление отличаются от стандартной величины. Поэтому

всостав смесителя входят три линейные цепи:

1)входная цепь согласования и фильтрации напряжения радиосигнала (RF - Radio Frequency);

2)входная цепь согласования и фильтрации напряжения гетеродина (LO - Local Oscillator);

3)выходная цепь согласования и фильтрации напряжения промежуточной частоты (IF

- Intermediate Frequence).

Структурная схема смесителя частоты показана на рис.12.2.

91

Рис.12.2. Структурная схема смесителя частот

Входная цепь RF преобразует входное сопротивление нелинейного элемента на часто-

те fc в сопротивление R. Входная цепь LO преобразует входное сопротивление нелинейно-

го элемента на частоте fг в сопротивление R. Выходная цепь RF преобразует сопротивле-

ние нагрузки R на частоте fпр в сопротивление на выходе нелинейного элемента,

обеспечивающее оптимальный режим его работы.

Для оценки качества смесителей применяют следующие параметры:

колебаний промежуточной частоты; Pc - мощность входных колебаний частоты сигнала,

для активных смесителей его называют усилением преобразования;

• развязки между портами (входами и выходом) смесителя:

ном входе смесителя;

•мощность нежелательных спектральных составляющих на выходе;

•входная мощность гетеродина Pг ;

92

•рабочая полоса частот f 3 дБ - диапазон входных частот (сигнала или гетеродина),

впределах которого коэффициент передачи мощности K P не падает больше, чем на 3 дБ

относительно максимального значения;

•коэффициент шума N;

•линейность амплитудной характеристики - оценивается максимальной мощностью

входного сигнала P , соответствующей уменьшению выходной мощности промежуточ-

1 дБ

ной частоты на 1 дБ относительно ожидаемого значения (при идеальной линейности);

• неравномерность коэффициента усиления мощности в пределах полосы пропускания

KP max KP min , где KP max , KP min - максимальное и минимальное значение K P .

KP max KP min

Перечислим основные характеристики смесителя:

• амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость K P от частоты входных колебаний (сигнала или гетеродина);

• амплитудная характеристика - зависимость выходной мощности промежуточной частоты Pпр от входной мощности сигнала Pc ;

• зависимость K P от входной мощности гетеродина Pг ;

• спектр выходной мощности при определенных частотах входных колебаний.

12.4. Пассивные смесители частот

Если в качестве нелинейного элемента смесителя применяют диод (обычно диод Шоттки), в котором используется его нелинейная ВАХ, то коэффициент передачи мощно-

сти смесителя KР < 0 дБ. Такие смесители называют пассивными, а коэффициент, равный

1/KР называют потерями преобразования.

Простейший пассивный смеситель частот содержит диод, сумматор мощности, вход-

ную и выходную цепи согласования и фильтрации (рис.12.3).

Рис.12.3. Функциональная схема смесителя СВЧ на одном диоде

93

На рис.12.3 сумматором мощности сигнала гетеродина служит мост Уилкинсона. Для разделения цепей постоянного и переменного токов применены разделительные емкости

Ср и блокировочные индуктивности Lбл. Внутренне сопротивление источников и сопро-

тивление нагрузки R стандартны и равны 50 Ом.

Потери преобразования для однодиодного смесителя составляет обычно 6 - 9 дБ. Недос-

татками смесителя на одном диоде являются обилие нежелательных спектральных состав-

ляющих на выходе и повышенный уровень шума.

Типичный спектр выходной мощности смесителя на одном диоде показан на рис.12.4.

Спектр рассчитан для смесителя при частоте сигнала 5 ГГц, частоте гетеродина 6 ГГц и промежуточной частоте 1 ГГц. Мощность сигнала составляла 0 дБм, мощность гетеродина

10 дБм.

Рис.12.4. Выходной спектр смесителя частот на одном диоде

Высокий уровень шума смесителя объясняется преобразованием шумов мощного ге-

теродина в шумы промежуточной частоты. Для уменьшения числа спектральных состав-

ляющих на выходе и уменьшения шума применяют балансные схемы.

12.5.Балансный смеситель частот

Вбалансных смесителях имеются два нелинейных элемента (например, диода). Осо-

бенности построения балансных смесителей следующие:

•колебания напряжения гетеродина подводятся к обоим диодам в одинаковых фазах;

•колебания напряжений радиосигнала на диодах противофазны;

•токи обоих диодов протекают через нагрузку в противоположных направлениях.

94

Для создания балансного смесителя требуется устройство, имеющее два входных пор-

та для подвода напряжений сигнала и гетеродина. Кроме того, должны быть два выход-

ных порта, колебания на которых противофазны. Таким устройством может быть кольце-

вой направленный ответвитель (гибридное кольцо), имеющий 4 порта. Функциональная схема диодного балансного смесителя частот приведена на рис.12.5.

На порт 1 гибридного кольца поступает напряжение сигнала. Мощность сигнала де-

лится пополам между портами 2 и 4. Напряжение сигнала на этих портах противофазны.

Мощность гетеродина поступает на порт 3 и делится пополам между портами 2 и 4. На-

пряжения гетеродина на портах 2 и 4 синфазны.

Размеры гибридного кольца и входные цепи рассчитываются на среднюю частоту

0,5(fc + fг). Емкости Ср - разделительные, емкости Сбл и индуктивности Lбл - блокировоч-

ные. Емкости Сбл служат для протекания токов высоких частот, в то время как токи про-

межуточной частоты протекают через переднюю обмотку выходного трансформатора.

Индуктивности Lбл нужны для замыкания цепей постоянного тока, протекающего через диоды. Оптимальное сопротивление на выходах диодов обеспечиваются выбором необхо-

димого коэффициента трансформации выходного трансформатора.

Получим выражение для выходного тока смесителя, полагая, что на диоды поданы напряжения

где u1 (t) , u2 (t) - напряжение на первом и втором диоде соответственно. Постоянное напря-

жение на диодах равно 0.

95

Разложим ВАХ каждого диода в ряд Маклорэна. Ограничиваясь квадратичным чле-

ном ряда, запишем выражение для тока диодов:

i1 i(0) S(uг uс ) 12 dSdu (uг2 2uг uс uс2 ) ;

i2 i(0) S(uг uс ) 12 dSdu (uг2 2uг uс uс2 ) ,

где S i (производная взята в точке нулевого напряжения).

u

выходной мощности балансного смесителя при тех же частотах и мощностях, что и сме-

ситель на одном диоде, показан на рис.12.6.

Рис.12.6. Выходной спектр балансного смесителя

Сравнение рис.12.4 и 12.6 показывает, что спектр мощности балансного смесителя со-

держит существенно меньше побочных составляющих, чем смеситель на одном диоде.

Преимущество балансного смесителя частоты состоит в подавлении частоты гетеродина в выходном спектре мощности. Поскольку в выходном токе колебания частоты гетеродина вычитаются, то, соответственно, уменьшается шум смесителя, обусловленный шумом ге-

теродина.

12.6. Двойной балансный смеситель

Аппроксимация ВАХ диода, использованная в предыдущих разделах, довольно гру-

бая. В реальных балансных смесителях в выходном спектре содержится больше состав-

ляющих, чем показано на рис.12.6. Для уменьшения числа спектральных составляющих применяют двойные балансные смесители.

96

В обычном балансном смесителе (см. рис.12.5) токи протекают через выходной кон-

тур только при открывании диодов, т.е. в течение положительных полуволн напряжений.

Если добавить еще два диода, как показано на рис.12.7, то ток через нагрузку диодов бу-

дет протекать в течение всего периода напряжений.

Рис.12.7. Упрощенная схема двойного балансного смесителя

Если в простом балансном смесителе выходной ток равен i1 – i2, то в двойном балансном смесителе iвых = (i1 – i2) + (i3 – i4), где i3 и i4 токи дополнительных диодов D3 и D4. Как видно из рис.12.7, напряжения на диодах следующие

u1 uг uс , u2 uг uс , u3 uг uс , u4 uг uс.

Детальный анализ показывает, что при аппроксимации ВАХ диода кубическим поли-

номом в выходном спектре содержатся только две частоты fc fг и fc fг . Нетрудно заме-

тить, что в схеме на рис.12.7 диоды D1 D4 образуют кольцо, поэтому схему двойного ба-

лансного смесителя выполняют в виде, показанном на рис.12.8, и называют кольцевым смесителем частот.

97

Входные цепи преобразуют сопротивления в точках А и B в сопротивление 50 Ом, на которое должны быть нагружены порты 2 и 4 гибридного кольца.

12.7. Активные смесители частот

Входной радиосигнал приемника может быть очень слабым. Желательно, чтобы в смесителе его мощность не уменьшалась. Для этого смеситель должен быть активным, т.е.

его коэффициент передачи мощности KP > 0 дБ. В этом случае коэффициент KP называют усилением преобразования. Активные смесители выполняют на транзисторах.

В диапазоне СВЧ применяют полевые транзисторы с барьером Шоттки или с гетеропере-

ходом.

Возможность преобразования частоты в транзисторных схемах объясняется нелиней-

ностью зависимости тока стока от напряжения на затворе uз и стоке uc при заземленном истоке. Семейство переходных ВАХ полевого транзистора изображено на рис.12.9, пара-

метром характеристик является напряжение на стоке uc. Эффект преобразования наблюда-

ется в случае, когда напряжение на затворе в течение периода колебаний падает ниже на-

пряжения отсечки.

Рис.12.9. Семейство переходных характеристик полевого транзистора СВЧ

Схемы транзисторных смесителей можно разделить на три группы в зависимости от того, как на транзистор подается напряжение сигнала и гетеродина:

1) напряжения сигнала и гетеродина подводятся к промежутку затвор - исток транзи-

стора;

2) одно из напряжений подводится к входному электроду транзистора, другое - к вы-

ходному;

3) частота колебаний напряжения гетеродина в два раза ниже стандартных требова-

ний.

98

Смесители на одном транзисторе, в котором напряжения сигнала гетеродина по-

даны на вход транзистора. В простейшем случае одно из напряжений подводится к за-

твору транзистора, а другое к истоку. На рис.12.10 показана функциональная схема смеси-

теля, в котором на затвор подано напряжение сигнала, а на исток - напряжение гетеродина. Индуктивность в истоке, не препятствуя протеканию постоянного тока, слу-

жит нагрузкой для колебаний гетеродина. Напряжение затвор - исток равно сумме напря-

жений сигнала и гетеродина. Благодаря нелинейности переходной характеристики в токе стока появляется составляющая промежуточной частоты, которая выделяется выходной цепью смесителя.

Смеситель, в котором одно из колебаний подводится к входному, а другое - к вы-

ходному электроду транзистора. На рис.12.11 показана схема смесителя, в котором на-

пряжение гетеродина подается на затвор транзистора, а напряжение сигнала - на сток. На-

пряжение промежуточной частоты смесителя снимается со стока, поэтому необходим фильтр, разделяющий колебания частот fc и fпр.

Рис.12.11. Схема смесителя с диплексером

99

Подобный фильтр называется «диплексер». Он представляет собой комбинацию фильтра верхних частот, пропускающего мощность колебаний от источника сигнала к транзистору, и фильтра нижних частот, пропускающего мощность колебаний промежу-

точной частоты в нагрузку. Возможная схема диплексера показана на рис.12.12.

Рис.12.12. Электрическая схема диплексера

В схеме смесителя, показанной на рис.12.11, промежуточная частота в спектре тока стока появляется за счет нелинейной зависимости тока стока от двух напряжений: затвор -

исток и сток - исток, показанной на рис.12.9.

Смеситель частот, работающий на второй гармонике гетеродина. При разработке смесителя на достаточно высокие частоты бывает целесообразно создавать гетеродин,

частота колебаний напряжения которого вдвое меньше обычно требуемой. В этом случае промежуточная частота fпр = fc – 2fг, т.е для создания колебаний промежуточной частоты используется 2-я гармоника гетеродина. В таких смесителях из-за большей разницы час-

тот источников гетеродина и сигнала уменьшается уровень шума смесителя.

При подведении к затвору транзистора двух напряжений с частотами fc и fг в спектре тока стока, наряду с другими составляющими, появляется частота fc – 2fг. Однако непо-

средственное использование этой частоты для создания смесителя в коротковолновой час-

ти диапазона СВЧ невыгодно, поскольку коэффициент передачи мощности оказывается мал, смеситель становится пассивным. Для смесителей с уменьшенной частотой гетеро-

дина требуется создание специальных схем.

В простейшем случае можно воспользоваться обычной схемой транзисторного смеси-

теля, но напряжение гетеродина подавать через удвоитель частоты (рис.12.13). Эта схема подобна показанной на рис.12.10, отличие ее в том, что на нагрузочную индуктивность поступает напряжение частотой 2fг. Удвоитель частоты практически не уменьшает мощности гетеродина, и данный смеситель обеспечивает усиление преобра-

зования, т.е. KP > 0 дБ.

100