4. Преобразователи частоты

4.1. Общие сведения

Преобразователь частоты супергетеродинного приемника состоит из: 1)смесителя, на который подается принимаемый сигнал с частотой ; 2)гетеродина – местного маломощного генератора, напряжение которого с частотойизменяет один из параметров смесителя (чаще всего крутизну), в результате чего на выходе образуются комбинационные частоты; 3) полосового фильтра, выделяющего, полученную в результате нелинейного преобразования в смесителе промежуточную частотуи используемую для дальнейшей обработки в усилителе промежуточной частоты (рис. 4.1.).

(4.1)

где k, n=0, 1, 2… -гармоники гетеродина и сигнала.

Рис.4.1. Структурная схема преобразователя частоты:

См-смеситель; Г-гетеродин; Ф-фильтр.

По схемному построению различают преобразователи частоты с внутренним и внешним гетеродином.

По типу используемого нелинейного элемента в смесителе различают: 1)транзисторные преобразователи; 2)диодные преобразователи.

По количеству используемых нелинейных элементов в смесителе различают: 1) простые (одноэлементные); 2) балансные (два элемента); 3) кольцевые (четыре элемента).

Транзисторные преобразователи частоты преимущественное распространение получили на низких и умеренных частотах, а также в качестве второго преобразователя частоты в приёмниках СВЧ с двойным преобразованием.

В супергетеродинных приёмниках СВЧ чаще используются преобразователи частоты с внешним гетеродином и диодным смесителем.

Проектирование гетеродина (маломощного генератора) рассматривается в курсах радиопередающих устройств или, например, в [1].

Проектирование некоторых типов смесителей рассмотрено ниже.

4.2. Диодные балансные смесители

В современных радиоприемных устройствах СВЧ в большинстве случаев применяют диодные балансные смесители (БС). Основным их достоинством является способность подавлять шумы гетеродина на входе УПЧ и мощность гетеродина, просачивающуюся в антенну. Схема БС (рис. 4.2) включает два смесительных диода и СВЧ мост: квадратный или кольцевой

Рис. 4.2. Схема балансного диодного смесителя.

К двум плечам моста подключают смесительные диоды Д₁ и Д₂, а к двум другим подводят соответственно мощности сигнала и гетеродина. Работа БС основана на равном распределении мощностейимежду двумя диодами с определёнными фазовыми сдвигами, что обеспечивается с помощью СВЧ моста.

В схемах БС применяют подобранные пары разнополярных диодов с малым разбросом параметров в паре. Разнополярное включение диодов приводит к тому, что шум гетеродина оказывается подавленным непосредственно на общем выводе диодов по промежуточной частоте. При этом можно использовать обычную схему входной цепи УПЧ, как и с небалансным смесителем.

В БС используют как квадратурные (квадратные) СВЧ мосты, так и синфазно-противофазные (кольцевые). Первые позволяют создавать более компактные топологические схемы и конструкции, однако вторые имеют лучшую развязку между плечами моста.

Основными параметрами БС являются: потери преобразования ; шумовое отношение; выходное сопротивление; подавление шума гетеродинаи коэффициент шума смесителя.

Исходными данными при расчёте БС являются: параметры смесительных диодов и параметры СВЧ моста.

В качестве параметров диодов для инженерных расчетов можно использовать их паспортные данные, указанные в справочниках и в таблице 4.1. Типы корпусов смесительных диодов показаны на рис. 4.3.

Рис. 4.3.Типы корпусов металлокерамических(а),

стеклянных(б), бескорпусных (в) смесительных диодов.

Таблица 4.!

Тип диода	Тип корпуса	Длина волны, см	Потери , дБ	Шумовое число	Ом	, дБ	, мВт	, мВт
2А108А	рис.4.3а	10	5	2	500	6.5	1	50
3А111Б	рис.4.3а	3.2	5.5	1.3	400	7.0	3	50
АА112Б	рис.4.3б	3.2	6	1.3	500	7.0	3	20
АА113А	рис.4.3в	3.2	6	1.3	-	7.5	3	50

На рис. 4.3 показаны размеры соответственно корпусных металлокерамических (а), стеклянных (б) и бескорпусных (в) диодов.

На рис. 4.4 приведены топологии двухшлейфного квадратного (а) и кольцевого (б, в) СВЧ мостов. Основное их достоинство – хорошая развязка плеч моста 1 и 3, служащих для ввода напряжений сигнала и гетеродина.

Рис. 4.4. Топология двухшлейфового СВЧ моста:

а) квадратного; б),в) кольцевого.

Проектирование квадратного и кольцевого СВЧ мостов сводится к расчету параметров составляющих их МПЛ, а также КСВ , развязке между плечами, величины потерьи разбаланса амплитуди фаздля кольцевого моста.

При проектировании квадратного моста стороны квадрата берут равными . Если задано волновое сопротивление подводящих МПЛ, то волновое сопротивление сторон моста берут равными:

(4.2а) (4.2б)

Ширину МПЛ, составляющих квадрат вычисляют по формуле (3.22). КСВ , развязкуи потеримоста вычисляют по формулам [1]:

дБ , дБ

(4.3) (4.4) (4.5)

где и – полные потери в плечах исоответственно в Нп.

Потери мощности в МПЛ обусловлены потерями мощности в проводниках линии и в диэлектрике , т.е :

,

(4.6)

где потери выражены в децибелах или неперах (1Нп=8.68дБ).

Погонные потери проводимости оцениваются по формуле:

,

(4.7)

где и– волновое сопротивление и ширина проводника МПЛ соответственно,

–поверхностное сопротивление проводника вычисляется по формуле:

,

(4.8)

где – удельная проводимость проводника;

–толщина скин – слоя.

Величины инекоторых металлов приведены в таблице 4.2

Таблица 4.2

Металл	Медь	Алюминий	Серебро	Золото
,
,

Потери проводимости МПЛ, длиной , находится по формуле:

(4.9)

Погонные диэлектрические потери в подложке МПЛ рассчитываются по формуле:

,

(4.10)

где h и S - толщина подложки, и ширина проводника соответственно.

Диэлектрическая проницаемость и потеридля некоторых типов подложек приведены в таблице 2.3.

Диэлектрические потери МПЛ, длиной , определяются по формуле:

(4.11)

Полные потери находят по формуле(4.6).

При проектировании кольцевого моста длину средней окружности берут равной:

(4.12)

Расстояние между плечами моста и. Для согласования плеч моста волновое сопротивление подводящих линийи волновое сопротивление кольца должны находится в соотношении:

(4.13)

Ширину полоски кольца вычисляют по формуле (3.22). Параметры моста на средней частоте диапазона рассчитываются по формулам [1]:

, дБ , дБ , дБ

(4.14) (4.15) (4.16) (4.17)

где полные потери отрезка линии кольца, длинойв Нп.

, Нп

(4.18)

где и- погонные потери приводимости и в диэлектрике соответственно, находятся по формулам (4.7) и (4.10).

При расчете параметров БС предполагают, что нагрузка его входных плеч (вход сигнала и гетеродина) согласованы, а входной импеданс УПЧ с выходной емкостью БС настроены в резонансе, т.е. нагрузка БС по промежуточной частоте чисто активна. Длина волны вычисляются на средней частоте рабочего диапазона волн.

Считая, что диоды в БС подобраны в паре, в инженерных расчетах можно пользоваться приведенными ниже приближенными формулами.

Выходное сопротивление БС определяется по формуле:

,

(4.19)

где - выходное сопротивление смесительного диода.

Потери преобразования БС состоят из потерь преобразования в смесительном диоде и потерь моста

, дБ

(4.20)

Шумовое отношение , балансного смесителя можно считать равным шумовому числу диодат.е.:

(4.21)

Коэффициент шума в БС равен [1]:

,

(4.22)

где - потери в БС (разы).

Необходимая мощность гетеродина вычисляется по формуле:

,

(4.23)

где - потери моста (разы),- мощность гетеродина из справочных данных на диод.

Пример 4.1. Требуется рассчитать балансный смеситель на квадратном мосте (рис.4.4а).

Исходные данные: средняя несущая частота сигнала ; относительная полоса пропускания , коэффициент шумаШ_БС≤8 дБ; смеситель должен быть разработан на МПЛ; волновое сопротивление проводящих линий ; промежуточная частота.

1. Принципиальная электрическая схема БС приведена на рис. 4.2.

Выбираем подложку из поликора (,) толщиной.

Для проводников применяем золото .

2. Выбираем смесительные диоды с барьером Шотки типаАА112Б. По таблице 4.1 находим дБ;;Ом.

3. Расчет начинаем с проектирования СВЧ моста.

Определяем волновое сопротивление для основной линии:

для шлейфов:

Ширина полоски основной линии и шлейфа(3.22):

мм

мм

Эффективная диэлектрическая проницаемость (2.9):

Для основной линии ; для шлейфов.

Длину четвертьволновых отрезков основной линии и шлейфов(рис. 4.4а) находим по формуле:

,

где - длина волны в воздухе: см

мм; мм

4. Рассчитаем потери моста, для чего вычислим потери проводимости и диэлектрические потери в основной линии и шлейфах моста.

Толщина скин-слоя в проводниках:

мкм.

Поверхностное сопротивление проводника:

Ом

Погонные потери проводимости находим по формуле (4.7) для основной линии и шлейфов соответственно:

.

Потери проводимости отрезка основной линии и шлейфа соответственно:

.

Погонные диэлектрические потери в подложке МПЛ рассчитываются по формуле (4.10). После вычислений погонные потери основной линии и шлейфа равны соответственно:

Диэлектрические потери в основной линии и шлейфе:

дБ

дБ

Полные потери основной линии и шлейфа находит по формуле (4.6):

Нп.

Нп.

Потери моста , развязка изолированного плеча, КСВ входных плеч мостарассчитываются по формулам (4.3-4.5):

.

.

На этом проектирование квадратного моста можно считать законченным.

5. Выходное сопротивление БС определяем по формуле (4.19):

Ом.

5. Потери преобразования БС равны (4.20):

дБ.

5. Коэффициент шума БС рассчитываем по формуле (4.22):

где - шумовое число диода,- потери БС (разы).

5. Необходимая мощность гетеродина равна (4.23):

мВт.

Частота гетеродина: МГц.

После расчетов можно приступить к разработке топологической схемы БС (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Топологическая схема балансного диодного

смесителя на квадратном мосте.

В схему БС необходимо добавить короткозамкнутый шлейф, длиной , для замыкания постоянной составляющей токов диодов и высокочастотные дроссели, шлейфы длинойдля блокировки токов СВЧ на входе УПЧ.

Пример 4.2. Требуется рассчитать балансный смеситель на кольцевом мосте (рис.4.4б,в).

Исходные данные: средняя несущая частота сигнала ; относительная полоса пропускания; коэффициент шумаШ_БС≤8 дБ; развязка между сигналом и гетеродином не менее 30 дБ; волновое сопротивление подводящих линий ; промежуточная частота .

1. Принципиальная электрическая схема смесителя приведена на рис. 4.2.

Выбираем подложку из поликора (;), толщиной.

Для проводников применим алюминий .

2. Выбираем смесительный диод АА113А. По таблице 4.1 находим: дБ;;дБ;мВт.

3. Расчет начинаем с проектирования кольцевого моста.

Определим волновое сопротивление кольца по формуле (4.13):

Ом.

Ширину проводника кольца определим по формуле (3.22):

мм.

Эффективную диэлектрическую проницаемость находим по формуле (2.9):

Эффективная длина волны в линии:

см.

Диаметр средней окружности кольца:

см.

Расстояние между плечами моста (4.4б):

см.

см.

4. Рассчитаем потери в плечах моста.

Определим в начале потери проводимости. Из таблицы 4.2 находим толщину скин-слоя в полоске:

мкм.

Поверхностное сопротивление проводника:

Ом.

Погонные потери проводимости определяем по формуле (4.7):

Погонные диэлектрические потери в подложке МПЛ находим по формуле (4.10):

Полные потери отрезка линии кольца, длиной :

Нп.

5. По формулам (4.14)-(4.16) находим:

потери кольцевого моста

дБ.

развязка плеч моста

дБ.

коэффициент стоячей волны

разбаланс амплитуд

На этом проектирования кольцевого моста можно считать законченным.

6. Выходное сопротивление БС определяем по формуле (4.19):

Ом.

7. Потери преобразования БС равны (4.20):

дБ.

8. Коэффициент шума БС рассчитываем по формуле (4.22):

,

где - шумовое число диода,- потери БС в разах.

9. Необходимая мощность гетеродина равна (4.23):

мВт.

Частота гетеродина: МГц.

Топология БС смесителя на кольцевом мосте показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Топологическая схема балансного диодного

смесителя на кольцевом мосте.

Разомкнутые четвертьволновые шлейфы используются в качестве высокочастотных дросселей на выходе смесителя. Вход сигнала и вход гетеродина можно поменять местами, однако при этом полярность включения одного из диодов нужно изменить на обратную.