17. Преобразователи частоты

257

балансные или двухтактные (англ. – single-balanced (SB)) и двойные балансные

или кольцевые (англ. – double-balanced (DB)) смесители. Смесители могут быть созданы на базе разнообразных линий передачи: волноводов, коаксиальных, полосковых и микрополосковых линий.

В радиотехнике СВЧ диапазона распространены диодные смесители, преобразовательными элементами которых являются обращенные тунельные диоды (ОТД), варикапы, точечно-контактные диоды (ТКД) и диоды с барьером Шоттки (ДБШ). ДБШ имеют более высокие электрическую и механическую прочности, повторяемость параметров, более крутую ВАХ и меньший коэффициент шума (на 2–5 дБ) в сравнении с ТКД. Однако ДБШ, в свою очередь, требуют большую мощность гетеродина, чем ТКД. ОТД, в которых используют обратную ветвь ВАХ, характеризуются высокой крутизной характеристики вблизи нуля координат, что позволяет использовать их при малой мощности гетеродина (РГ ~ 0,1–0,2 мВт). Кроме того, важным преимуществом обращенных диодов является низкий уровень фликер-шумов, мощность которых обратно пропорциональна частоте, что имеет существенное значение при конструировании смесителей с низким значением ПЧ.

17.2. Преобразование частот в смесителе

Упрощенная эквивалентная схема смесительного диода имеет вид (рис.17.2). Полезным элементом для работы смесителя есть нелинейная прово-

λ ≤ 2 −3 см можно пренебречь влиянием нелинейной емкости диода C(u) и сопротивлением потерь Rв. В результате чего смесительный диод можно представить в виде нелинейной проводимости g(u) и емкости C(t), которые изменяются под воздействием напряжения гетеродина.

258

(рис.17.3) присутствуют: постоянная составляющая I0; гармоники гетеродина ωГ и сигнала ωС ; а также многочисленные комбинационные составляющие с

частотами ω = ±mωС ± тωГ , где m и n – целые числа. В отличие от детекторно-

го диода, рабочая точка которого при отсутствии сигнала выбирается на ВАХ в начале координат ( I0 = 0 ), или при I0 ≈10 − 20 мкА за счет источника прямого

смещения, у смесительного диода I0 ≈ 0,5 −1мА за счет выпрямленного напряжения гетеродина. При в ыполнении условия uС << uГ ≈1 В смеситель осу-

ществляет линейное преобразование спектра сигнала.

На выходе смесителя фильтр выделяет основной продукт преобразования

– разностную (промежуточную) частоту ωПЧ = ωС − ωГ , или ωПЧ = ωГ − ωС ,

которая должна быть достаточно высокой для снижения влияния шумов. Смесители с преобразованием первого типа (ωC > ωГ ) называют смесителями с

верхней боковой полосой (англ. – upper sideband), потому что они принимают полосу частот сигнала, расположенную выше частоты гетеродина. В другом случае, если ωС < ωГ – идет речь о смесителе с нижней боковой полосой (англ. –

lower sideband).

Кроме разностной частоты в резистивных смесителях приблизительно такую же самую амплитуду имеют колебания суммарной частоты (СЧ)

ωСЧ = ωС + ωГ .

Наряду с эффектом прямого преобразования частоты в диодных смесителях наблюдается также и эффект обратного преобразования. Напряжение ПЧ (ωПЧ = ωС − ωГ ), появляющееся на выходе смесителя взаимодействует с напря-

жением гетеродина, что приводит к образованию на входе смесителя напряжения с частотой сигнала ωС = ωГ + ωПЧ . Эффект обратного преобразования обу-

словлен наличием сильной обратной связи в смесителе, потому что он является взаимным устройством и канализирует энергию в обоих направлениях.

Кроме того, в диодных смесителях присутствует эффект вторичного преобразования. При действии на выходе смесителя напряжения ПЧ возможно появление на входе смесителя так называемой зеркальной частоты (ЗЧ; англ. – image frequency) ωЗЧ = ωГ − ωПЧ . Возникновение колебаний зеркальной часто-

ты возможно, также в результате взаимодействия между напряжением сигнала и второй гармоникой гетеродина ωЗЧ = 2ωГ − ωС . Амплитуда этих колебаний

ЗЧ несколько ниже, потому что вторая гармоника гетеродина, возникающая в смесителе, приблизительно в 2 раза (на 3 −5 дБ) меньше по амплитуде, чем первая.

Комбинационные частоты ωСЧ и ωЗЧ являются нежелательными, паразитными продуктами преобразования, потому что на их создание затрачивается часть полезной мощности сигнала РС. Из всех комбинационных частот наибольший вклад в потери преобразования вносит зеркальная частота, поэтому СВЧ смеситель рассматривают как шестиполюсник, с тремя парами полюсов для ωС, ωЗ и ωПЧ, подключенными к соответствующим нагрузкам. При этом

259

гетеродин и цепь постоянного тока считают составляющими частями смесителя. Если условия согласования на ωС и ωЗ практически одинаковы, смесители называют широкополосными, в противоположном случае – узкополосными.

17.3. Основные параметры смесителей

Коэффициент преобразования или передачи (англ. – conversion factor) –

отношение амплитуд сигналов на выходе и входе смесителя

где UC – напряжение сигнала на входе; UПЧ – напряжение ПЧ на выходе сме-

сителя.

Коэффициент преобразования (передачи) по мощности – отношение мощностей сигналов на выходе и входе смесителя

де PC – мощность сигнала на входе; PПЧ – мощность ПЧ на выходе смесителя.

Потери преобразования (англ. – conversion loss) – величина обратная коэффициенту преобразования по мощности, выраженная в децибелах

В потери преобразования смесителя входят потери на отражение на входе и выходе, потери в диоде, потери в пассивных элементах смесителя, потери за счет просачивания сигнала в тракт гетеродина. С учетом потерь в активном сопротивлении диода и просачивания сигнала в тракт гетеродина суммарные потери могут достигать 8 – 10 дБ. В сантиметровом диапазоне типичными являются потери преобразования – 3 − 7дБ; в миллиметровом – 5–10 дБ.

Коэффициент шума (англ. – noise factor), отношение сигнал/шум на входе и выходе смесителя

Коэффициент шума преобразователя частоты учитывает коэффициент шума диода, потери преобразования и коэффициент шума УПЧ.

Современные смесители имеют коэффициент шума в пределах от 4–9 дБ в сантиметровом до 7–12 дБ в миллиметровом диапазонах волн. Коэффициент шума пассивных смесителей численно равен потерям преобразования. Коэффициент шума активных смесителей зависит от конфигурации схемы и типов используемых в ней элементов. Собственные шумы смесителей на диодах Шоттки не превышают значения 0,5 дБ, поэтому часто не учитываются. Шумы гетеродина на частоте сигнала с подавлением зеркального канала ~3 дБ.

260

Нормированный коэффициент шума (часто представляемый в специфи-

кациях) KШ НОРМ определяется при kшУПЧ = 2 или KшУПЧ =1,5 дБ. В сантиметровом диапазоне для смесителей на ДБШ типичными являются значения

Kш норм. = 5 − 9 дБ при fПЧ >10 МГц.

Относительная шумовая температура Tш или шумовое отношение пре-

образователя равна отношению мощности шумов на входе смесителя и мощности тепловых шумов на входном сопротивлении при температуре окружающей среды T0=293 К

де Pш вых – мощность шумов смесителя на ПЧ в полосе частот ∆fПЧ ; ∆fУПЧ – эквивалентная шумовая полоса пропускания УПЧ, k = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана. Типовое значение относительной шумовой температуры смесителей СВЧ диапазона – Tш = 0,5 −1,5 .

Выходное сопротивление Rвых – активная составляющая сопротивления

диода на ПЧ, обычно Rвых =150 − 700Ом.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность – уровень мощности при превышении, которого возможно ухудшение параметров или даже выгорание выпрямляющего контакта. В сантиметровом диапазоне допустимая мощность диодных смесителей в непрерывном режиме составляет

Pmax = 20 −50 мВт, в импульсном – Pmax =100 −500мВт.

Коэффициент подавления сигнала зеркальной частоте – отношение мощностей сигналов ПЧ и зеркальной частоты PЗЧ на выходе смесителя

Для маломощных сигналов (PС < 0,1 мВт) смеситель можно считать линейным устройством, то есть амплитудно-частотные спектры входного и выходного сигналов практически не отличаются, при этом коэффициент передачи смесителя не зависит от мощности сигнала PС. При PС ≥ 0,1–1 мВт амплитудная характеристика становится нелинейной, коэффициент преобразования уменьшается.

Максимальную мощность входного сигнала, при которой коэффициент преобразования уменьшается в заданное число раз (чаще всего, на 1 дБ) в сравнении с его величиной при малых сигналах, называют мощностью насыщения

Рнас.

Отношение мощности насыщения Рнас и чувствительности приемника Рпор характеризует динамический диапазон входных сигналов, соответствующий линейному участку амплитудной характеристики смесителя, который определяют в виде