266

На рис.17.7 показаны некоторые типовые схемы НБС с двухшлейфными согласующими трансформаторами и ФНЧ на выходе ПЧ (направленные ответвители на рисунке не показаны). На рис.17.7,а,б согласование осуществляется с помощью разомкнутого и короткозамкнутого параллельных шлейфов длиной lш, на рис.17.7,в – с помощью четвертьволнового трансформатора и последовательного шлейфа, включенного после диода.

При выборе схемы согласования необходимо учитывать, что разомкнутый шлейф предпочтительней чем короткозамкнутый, потому что, во-первых, он проще конструктивно и, во-вторых, его удобнее использовать как подстроечный элемент для оптимизации согласования при наличии отклонения параметров диодов.

При разработке микроэлектронных устройств важными становятся вопросы оптимального использования рабочей площади и размещения элементов СВЧ тракта на подложке ГИС, пример топологической схемы НБС с экономным использованием поверхности показан на рис.17.7,б .

Характеристики смесителей заметно улучшаются при подавлении сигналов зеркального канала. К таким сигналам относятся: внешние сигналы с часто-

той ωЗ и комбинационные составляющие, образующиеся в процессе преобразования частот. Подавление внешних сигналов частоты ωЗЧ позволяет улучшить селективность приемников, подавление комбинационных составляющих уменьшает потери преобразования и снижает уровень паразитного излучения гетеродина. Существует два принципиально разных способа подавления ЗЧ: первый способ – использование узкополосного преселектора; второй – использование схем с фазовым подавлением сигнала ЗЧ. На рис.17.7,г показана схема микрополоскового НБС с подавлением сигнала ЗЧ с помощью селективной цепи. На схеме обозначены: 1 – фильтр связи с гетеродином, 2 – смесительный диод, 3 – четвертьволновый шлейф, настроенный на частоту сигнала, 4 – фильтр зеркального канала, 5 – согласованная нагрузка для зеркальной частоты. Недостаток схемы – ее узкополосность. Кроме того, при небольшой разнице между ωС и ωЗ (при низкой ПЧ) необходимо использовать высокодобротные фильтры с малыми потерями, трудно реализуемые в интегральном исполнении.

17.5. Балансные смесители

Главным недостатком НБС является перенос амплитудных шумов гетеродина на сигнал промежуточной частоты. Это приводит к значительному возрастанию kш, особенно при низких значениях ПЧ, или в высокочастотной части диапазона СВЧ, когда шумы гетеродинов существенно увеличиваются. Из-за этого в НБС коэффициент шума может достигать kш ~ 10–15 дБ. Этого недо-

статка лишены балансные смесители (БС).

268

ного сигнала и гетеродина между диодами с заданными фазовыми соотношениями, а также обеспечивает максимальную развязку между входами сигнала и гетеродина. На рис.17.9,а показана упрощенная конструкция и эквивалентная схема БС на щелевом волноводном мосте (ЩМ). Он состоит из двух смесительных секций с диодами VD1 и VD2, к которым через щелевой мост подводят колебания сигнала РС и гетеродина РГ. Если начальные фазы этих колебаний на входе ЩМ равны нулю, то благодаря квадратурным свойствам ЩМ на диод VD1 поступает напряжение

u1C =UC cos(ωCt) і u1Г =UГ cos(ωГt − π2) ,

а на диод VD2 –

u2С =UС cos(ωСt − π2) і u2Г =UГ cos(ωГt) .

Диоды включены в противоположных направлениях, потому через нагрузку R0 течет разностный ток іПЧ с частотой ωПЧ = ωС − ωГ . При в ыполне-

нии условий симметрии схемы iПЧ = 2IПЧ sin(ωС − ωГ )t , то есть токи полезных сигналов суммируются в нагрузке синфазно.

Шумы гетеродина, которые существуют в полосе частот сигнала ωС и зеркального канала ωЗК имеют вид

uшС =Uш cos[(ωС −ωПЧ )t −ϕш ] і uшГ =Uш cos[(ωГ −ωПЧ )t +ϕш ].

Прием шумов гетеродина в полосе сигнала создает шумовой ток

iшС = i1ш −i2ш = IшС[cos(ωПЧt −ϕш ) −cos(ωПЧt −ϕш ) = 0 .

Таким образом, компоненты шума гетеродина в полосе сигнала взаимно компенсируются. Аналогичным образом компенсируются и шумы гетеродина в полосе зеркального канала. В реальном БС из-за разбаланса схемы шумы гетеродина подавляются на 15 – 30 дБ. Для эффективной работы балансных смесителей необходимо, чтобы подобранные в пары диоды были максимально одинаковыми по своим электрическими параметрами.

На рис.17.9,б показана электрическая схема БС на двойном Т-мосте (ТМ), который в отличие от ЩМ обеспечивает значительно большую развязку сигнального и гетеродинного входов (до 40 – 50 дБ). При однополярном включении диодов радиосигнал, подводимый в Е-плечо, разделяется между боковыми плечами 1 и 2 в противофазе, поэтому, если после детектора VD1 фаза сигнала ПЧ равняется φ1ПЧ = ωt, то после детектора VD2 – φ2ПЧ = ωt–π. Эти сигналы в выходном трансформаторе WТ будут складываться друг с другом в фазе. Шумы гетеродина, который подключен к Н-плечу, разделяется в плечи 1 и 2 синфазно, созданные сигналы помехи на ПЧ после детекторов VD1 і VD2 также будут синфазны и в трансформаторе будут вычитаться друг из друга. Если диоды имеют малые относительные отклонения параметров, то составляющая шума на выходе смесителя, обусловленная шумами гетеродина, будет практически равна ну-

269

лю. При разнополярном включении диодов необходимость использования трансформатора для сложения сигналов отсутствует.

Рис.17.10. Балансные смесители на микрополосковых линиях:

а – принципиальная схема; б – топологическая схема; в – с повышенной развязкой; г – с ПЧ в СВЧ диапазоне; д - с режимом холостого хода на ЗЧ; е – с режимом короткого замыкания на ЗЧ

Примеры типичных конструкций микрополосковых БС показаны на рис.17.10. На рис.17.10,а изображена упрощенная электрическая схема БС на квадратурном двухшлейфном мосте, конструкция и принципы ее работы такие же самые как у БС на ЩМ (рис .17.9,а). Двухшлейфные НО обеспечивают развязку каналов сигнала и гетеродина не меньше чем 20 дБ при КСВ < 1,5 в полосе ~10%. На рис.17.10,б показана топологическая схема балансного смесителя на базе трехшлейфного моста. Применение трехшлейфных гибридных ответвителей позволяет расширить рабочий диапазон смесителя до 20% и больше. Потери преобразования этих схем Lпр ~ 6 – 8 дБ. Приблизительно такую же самую полосу обеспечивает гибридное кольцо, но при большем КСВ. Если ПЧ находится в диапазоне СВЧ, применяют смесители с разомкнутыми четвертьволновыми шлейфами для закорачивания сигналов ПЧ, как это показано на рис.17.10,г. Смесители такого типа имеют ПЧ 1–2 ГГц, полосу пропускания 1 ГГц на уровне 1 дБ, коэффициент шума 5–6 дБ.