7.4Однодиодные смесители

Структурная схема однодиодного смесителя показана на рис. 7.3. Однодиодный смеситель, хотя и вносит затухание в преобразованный сигнал, но способен обеспечить развязку предварительных и последующих каскадов. В нем гетеродин, а также выход малошумящего усилителя и предварительный усилитель преобразованных сигналов (сигналов ПЧ) подключаются к смесительному диоду — нелинейному двухполюснику — только через высококачественные индуктивно-емкостные фильтры.

Как видно из ранее приведенных частотных соотношений, на выходе смесителя появляется большое количество сигналов комбинационных частот (гармоник). Кроме того, наряду с необходимыми разностными гармоническими составляющими сигналами, у однодиодных смесителей появляются сигналы от эффекта обратного преобразования, т.е. когда сигнал ПЧ частотой ωпч=ωс, - ωг выхода смесителя вновь взаимодействует с напряжение к образованию на входе смесителя сигнала частотой способного повторно взаимодействовать с сигналом гетеродина. Эффект обратного преобразования обусловлен наличием в однодиодном смесителе сильной обратной связи, которая распределяет энергию в обоих направлениях — как на вход, так и на выход.

И еще, у диодных смесителей существует эффект вторичного преобразования частоты, что приводит к появлению "зеркальной" частоты

ω3=ωг, - ωпч

Она зеркально отражает частоту сигнала относительно частоты гетеродина, который выполняется здесь неперестраиваемым. Зеркальная частота отражается от входных заграждающих фильтров обратно в смеситель и взаимодействует с сигналом гетеродина. Если снова образовавшаяся результирующая частота ωпч=ω3, - ωг совпадает по фазе с ПЧ, получаемой как ω3=ωг, - ωпч „то коэффициент преобразования будет увеличиваться, а если они в противофазе, то это приводит к дополнительным потерям преобразования.

В связи с появлением в процессе преобразования множества сигналов комбинационных частот, роль фильтров в смесителях из диодах огромная. Фильтры, включенные на входе смесителя и на выходе гетеродина, являются полосовыми, а фильтр, включенный на выходе смесителя, — это ФНЧ. Основная его задача — пропускать сигналы ниже частот входного сигнала и сигнала гетеродина, т. е. сигналы частот ниже частоты среза ФНЧ в данном случае ниже частоты 1750 (2250) МГц. ФНЧ, реализуется или на микрополосковых линиях, или на дискретных элементах и имеет высокую добротность.

Следует отметить, что получение реально высокой избирательности (селективности) в схемах, в которых смеситель выполнен из одном диоде, весьма затруднительно.

7.5Двудиодные балансные смесители

Двудиодные балансные смесители имеют некоторые преимущества перед однодиодными.

Первое, преимуществом балансных схем является то, что цепи сигнала и цепи гетеродина у них лучше разделены.

Второе, балансные смесители распределяют напряжение гетеродина поровну между двумя смесительными диодами. Так как мостовая схема допускает наибольшую развязку между входными и выходными сигналами, то напряжение гетеродина передается практически без потерь. Поэтому требуемый уровень напряжения гетеродина в балансной схеме намного меньше, чем в однодиодной. Входной сигнал также распределяется между двумя диодами. Кроме того, следует отметить, что хотя этот смеситель не имеет больших преимуществ перед однодиодным с точки зрения уменьшения потерь преобразования, но другие параметры зависят от применяемой схемы смесителя. Так, балансный и балансно-кольцевой смесители упрощают включение частотных фильтров, а также уменьшают шумы, проникающие из цепей гетеродина. Это из-за того, что шумы и интермодуляционные помехи с выхода мапошумящего усилителя сигнала взаимно компенсируются в мостовой схеме и не попадают на выход смесителя. При идеальной симметрии схемы относительная шумовая температура в них равна нулю. Балансные схемы смесителей выполняются обычно на микрополосковых линиях. Ниже, в качестве примера, рассмотрены некоторые балансные схемы смесителей.

Балансная схема с симметричным ответвителем на встречно-включенных диодах (рис. 7.4). Существующая связь между входным сигналом и полуволновым ответвителем (U2) обеспечивает равенство токов. Микрополосковая линия-проводник делит сигнал, поступающий на встречно-включенные диоды, пополам и в противофазе, т.е. со сдвигом 180'. Напряжение гетеродина подается на смеситель одной частоты и в одной фазе. Встречно-вкпюченные диоды обеспечивают алгебраическое суммирование частот входного сигнала и частоты гетеродина, что приводит к появлению на выходе смесителя сигналов комбинационных частот.

На рис. 7.4 показаны:

- ФНЧ, подключенный к выходу смесителя, обеспечивает выделение сигналов полезных ПЧ из множества комбинационных и препятствует проникновению на выход входного сигнала и сигнала гетеродина, представляя для них очень большое сопротивление;

- четвертьволновые шлейфы (λ/4) в гетеродинной ветви с подключенными на концах конденсаторами большой емкости С обеспечивают для входного сигнала режим короткого замыкания, а для сигнала гетеродина — режим холостого хода, представляя для него бесконечно большие сопротивления;

- последовательно-встречно-включенные диоды образуют замкнутый контур для выпрямленного тока, поэтому включать диоды на "общий" провод нет необходимости.

Двухдиодный смеситель с четвертьволновым (U4) кольцевым гибридным соединением и с двумя гетеродинами. Четвертьволновое (λ /4) гибридное соединение (рис. 7.5) обеспечивает равное деление входного сигнала и равное деление мощности сигнала гетеродина между диодами с требуемыми фазовыми соотношениями. ФНЧ на выходе имеет малое волновое сопротивление и реализован на металлизированных полосковых линиях с большим волновым сопротивлением.

Подключение двух гетеродинов к смесителю выполнено через два разных полосовых фильтра. Выбор гетеродина с необходимой частотой генерации осуществляется со спутникового приемного устройства (ресивера) подачей управляющего напряжения.

Подключенные четвертьволновые шлейфы на входе гетеродина и входе преобразованного сигнала выполняют те же функции, что и в предыдущем случае. ФНЧ также уменьшает проникновение на выход смесителя преобразуемого сигнала и сигнала гетеродина.

В итоге, о диодных смесителях можно сказать следующее: применяемые балансные смесители с диодами Шотки имеют низкий коэффициент шума, высокую линейность и простую конструкцию, но имеют один существенный недостаток: вносят затухание в преобразованный сигнал, т.е. у них большие потери преобразования.

Поэтому в основном находят применение смесители на транзисторах, дающие небольшое усиление преобразованного сигнала.