В статье описаны конструкция и принцип действия смесителя частоты. Приведена методика расчета и моделирование балансного диодного смесителя с мостом Ланге. Получены основные характеристики.
Ключевые слова: радиотехнические устройства, преобразователи частоты, смеситель, СВЧ, сигнал.
The article describes the design and operating principle of the frequency mixer. The method of calculation and modeling of a balanced diode mixer with a Lange bridge is presented. The main characteristics are obtained..
Keywords: radio equipment, frequency converters, mixer, microwave, signal.
Введение
Смеситель используется для преобразования СВЧ сигнала в сигнал промежуточной частоты ПЧ [1, c. 70].
Одним из наиболее важных узлов любой пассивной системы радиовидения является смеситель. Он обеспечивает преобразование сигнала на нелинейном активном сопротивлении диода и является неотъемлемой частью любого радиотехнического устройства.
Преобразователи частоты имеют различную полупроводниковую структуру, к которой предъявляются жесткие технические требования по обеспечению требуемых параметров, к которым относятся большой динамический диапазон, широкая полоса рабочих частот, хорошее подавление ложного сигнала по зеркальному каналу, а также комбинационных составляющих частотного спектра.
Наибольшее распространение получили смесители на диодах с барьером Шотки (ДБШ), так как они обладают высокой чувствительностью, что положительно влияет на динамический диапазон приемных устройств, а также способны работать в широком диапазоне частот. Недостатком же является потребность в относительно большой, порядка милливатта, мощности гетеродина.
В данной статье рассматривается диодный балансный смеситель с мостом Ланге, который может использоваться в приемных узлах измерительных приборов СВЧ, контрольно-испытательных радиотехнических системах, а также в генераторах в нижнем участке СВЧ-диапазона.
Объекты и методы исследования
На рисунке 1 представлена функциональная схема исследования:
Рис. 1. Функциональная схема преобразования частоты
Преобразователь частоты в своем составе имеет три основных устройства: смеситель (СМ), содержащий нелинейный элемент и обеспечивающий преобразование входного СВЧ сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ); гетеродин (Г) — маломощный автономный генератор, вырабатывающий гармоническое колебание; полосовой фильтр (ПФ), обеспечивающий выделение требуемой гармоники.
По типу схемотехнической реализации смесители можно разделить на несколько основных групп (рис. 2):
— несимметричные (небалансные) смесители (Single Ended Mixer) (а, б);
— одиночные балансные смесители (Single Balanced Mixer) (в);
— двойные балансные смесители (Double Balanced Mixer);
— тройные балансные смесители (Triple Balanced Mixer);
— смесители с подавлением зеркального сигнала (Image Reject Mixer).
Рис. 2. Основные группы смесителей
Небалансные смесители (Single Ended Mixer, SEM), в виду плохой развязки между портами, и как следствие больших потерь преобразования, в настоящее время применяются крайне редко. В то время как балансные смесители являются наиболее распространенными и в данной статье рассмотрена одна из возможных схематических вариаций такого смесителя.
На рисунке 3 представлена схема моделирования балансного смесителя на двух диодах с мостом Ланге:
Рис. 3. Схема моделирования
— Первый порт формирует радиосигнал с частотой 4.25 ГГц и мощностью — 10 дБм;
— Второй порт формирует напряжение гетеродина с частотой 3.75 ГГц и мощностью от 0 до 18 дБм;
— L1, C1, L2, C2 представляют собой ФВЧ и обеспечивают развязку полезного сигнала и входных сигнала и напряжения гетеродина;
— Диоды обеспечивают преобразование частоты и представляют собой сложные модели (рис. 4), учитывающие паразитные емкости и индуктивности;
Рис. 4. Модель диода
— ФНЧ на выходе схемы выделяет сигнал ПЧ с разностной частотой 0.5 ГГц, а Порт 3 является выходом схемы.
Результаты исследования
На рисунке 5 представлены результаты моделирования моста Ланге:
Рис. 5. S-параметры моста Ланге
Как видно из графиков, построенных на основе матрицы S-параметров, которая подробно описана в [2, с. 29], смоделированный ответвитель обеспечивает развязку между сигналом и гетеродином в районе 25 дБ, что является неплохим результатом.
На рисунке 6 приведены зависимости коэффициента шума и коэффициента преобразования смесителя от мощности сигнала гетеродина.
Рис. 6. Коэффициент шума и коэффициент преобразования смесителя
Как видно из графиков, для данного смесителя оптимальной мощностью гетеродина является 9 дБм, так как при данном значении наблюдаются минимальный коэффициент шума и максимальный коэффициент преобразования. Также наблюдается достаточно низкий коэффициент шума — от 4.2 до 5 дБ, в то время как типовым значением для балансных смесителей является — от 5 до 8.5 дБ.
Литература:
- Микроэлектронные устройства СВЧ/ Н. Т. Бова, Ю. Г. Ефремов и др.: Технiка, 1984–184 с.
- Черкашин М. В., Бабак Л. И. Основы проектирования СВЧ полупроводниковых устройств: Учебное пособие / Томский Государственный университет систем управления и радиоэлектроники. — Томск: 2010. 57 с.
