3. СХЕМЫ СМЕСИТЕЛЕЙ

По схемному построению микроэлектронные смесители обычно делят на три типа: смеситель на одном диоде, так называемый одно-тактный смеситель. (ОС); балансный смеситель (БС) и двойной балансный смеситель (ДБС). Более сложные по функциональному назначению смесители рассматривать не будем.

Рис. 4.2. Схема смесителя: а — на одном диоде; б — балансного; в — ДБС по мостовой схеме; г - ДБС по схеме «звезда»

Схемы и показаны на рис. 4.2 [19, 85]. Конструктивно вывод ПЧ сигнала для схемы кольцевого типа выполнен с помощью конфигурации, названной и представляет собой комбинацию гибридного соединения и «четырехдиодной звезды» [79]. Преимуществом схемы «звезда» (рис. 4.2, г) перед кольцевой (рис. 4.2, в) является наличие центрального узла (соединение четырех диодов), с помощью которого осуществляется непосредственное соединение с цепью ПЧ. Все три типа смесителей в значительно большей степени различаются по характеру спектра выходного сигнала, чем по электрической конфигурации их цепей. При преобразовании частоты возникают комбинационные составляющие, частоты которых лежат в полосе пропускания выходных фильтров смесителей, настроенных на ПЧ. На рис. 4.3 построена номограмма для определения возможных комбинаций гармоник сигнала и гетеродина

Пример 10. Пользование номограммой. Задано Находим Пересечение соответствующих координат находится на линии которая изображает полезную составляющую. Эту линию на заданном отрезке пересекают линии которые изображают паразитные составляющие выходного сигнала. В ОС возникают все определенные номограммой комбинации, однако в болеё сложных схемах БС и ДБС есть возможность часть из них подавить на выходе. БС позволяет подавить на выходе одни из входных сигналов и его четные гармоники, ДБС — оба входных сигнала и все их четные гармоники.

В табл. 6 приведены комбинационные частоты на выходе БС и Следует помнить, что подавление идет с использованием фазового принципа, поэтому его величина сильно зависит от балансности смесителей и правильного согласования диодов. В табл. 7 приведены параметры различных смесителей [85, 19].

Рис. 4.3. Номограмма для определения возможных комбинаций гармоник в полосе полезной ПЧ

ДБС имеет следующие преимущества: уменьшение плотности гармоник входных сигналов и комбинационных частот в выходном спектрег увеличение динамического диапазона и максимально допустимой мощности; снижение требований к напряжению пробоя диода; исключение или ограничение требований к фильтрам благодаря развязке между всеми парами полюсов. Однако ДБС имеют и недостатки: например, возрастание требуемой мощности гетеродина на по сравнению с БС при отсутствии смещения; неудобное расположение диодов. Несмотря на эти недостатки, ДБС широко применяют. Рассмотрим характеристики ДБС [19, 85].

Ширина полосы смесителя по схеме «звезда» в СВЧ диапазоне равна примерно двум октавам, но она обычно ограничена коротко-замыкающими четвертьволновыми шлейфами до октавы. На основе этой схемы изготовлены смесители с шириной полосы в октаву и развязкой между любыми парами полюсов не менее 20 дБ в диапазоне частот до и не менее 17 дБ в диапазоне На рис. 4.4. показаны основные характеристики смесителей в полосе частот от 1 до Комбинационные частоты в таком смесителе можно подразделить на два типа: сигналы с фиксированным и

(кликните для просмотра скана)

зависимым уровнями. Сигналы первого типа получаются при смешении гармоник гетеродина и входного сигнала: . Амплитуды этих сигналов остаются фиксированными относительно боковых частот первого порядка и на графиках зависимости выходной мощности от входной имеют тот же наклон, что и последние (рис. 4.5, а). Гармоники входного сигнала, смешиваясь с сигналом гетеродина или его гармониками, создают сигналы комбинационных частот с зависимыми уровнями, имеющими частоты Амплитуды этих сигналов по отношению к боковым частотам первого порядка зависят от уровня сигнала гетеродина. На графиках зависимости выходной мощности от входной имеют наклон, равный порядку гармоники входного сигнала Наиболее интересными из них являются частоты, кратные ПЧ, так как при широкой полосе входных частот они могут в нее попасть, например частоты где (рис. 4.5, б).

Как отмечалось, подавление в выходном спектре гармоник входных сигналов и сигналов на комбинационных частотах является одной из важнейших характеристик смесителя. Поэтому для обеспечения заданной величины подавления следует правильно выбирать схему смесителя, нагрузки на его полюсах, а также режим смещения постоянным током 185, 191. Хотя, с теоретической точки зрения, ДБС и обладают преимуществом, на практике при реализации смесителей в виде интегральных схем БС имеют лучшие характеристики, в частности, меньший коэффициент шума и КСВ. Это связано с трудностью реализации ДБС в интегральном исполнении, поэтому БС широко распространены в микроисполнении.

Рис. 4.4. Зависимость потерь коэффициента шума и развязки по схеме «звезда»

Рис. 4.5. Амплитуды сигналов комбинационных частот: а — с фиксированным относительно составляющей — соуровнем; с зависимым уровнем

Рассмотрим величины подавления комбинационных составляющих в БС для оценки эффективности их применения, когда требуется подавлять комбинационные составляющие частотного спектра. Выражения для подавления в частном случае, когда частота комбинационного сигнала где , приведены

в работе [50]. Более общие выражения для расчета величины подавления комбинационных составляющих с частотой для БС получены в работе [30]. На рис. 4.6, а показана эквивалентная схема в которой напряжения комбинационной частоты на выходах смесительных диодов (до схемы сложения); и — напряжения полезной ПЧ в тех же самых точках схемы; напряжения сигнала на входах первого и второго диодов; суммарные напряжения комбинационной частоты и полезной ПЧ на входе схемы сложения. Запишем формулу, связывающую величину подавления комбинационных составляющих в БС с величиной подавления этих же составляющих в ОС:

где — подавление в диоде данного смесителя; М — отношение коэффициента передачи по напряжению первого диода для выходной полезной промежуточной частоты к такому же коэффициенту второго диола; — отношение коэффициентов передачи для выходной комбинационной частоты;

Рис. 4.6. Эквивалентная схема балансного смесителя (а) и структурная схема фазового подавления зеркального канала (б)

Углы между векторами выходных напряжений

где — изменение фазы напряжения гетеродина (сигнала), вносимое нагруженным ответвителем [30]; изменение фазы напряжения от выхода ответвителя до входа диода; угол, учитывающий полярность включения диода. Величина подавления комбинаций только за счет балансности для следующих коэффициентов: характерных для реальных смесителей, составляет 13,4 дБ.

При проектировании смесителей необходимо учитывать способ полезного использования зеркальной частоты. Потери преобразования и коэффициент шума можно минимизировать правильным выбором реактивной нагрузки на суммарной и зеркальной частотах. Однако зачастую это очень трудно осуществить, особенно если зеркальная и сигнальная частоты близки. Существуют два способа решения этой задачи: использование частотно-избирательных цепей и использование фазовых соотношений между сигналами. Схема, собранная на основе первого способа, может работать в узкой полосе частот. Кроме того, если разность между зеркальной частотой и частотой

сигнала мала, то требуются очень высокодобротные фильтры с малыми потерями, которые трудно изготовить в интегральном исполнении. Известны примеры реализации таких схем, которые позволили получить потери преобразования вплоть до 3,5 дБ [85, 94].

Следует отметить, что в смесителе существуют два сигнала на зеркальной частоте: сигнал, поступающий на вход смесителя с антенны, и сигнал, образующийся в смесителе за счет преобразования входного сигнала. Если по сигнальному входу на диод поступает внешний сигнал с частотой то, взаимодействуя с колебаниями гетеродина, образуется сигнал промежуточной частоты

Фаза этой не коррелирована с фазой полезного сигнала хотя по частоте ничем не отличается от полезного сигнала и является помехой, от которой нельзя избавиться без применения специальных мер.

Рассмотрим фазовые методы подавления зеркальной частоты, которые наиболее приемлемы для микроэлектронного исполнения смесителей. На рис. 4.6, б представлена структурная схема смесителя с подавлением зеркального сигнала, поступающего на вход смесителей [49]. В схеме использованы два балансных смесителя, на которые сигнал подается через гибридное соединение 1, а сигнал гетеродина поступает через синфазный делитель мощности 2 без сдвига фаз. При этом на выходах смесителей достигаются такие фазовые соотношения между сигналами ПЧ, преобразованными от входных сигналов на зеркальной и несущей частотах, что при сложении на выходном гибридном соединении 3 имеем на одном выходном плече только сигнал ПЧ, полученный за счет преобразования сигнала несущгй, а на другом — сигнал зеркальной частоты, который поглощается согласованной нагрузкой. Опытный образец в полосе частот имеет коэффициент шума 10 дБ (включая коэффициент шума дБ) при мощности гетеродина и постоянном прямом смещении на диодах 0,1 В [139]. Развязка между полюсами сигнала и гетеродина составляет более 16 дБ, а величина подавления сигнала по зеркальному каналу —20—25 дБ.

Интерес представляет схема малошумящего смесителя (МШС) с фазовым подавлением зеркального канала приема и с возвращением энергии зеркальной частоты возникающей в смесителе [94]. Если требуется значительное подавление зеркальной частоты более 30 дБ, то используют смеситель с двойным преобразованием частоты, т.е. два последовательно включенных смесителя: первый «переносит» сигнал на высокую (первую) промежуточную частоту, на которой легко фильтрами подавлять зеркальную частоту, а затем второй смеситель преобразует высокую промежуточную частоту в низкую ПЧ, на которой идет дальнейшая обработка сигнала.