Преобразователь частоты на диодном кольцевом балансном смесителе

В диодном преобразователе частоты (рис. 4) источники входного сигнала, сигнала гетеродина и источник смещения E₀ включены последовательно. Вольтамперная характеристика диода аппроксимируется экспоненциальной зависимостью вида:

, (18)

где I_об - тепловой ток запертого p-n перехода (ток насыщения).

Если u_g = E₀, то через диод протекает постоянный ток I _= I_об exp(E₀ / φ_T). При достаточно больших значениях сигналов u_c (t)= U_c cos ω_ct и u_Г (t)= U_Г cos ω_Гt ток в схеме на рис. 4 будет определяться выражением:

i_g = I_об exp[(E₀ + u_c (t)+ u_Г (t))/ φ_T ]= I_об exp(u (t) _c / φ_T) exp(u_Г (t)/ φ_T) (19)

При условии, что U_c << φ_T и U_Г << φ_T, представим функции exp(x) в виде степенного ряда. Имеем:

(20)

Выходное напряжение, очевидно, будет равно:

(21)

Как видно из (20), (21), в выходном токе смесителя помимо составляющей, пропорциональной произведению u_c (t) u_Г (t), содержаться составляющие u_c (t), u_Г (t), u_c ²(t), u_Г ²(t), u_c ³(t), u_Г ³(t),…

Таким образом, при наличии на входе преобразователя частоты гармонического колебания на его выходе присутствовать колебания с частотами ω_c, ω_Г, 2 ω_c, 2 ω_Г, ω_Г – ω_c, 2 ω_c±ω_Г …достаточно большого уровня. Включая в качестве нагрузки частотно-избирательную цепь с резонансной частотой ω _пч, можно выделить, например, колебания с частотой ω _пч= ω_Г – ω_c.

В диодных преобразователях частоты (рис. 4) цепи входного сигнала и сигнала гетеродина сильно связаны через диод. Наличие этой связи приводит к следующим явлениям:

настройки контуров гетеродина и сигнала оказываются взаимозависимыми;

ток с частотой входного сигнала, замыкающийся через цепи гетеродина, может вызвать «захват» сигнала гетеродина;

ток с частотой гетеродина, замыкающийся через цепи входного сигнала, определяет существенное излучение энергии гетеродина антенной устройства приема и обработки сигналов, что особенно проявляется в диапазонах УКВ и СВЧ.

Для устранения указанных недостатков диодных преобразователей частоты применяют балансные преобразователи, исключающие, в частности, излучение сигнала гетеродина. Для устранения взаимной связи цепей гетеродина и входного сигнала, а также компенсации токов входного сигнала и сигнала гетеродина в нагрузке, используют двойные балансные преобразователи частоты, получившие название кольцевых преобразователей (рис. 5). В таком преобразователе диоды включены так, что образуют кольцо. На выходе такого преобразователя частоты при симметричном выполнении плеч должны отсутствовать гармонические колебания с частотами ω_c и ω_Г.

Для уменьшения нелинейных искажений при больших уровнях входного сигнала и сигнала гетеродина в каждое плечо преобразователя включается несколько диодов. При этом общее входное напряжение распределяется на диоды, включенные последовательно. В результате на каждом диоде получается малое напряжение, что приводит к уменьшению нелинейных искажений. Кольцевые преобразователи частоты используются, как правило, в диапазоне сравнительно низких частот (до нескольких мегагерц), так как с повышением частоты затрудняется симметрирование плеч преобразователя, вследствие влияния трудно устранимых паразитных индуктивностей и емкостей элементов преобразователя.