Широкополосные диодные смесители

Рис. 1.61. Схемы и параметры двух простых балансных смесителей для сигналов среднего уровня мощности.

Следующими важными параметрами, характеризующими смеситель, являются: вносимое ^собственное) затухание А;¹⁾, собственные шумы F_M и ^взаимная развязка входов А,. При этом для кольцевых смесителей типичное значение A_s составляет 5,5-6,5 дБ, из них «3 дБ приходится (согласно основному определению f_z = Гц + f_h) на нежелаемую и поэтому отфильтрованную компоненту. Значение F_M»0,5 дБ (при использовании диодов Шотки) вследствие малости может не приниматься во внимание или учитываться в величине aj. Величина А_х для сигнальных входов может достигать более 25 дБ, а развязка сигнальных и гетеродинного входов может превышать 45 дБ. На частотах выше 150 МГц наблюдается ухудшение качества смесителей. Значение КСВ (s) отчетливо зависит от мощности раскачки, особенно от мощности гетеродина

, pu-

Т1а рис. 1.61 представлены схемы и характеристики двух простых балансных сме­сителей, относящихся к классу смесителей среднего уровня мощности. В связи с их средними качественными показателями эти смесители используются преимущественно в модемах (модулятор/демодулятор). Таблица 1.13 позволяет сравнить свойства ба­лансных и двойных балансных смесителей.

Теперь поговорим о двойных балансных смесителях, которые применяются в вы­сококачественных приемных и передающих устройствах, а также в измерительной технике.

В связи с относительно высокими требованиями, предъявляемыми к динамическому диапазону, будем рассматривать только схемы, относящиеся к среднему уровню мощности. Эти схемы, как изображено на рис. 1.62, включают в себя два сим­метрирующих трансформатора согласующего типа с Z_u 1:|2:2| (см. рис. 1.5), диодный кольцевой смеситель на основе диодов Шотки и симметрирующую^ емкость С_с, которая улучшает развязку между входами А_х. Для Рд = +13 дБм величина 1Р_!3 составляет + 120-221 дБм, а точка компрессии по входу КР; == + 17-91 дБм.

Смесители высокого уровня мощности отличаются от рассмотренного устройства только тем, что каждое плечо смесительного кольца образовано.не одним, а двумя последовательно включенными диодами Шотки, что показано °на рисТ 1.63. При рп = + 17 дБм удается получить IP_i3 як + 125-271 дБм и КР, «+ 113-151 дБм.

Смесители очень высокого уровня мощности отличаются от описанных смесителей среднего уровня тем, что каждый диод в кольце включается последовательно с цепью из параллельно соединенных резистора R и конденсатора С, как следует из рис. 1.64. Реактивное сопротивление конденсатора С_г должно составлять ^ 50 Ом на самой низкой частоте рабочего диапазона %±4- Д^ля pu = + 20 дБм типичны значения 1Р₁₃ х х + | 30-33 | дБм и KPj х + 115-18 | дБм.

Что касается требований, предъявляемых к трансформаторам при проектировании, то мы будем ориентироваться на содержание разд. 1.1. Схему, приведенную на рис. 1.5, можно использовать для всех трех описанных выше смесителей любого класса мощ­ности. Частотная характеристика входа (частота f_x) начинается с 0 Гц, что позволяет передавать самые низкие частоты рабочего спектра; по обоим другим входам (при нескомпенсированных трансформаторах) ширина полосы рабочих частот достигает

Таблица 1.13. Сравнение качественных показателей балансного и двойного балансного диодных смесителей *

Рис. 1.62. Схема и параметры кольцевого смесителя для сигналов среднего уровня мощности.

Рис. 1.63. Схема и параметры кольцевого смесителя гтля сигнядор высокого уровня мощности.

Рис. 1.64. Схема и параметры кольцевого смесителя для сигналов сверхвысокого уровня мощности.

Таблица 1.14. Пример параметров элементов кольцевых смесителей, приведенных на рис. 1.62-1.64, и их зависимость от частоты

Рис. 1.65. Схема и параметры кольцевого смесителя с увеличенным динамическим диапазоном для сигналов сверхвысокого уровня мощности.

пяти октав. В области верхних рабочих частот частотная характеристика для всех трех входов спадает практически одинаково. В табл. 1.14 приведены сведения о конструкции и номиналах элементов для кольцевых смесителей, представленных на рис. 1.62-1.64, для двух диапазонов рабочих частот.

На рис. 1.65 изображена еще одна схема смесителя, относящегося к классу сверх­высокого уровня мощности; она обладает расширенным динамическим диапазоном. Высокая эффективность достигается путем параллельного включения двух смеситель­ных колец (см. рис. 1.64) и использования модифицированного симметрирующего транс­форматора с Zjj 1:1:1. Номинал С_г выбирают таким образом, чтобы его реактивное сопротивление Х_с равнялось 25 Ом на низшей частоте диапазона Гц + f_z. Схема расположения обмоток трансформатора приведена на рис. 1.66. Для Р_и = + 24 дБм результирующее значение 1Р_!3 и KPj составляет около + 35 дБм и + 20 дБм со­ответственно. Необходимо принимать во внимание наличие паразитного излучения при уровнях мощности pu более 0,25 Вт и осуществлять соответствующее экранирование конструкции. Входное сопротивление для входа частоты f_x, равное в данной схеме 25 Ом, можно преобразовать к номинальному значению 50 Ом при помощи одного из двух согласующих устройств, изображенных на рис. 1.67. Т-образную структуру (рис. 1.67, а) следует применять тогда, когда необходимо обеспечить для входа частоты f_x частотную характеристику, начинающуюся с 0 Гц. Диплексер (рис. 1.67, 6) следует использовать в тех случаях, когда вход частоты f_x является входом промежуточной частоты. Параметры трансформаторов и колебательных контуров для обеих структур

Рис. 1.66. Схема и расположение обмоток на тороидальном сердечнике симметрирующего трансфор­матора, приведенного на рис. 1.65.

Рис. 1.67. Схемы двух устройств для согласования сопротивления со стороны входа f_x с входным сопротивлением смесителя и расчетные формулы для смесителя, изображенного на рис. 1.65. а-реализация в виде низкочастотного диплексера для работы в диапазоне частот от 0 Гц; б -реализация в виде полосового фильтра для работы в диапазоне промежуточных частот.

приведены на рис. 1.2 и 1.50 соответственно. Величина собственных потерь aj согласующих устройств составляет 0,3-0,5 дБ и зависит от собственной добротности используемых катушек индуктивности.

В табл. 1.15 для двух диапазонов рабочих частот приведены параметры элементов

Таблица 1.15. Пример зависящих от частотного диапазона параметров элементов для комбинации схем, приведенных на рис. 1.65 и 1.67

Рис. 1.68. Схема мощного «дуального смесителя». В обоих каналах устройств данного тип используются, как правило, смесители сигналов сверхвысокого уровня мощности, аналогичны изображенному на рис. 1.65.

комбинации схем, представленных на рис. 1.65 и 1.67. Указанные значения справедлив для обеих структур, изображенных на рис. 1.67.

На рис. 1.68 представлена структурная схема смесителя, известного под название «дуальный смеситель». Смеситель образован двумя ветвями из кольцевых баланснь смесителей, которые соединены со стороны входов f_h и Гц противофазно, а со сторон входа f_x синфазно; это достигается путем соответствующего включения 0°/180° и I гибридных ответвителей. Данное устройство при использовании в его ветвях смесит лей, изображенных на рис. 1.65, имеет следующие характеристики: при рп = +27 дБ (0,5 Вт) значение 1Р_В «+ 138-40] дБм, a КР; «+ 123-251 дБм. Величина A; pasi 7-9 дБ в зависимости от типа используемых устройств, взаимной связи ветвей смес теля. Развязка А_х между входами f_h и f_x, fj и f_x примерно на 30 дБ больше, че соответствующие значения для одиночного смесителя; одновременно снижаются пр мерно на 10-20 дБ уровни высших гармоник. При реализации такого рода структ; следует обращать особое внимание на необходимость тщательной амплитудной фазовой балансировки отдельных ветвей смесителя. При проектировании всегда bi полняйте следующие рекомендации:

1. Информационный сигнал должен поступать на вход одного из трансформаторе а сигнал гетеродина подаваться на вход другого трансформатора; никогда включайте иначе! (В качестве критерия служит развязка А_х.)

2. Диоды и трансформаторы, используемые в устройстве, должны обладать к можно более идентичными электрическими параметрами (это определяет фа' вый и амплитудный баланс). Требуется индивидуальная сортировка и отб элементов из числа поставляемых производителями. Обмотки трансформатор должны быть выполнены без видимых отличий.

3. Монтаж трансформаторов и элементов смесительного кольца должен выполни" ся как можно более симметричным и осуществляться проводниками минима;

ной длины. Для эффективного симметрирования смесителя (для достижения максимального значения А_х) может потребоваться кроме подбора конденсатора С_с переключение половин симметричной обмотки одного (любого) из трансфор­маторов. При этом необходимо соблюдать правильную фазировку обмоток и обращать внимание на подключение выводов, обозначенных точками.

4. Следует в первую очередь согласовывать выходное сопротивление источника с входным сопротивлением смесителя по входу информационного сигнала f_x; с точки зрения частотных свойств входы f_h и f, являются взаимозаменяемыми.

5. Сигнал гетеродина должен поступать от линейного широкополосного источника. Следует избегать применения в этой цепи гетеродина любых частотно-избира­тельных цепей. Значение развязки А_х относительно фильтра частоты f^ должно составлять не менее 10 дБ.