В данном разделе рассмотрены схемы пассивных устройств, в которых применяются сверхвысокочастотные смесительные диоды Шотки. Термин “пассивные” означает, что рассматриваемые устройства обладают собственным затуханием и способны к развязке последующих каскадов. Это свойство особенно ценно для снижения интермодуляционных искажений в проектируемых приемниках и при применении в модуляторах передатчиков, где для дальнейшего усиления мощности используются специально спроектированные усилители. Чтобы получить высокие, качественные показатели, необходимо использовать балансные устройства; оптимальной с этой точки зрения является схема двойного балансного кольцевого смесителя.
Как основные качественные показатели для схем смесителей используются так называемая “точка пересечения 3-го порядка”IP
i3 и связанное с ней значение _мошности гетеродина PЬ.
Общеупотребительной будет следующая классификация:
Очень низкий уровень IР
i3 < + 7 дБм Рц < 0 дБм
Низкий уровень ~ + 13 дБм ~ + 7 дБм
Средний уровень ~ + 20 дБм ~ + 13 дБм
Высокий уровень ~ + 25 дБм ~ + 17 дБм
Очень высокий уровень > + 30 дБм > + 20 дБм
Пассивные смесители двух первых названных выше классов на практике используются редко; смесители этих классов, как правило, выполняются в виде интегральных микросхем. Распространенное название “смеситель стандартного уровня мощности” относится, вообще говоря, к устройству второго класса: смесителю низкого уровня.
Рис. 1.61. Схемы и параметры двух простых балансных смесителей для сигналов среднего уровня мощности.
1), собственные шумы FM и взаимная развязка входов Аx. При этом для кольцевых смесителей типичное значение Ai составляет 5,5-6,5 дБ, из них 3 дБ приходится (согласно основному определению fz = Гц + fh) на нежелаемую и поэтому отфильтрованную компоненту. Значение FM = 0,5 дБ (при использовании диодов Шотки) вследствие малости может не приниматься во внимание или учитываться в величине Ai. Величина Ах 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.
Hа 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 Сс, которая улучшает развязку между входами Ах. Для Рд = +13 дБм величина 1Рi3 составляет + 20-22 дБм, а точка компрессии по входу КРi= + 7-9 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 Pu = + 17 дБм удается получить IP
i3 + 25-27 дБм и КРi + 13-15 дБм.
Рис. 1.63. Схема и параметры кольцевого смесителя для 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
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 Zu 1:1:1. Номинал Сг выбирают таким образом, чтобы его реактивное сопротивление Хс равнялось 25 Ом на низшей частоте диапазона Гц + f
z. Схема расположения обмоток трансформатора приведена на рис. 1.66. Для РU = + 24 дБм результирующее значение IРi3 и KPi 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 fx, 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 fx частотную характеристику, начинающуюся с 0 Гц. Диплексер (рис. 1.67,6) следует использовать в тех случаях, когда вход частоты fx является входом промежуточной частоты. Параметры трансформаторов и колебательных контуров для обеих структур 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.
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.
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 fx 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 1РВ “ + 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 Ах между входами fh и fx, fj и fx примерно на 30 дБ больше, чем соответствующие значения для одиночного смесителя; одновременно снижаются примерно на 10-20 дБ уровни высших гармоник. При реализации такого рода структур; следует обращать особое внимание на необходимость тщательной амплитудной фазовой балансировки отдельных ветвей смесителя. При проектировании всегда выполняйте 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 Ах
.)
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 отображение элементов из числа поставляемых производителями. Обмотки трансформатор должны быть выполнены без видимых отличий.
3. Монтаж трансформаторов и элементов смесительного кольца должен выполнится как можно более симметричным и осуществляться проводниками минимальной длины. Для эффективного симметрирования смесителя (для достижения максимального значения Ах) может потребоваться кроме подбора конденсатора Сс 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 fh 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 Ах относительно фильтра частоты f должно составлять не менее 10 дБ.
