261

D =10lg Pнас Pпор .

(17.7)

Для смесителей СВЧ диапазона обычно D находится в пределах 70–100 дБ. При наличии в схеме приемника МШУ, динамический диапазон определяется параметрами усилителя.

Диапазон частот и качество согласования смесителя определяют в каждом из портов fС, fГ, fЗЧ. Для оценки интермодуляционных составляющих на выходе смесителя используют параметр IP3 и связанный с ним уровень сигнала гетеродина. Уровень колебаний гетеродина не должен влиять на работу смесителя. Для пассивных двойных балансных диодных смесителей необходимый уровень сигнала гетеродина лежит в пределах от +7 до +23 дБм, для активных – от –20 до +30 дБм.

17.4. Небалансные смесители

Небалансный или однотактный смеситель (НБС) в простейшем случае состоит из схемы сложения (сумматора) колебаний СВЧ, обычно эту роль выполняет направленный ответвитель, и однополупериодного выпрямителя на смесительном диоде. Эквивалентная схема однотактного смесителя приведена на рис.17.4,а. Для селекции принятого радиосигнала на входе смесителя включают полосно-пропускающий фильтр (ППФ) преселектор (англ. – preselector).

			Pг
uс	uПЧ	Pс
		α
ωс	ωПЧ		б
uг				PПЧ
а
Pг		Pг		l2
Pс		Pс
l1			l1
	PПЧ
				PПЧ
в			г

Рис.17.4. Однотактные смесители: а – эквивалентная схема;

б – согласованный по входу; в – с отражением ЗЧ; г – с отражением ЗЧ и СЧ

Рассмотрим алгоритм преобразования частоты однотонального сигнала uС (t) =UС cos(ωСt + ϕС ) этой (простейшей) схемой смесителя. Представим ко-

лебания сигнала гетеродина в виде uГ (t) =UГ cos(ωГt + ϕГ ) , где амплитуда UГ, частота ωГ и начальная фаза φГ колебаний гетеродина – постоянные величины. Причем ωС − ωГ << ωС ,ωГ . ВАХ диода можно представить в виде аппроксима-

262

ции степенным полиномом i(t) = I0 + a1u(t) + a2u2 (t) + ... . С точки зрения пре-

образования частоты существенное значение имеет только квадратичный член, поэтому далее будем считать, что ВАХ имеет квадратичную характеристику, то

есть i(t) = a2u2 (t).

Тогда ток диода можно записать в следующем виде:

+ϕС ) +UГ cos(ωГt + ϕГ ))2 =

=a2 (UС2 cos2 (ωСt + ϕС ) +UГ2 cos2 (ωГt + ϕГ ) + 2UСUГ cos(ωСt + ϕС )cos(ωГt + ϕГ ))=

=12 a2 (UС2 +UГ2 )+ 12 a2UС2 cos[2(ωСt + ϕС )]+ 12 a2UГ2 cos[2(ωГt + ϕГ )]+

+a2U [(ωС + ϕГ )]+ a2UСUГ cos[(ωС − ϕГ )].+ uГ (t))2 = a2 (UС cos(ωСt= a2 (uС (t)i(t) + ωГ )t + (ϕС − ωГ )t + (ϕССUГ cos

Первое слагаемое выражения не зависит от времени и определяет возрастание постоянного тока; второе и третье – определяют соответственно гармоники с частотами 2ωС и 2ωГ; четвертое – сигнал комбинационной частоты ωС + ωГ; пятое – сигнал комбинационной частоты ωС – ωГ. Причем, вторая, третья и четвертая составляющие принадлежат области высоких частот, а пятая – области низких частот и представляет собой разностную частоту.

Для выделения разностной частоты на выходе смесителя включают фильтр нижних частот (ФНЧ) либо ППФ. Таким образом, в результате преобразования амплитуда, частота и фаза входного сигнала переносятся на колебания ПЧ смесителя. Рассмотренное преобразование сигнала линейное, а устройство является линейным преобразователем или смесителем. При выделении разностной частоты структура сигнала полностью сохраняется лишь в случае, когда ωС > ωГ, если ωГ > ωС, то спектр сигнала зеркально отображается по частоте.

Для работоспособности смесителей при их конструировании необходимо обеспечить: согласование диода с волновым сопротивлением линии передачи; электрическую развязку СВЧ цепей с цепями ПЧ; замыкание на землю (заземление) токов ПЧ со стороны входа СВЧ; замыкание на землю СВЧ токов со стороны выхода ПЧ.

На рис.17.4,б-г показаны упрощенные схемы основных типов небалансных диодных смесителей. Обычно смеситель согласован с входом УПЧ, поэтому мощность ПЧ передается практически без ослабления. Колебания СЧ и ЗЧ отражаются от диода в сторону входа. Поскольку они несут более половины энергии сигнала, то при их поглощении в согласованном СВЧ тракте, например вентиле (рис.17.4,б), потери преобразования составляют Lпр ≥ 6 дБ. Такие сме-

сители называют согласованными по зеркальной частоте. С учетом потерь в активном сопротивлении диода и проникновения сигнала в тракт гетеродина суммарные потери могут достигать 8-10 дБ. Благодаря отсутствию отражения АЧХ согласованного по зеркальной частоте смесителя равномерна в широкой полосе частот, а ФЧХ – линейна.

						263
	Колебание ЗЧ может распространяться во входную цепь приемника. По-
	этому если на входе смесителя поместить соответствующие фильтры, то коле-
	бание ЗЧ будет отражаться назад в смеситель для повторного преобразования в
	колебание ωПЧ = ωГ − ωЗ . Если образованный таким образом ток ПЧ находится
	в фазе с током промежуточной частоты ωПЧ = ωГ − ωС , то можно получить до-
	полнительную выходную мощность (1–2 дБ), то есть увеличить коэффициент
	передачи преобразователя. Такие устройства называют смесителями с отра-
	жением (восстановлением, использованием или регенерацией) энергии зеркаль-
	ной частоты (рис.17.4,в). При сложении токов в противофазе могут возникнуть
	дополнительные потери. Фаза ЗЧ регулируется расстоянием l1 от смесительного
	диода до ППФ.
	Дополнительное увеличение коэффициента передачи преобразователя
	можно получить, если создать условия и для дополнительного преобразования
	СЧ в ПЧ ωПЧ = 2ωГ − ωСЧ . Это можно осуществить с помощью ФНЧ, который
	пропускает колебания ωГ , ωС , ωЗЧ и отражает ωСЧ . При соответствующем вы-
	боре расстояния l2 колебания, полученные таким способом, складываются син-
	фазно с колебаниями ПЧ. Входной фильтр отражает колебания ЗЧ, фазирование
	которого осуществляется выбором расстояния l1. Такие устройства называют
	смесителями с отражением (восстановлением, использованием или регенера-
					цией) энергии зеркальной и суммарной частот
	Pс				(рис.17.4,г). Поскольку оптимальные фазовые
	Pг	c	c'		соотношения сохраняются в ограниченной по-
					лосе частот, однотактные смесители с отраже-
		uПЧ, I0
			а		нием ЗЧ и СЧ являются узкополосными, их
		VD	c		АЧХ и ФЧХ неравномерны.
	Pс					Следует	различать	зеркальную частоту
		LблCбл		uПЧ	ωЗ , возникающую в смесителе с равной ей по
	Pг			I0	значению частотой зеркального канала ωЗК ,
			c'	б	которая может быть принята из эфира как по-
	Рис.17.5. Смесительная секция:				меха	в	результате	преобразования
					ωПЧ = ωГ − ωЗК (для смесителя с верхней бо-
	а – схематическое изображение;
	б – эквивалентная схема				ковой полосой), если входной фильтр имеет
					недостаточную селективность. Обычно смеси-
	тели обеспечивают подавление помехи зеркального канала за счет отражения ее
	от входного фильтра в сторону антенны.
	Главный конструктивный элемент небалансного смесителя – смеситель-
	ная секция (рис.17.5,а), в которой размещают смесительный диод и подводят
	мощности сигнала РС и гетеродина РГ, а на выходе выделяется напряжение ПЧ
	преобразованного сигнала. На рис.17.5,б изображена эквивалентная схема сек-
	ции. Диод VD является активной нагрузкой для колебаний РС и РГ и генерато-
	ром напряжения uПЧ			и постоянного тока I0. К выходу смесительной секции
	непосредственно или с помощью соединительного кабеля включают вход УПЧ.

264

Для получения максимальной величины тока ПЧ при данных РС и РГ секция должна быть сконструирована таким образом, чтобы напряжение СВЧ колебаний полностью поступало на диод и не поступало на выход ПЧ. То есть необходимо развязать цепи СВЧ и ПЧ. Элементы смесительной секции, пред-

PГ	VD			VD
			PС
PС
	PПЧ			PПЧ
а			PГ	б
PС 1		VD		Cбл
				PПЧ
PГ	2		Lбл
				Cбл
		Lбл	Lбл
	μA	Cбл	Cбл	R0

в

Рис.17.6. Волноводные однотактные смесители: а – связь с помощью штыря;

б – связь с помощью направленного ответвителя; в – электрическая схема

назначенные для этого, условно изображены на схеме (рис.17.5,б) как блокировочный конденсатор Cбл и дроссель Lбл. Конденсатор Cбл обеспечивает короткое замыкание для токов СВЧ. С другой стороны емкость Cбл должна быть достаточно малой, поскольку она шунтирует вход УПЧ. Для предотвращения потерь сигнала ПЧ необходимо обеспечить короткое замыкание для токов ПЧ и I0, проходящих через диод. В волноводных секциях это обеспечивается самими стенками волновода, что на рис.17.5,б условно обозначено с помощью дросселя Lбл. Таким образом, можно считать цепи СВЧ и ПЧ изолированными и рассматривать их отдельно друг от друга.

Для уменьшения потерь преобразования Lпр необходимо согласовать диод во всей рабочей полосе частот смесителя. Теоретически и экспериментально установлено, что для минимизации потерь преобразования достаточно согласовать диод в режиме детектирования мощности гетеродина. При этом можно не учитывать нагрузки диода на ПЧ.

Конструктивно волноводный НБС представляет собой детекторную секцию с дополнительным элементом связи с гетеродином. Элементом связи может быть штырь (рис.17.6,а), тройник, направленный ответвитель (рис.17.6,б) и т.п. Таким образом, смесительная секция должна иметь два СВЧ входа, на один из которых подается принятый радиосигнал, а на другой – сигнал гетеродина.

На рис.17.6,в показана электрическая схема типичного волноводного НБС. Смесительная секция с диодом и коаксиальным выводом ПЧ соединена с

265

направленным ответвителем (НО). В одно плечо НО (1) подается принятый сигнал РС, во второе плечо (2) – мощность гетеродина РГ. Ответвитель обеспечивает развязку цепей сигнала и гетеродина. Для уменьшения потерь сигнала переходное ослабление НО выбирают достаточно большим, однако в этом случае будет сильно ослабляться мощность гетеродина, которая поступает на диод. Например, если переходное ослабление НО равно 10 дБ, то в согласованной нагрузке НО теряется лишь 10% мощности сигнала, то есть вносимые потери составляют 0,46 дБ. Для получения минимального коэффициента шума оптимальная РГ, подводимая к диоду, должна быть равной 0,5–1,5 мВт для ТКД и 2– 3 мВт – для ДБШ. Гетеродин должен отдать в 10 раз большую мощность, потому что большая ее часть (90%) поглощается в согласованной нагрузке. Это является одним из важнейших недостатков НБС. Контрольное устройство (микроамперметр) позволяет устанавливать оптимальный режим работы смесителя

I0 ~ 0,5 – 1 мА.

В микрополосковых однотактных преобразователях (рис.17.7) диод включают в микрополосковую линию (МПЛ), как правило, последовательно. Развяз-

								Λ/4
		l1	Λ/4				Λ/4		Λ/4
РС, РГ			РПЧ	РС, РГ			l1	Λ/4
Λ/4		lш	Λ/4			lш	Λ/4
	КЗ								РПЧ
							КЗ
		а					б	РГ
РС, РГ		lш	РПЧ				1	3
					РС		2		РПЧ
	Λ/4
Λ/4
							4
	КЗ
							5
		в					г

Рис.17.7. Микрополосковые НБС: а – с разомкнутым параллельным шлейфом перед дио-

дом; б – с короткозамкнутым шлейфом перед диодом; в – с последовательным шлейфом l2 после диода; г – с подавлением зеркальной частоты

ка цепей входного сигнала ωС и гетеродина ωГ осуществляется с помощью направленного ответвителя. На в ыходе смесителя включают ФНЧ, или режекторный фильтр, которые предотвращают прохождение колебаний СВЧ в цепи ПЧ. Согласование диода осуществляется, как правило, с помощью простейших двухшлейфных трансформаторов сопротивлений, состоящих из короткозамкнутого Λ/4 высокоомного (70-100 Ом) шлейфа, к оторый одновременно выполняет и функции заземления для токов ПЧ, и низкоомного (20-30 Ом) разомкнутого Λ/4 отрезка линии передачи, который обеспечивает короткое замыкание токов СВЧ с заземленной стороной подкладки МПЛ.