Недостатки двойных балансных диодных смесителей. Балансные смесители Активный балансный вч смеситель применение схема

Любое радиоприемное устройство содержит преобразователи сигнала из ВЧ в ПЧ и ПЧ в НЧ (промежуточных частот может быть несколько). В ППП такой преобразователь один, из ВЧ сразу в НЧ. Называются они смесителями и располагаются сразу после антенны и ДПФ, или дальше – после УВЧ, УПЧ, «соединяя», таким образом, основные узлы приемника с ГПД, ОГ. Поэтому параметры всего приемника во многом зависят от эффективности и качества преобразования сигналов. При этом существует два основных типа смесителей – пассивные и активные. Первые имеют коэффициент передачи меньше 1, а вторые обеспечивают усиление сигнала больше единицы, однако для сохранения динамического диапазона усиление не делается большим, обычно не более 10 раз по напряжению.

Любой смеситель, особенно самый первый, кроме коэффициента передачи должен иметь и малый уровень шума (для повышения чувствительности). Не менее важным показателем так же является способность подавления мощных внеполосных сигналов, из-за которого может возникать прямое детектирование и «забитие» основного сигнала.

Смесители активного типа в данной статье не будут рассматриваться, т.к. это отдельная самостоятельная тема. Статья посвящена смесителям пассивным, выполненным на пассивных элементах - полупроводниковых диодах, как наиболее широко применяющимся в различных радиолюбительских конструкциях. Также широко распространились схемы пассивных смесителей на полевых, в том числе мощных, транзисторах, работающих в ключевых режимах, а также схемы смесителей на электронных коммутаторах различного типа мультиплексорах/демультиплексорах). Однако, это тоже тема для отдельной статьи.

Прежде всего, балансные смесители разного типа, представляют собой симметричные схемы, в которых смешиваются два сигнала (входной ВЧ и гетеродинный). В схемах радиоприемников широко применяют двойные балансные смесители. Они балансные не только по отношению к колебаниям гетеродина, но и к входному сигналу. Этот тип смесителей ослабляет на выходе сигналы и гетеродина, и входные сигналы. Естественно, на выходе получается и меньший уровень побочных продуктов преобразования по сравнению с обычными балансными смесителями.

На частотах КВ радиолюбительских диапазонов (до 30 МГц) достаточно хорошими преобразовательными свойствами обладают и обычные высокочастотные кремниевые диоды, например типа КД503, КД509, КД514, КД521, КД522 и германиевые типа ГД508.

В двойных балансных смесителях желательно использовать диоды Шоттки (например, типа КД922). Достаточно распространенная ошибка - считать кремниевые диоды КД514 - диодами Шоттки. Это не диоды Шоттки, но по некоторым характеристикам достаточно близкие к ним. Иногда в старой справочной литературе встречается эта ошибка, т.к. по технологии диод с контактом МЕТАЛ-ПОЛУПРОВОДНИК раньше именовался диодом со структурой Шоттки (по автору этой технологии). Технология его производства нечто среднее между обычным диодом с p-n переходом и диодом с барьером Шоттки. По физике (не по технологии!) у кремниевых диодов Шоттки прямое напряжение заметно меньше чем у обычных кремниевых диодов (по любой другой технологии). Кроме того, большое отношение обратного сопротивления к прямому и незначительная емкость при нулевом смещении. Диоды Шоттки имеют очень малое время переключения, что расширяет частотный диапазон их применения (до нескольких сотен ГГц).

Применение кремниевых, импульсных, эпитаксиально-планарных, быстродействующих, с малым временем восстановления диодов КД514 (именно так правильно их называть!) в быстродействующих переключателях, к которым можно отнести и кольцевые диодные смесители увеличивает чувствительность за счет уменьшения коэффициента шума и, таким образом, можно увеличить усиление тракта ПЧ (а в итоге и чувствительность). Иногда на практике установка КД514 ощутимо, на слух, даёт эффект, без подбора диодов, чего нельзя сказать о КД503 и других типах диодах.

Величина потерь в диодном смесителе, как правило, составляет 6-10 дБ. Это немного, но большинство конструкторов хотят иметь меньшие потери. Напрашивается вывод о необходимости применения в схеме приемника активного смесителя. Но динамический диапазон (ДД) приемника с пассивным смесителем зачастую бывает больше, чем у приемника с активным смесителем. Кроме того, ДД нужен тогда, когда радиоприемник предназначается для работы с мощными соседними радиостанциями, или в условиях радиолюбительских контестов, когда в общей свалке эфира слабые по уровню станции соседствуют с мощными соседями. В обычных условиях такое почти не встречается. Таким образом, величина динамического диапазона приемника не должна особенно нас беспокоить .

Если смеситель является первым каскадом приемника, а так бывает достаточно часто, то от качества смесителя практически зависят все основные характеристики приемника. Важным является уровень собственного шума смесителя. Чем он меньше, тем выше становится достижимая чувствительность приемника. Из сказанного выше становится понятно, что среди диодов предпочтение следует отдавать тем, у которых самое малое прямое внутреннее сопротивление p-n перехода. Чем оно меньше, тем меньше шумов генерируется в диоде при одном и том же токе через диод. Следует иметь в виду, что каскад, следующий за смесителем, также должен иметь низкий коэффициент шума. Это очень важно для реализации преимуществ пассивного смесителя.

На рис.1 показаны схемы простого балансного смесителя и кольцевого (двойного балансного) смесителя, выполненных на диодах.

В этих смесителях использованы симметрирующие трансформаторы T1 и Т2, намотанные на кольцевых ферритовых сердечниках скруткой из трех проводов.

Для достижения максимальной чувствительности при настройке смесителя нужно подбирать напряжение гетеродина. Недостаточное напряжение уменьшает коэффициент передачи и повышает входное сопротивление, а излишнее - увеличивает шум самого смесителя. В обоих случаях чувствительность падает. Оптимальное напряжение лежит в пределах от долей вольта до 1-1,5 В (амплитудное значение) и зависит от типа диода.

В смесителях с включенными встречно-параллельно диодами (ВПД) напряжение подводится одновременно через катушку связи - сигнал от входного контура и напряжение гетеродина (рис. 2).

Напряжение гетеродина значительно больше, чем напряжение сигнала. Для нормальной работы такого смесителя на кремниевых диодах напряжение гетеродина должно составлять 0,6-0,7 В (амплитудное значение). Один из диодов открывается на пиках положительных полуволн сигнала гетеродина, а другой - на пиках отрицательных. В результате сопротивление параллельно включенных диодов уменьшается дважды за период гетеродинного напряжения. Отсюда такие достоинства этого смесителя, как отсутствие постоянного тока (смеситель не детектирует ни сигнал, ни напряжение гетеродина). А частота гетеродина выбирается вдвое ниже частоты сигнала, что позволяет улучшить стабильность частоты и значительно уменьшить наводки гетеродина на входные цепи смесителя, т.к. излучение его сигнала получается на 30-60 дБ ниже (в два раза ниже сигнала по частоте), чем с обычными смесителями.

В смесителе на ВПД лучше всего использовать кремниевые диоды с пороговым напряжением около 0,5 В - они дают несколько большую помехоустойчивость, чем германиевые. В любом случае требуется подбор оптимального напряжения гетеродина по максимуму коэффициента передачи. В целом все типы диодных смесителей требуют тщательного подбора напряжения ГПД для получения наилучших параметров смесителя.

Для получения большей информации о работе смесителей рекомендуем также обратиться к работам В. Т. Полякова, Г.Тяпичева, ссылки на которые указаны в конце статьи .

Обобщая вышеизложенное, следует заметить, что в приведенных схемах смесителей на диодах требуется (кроме правильного выбора типа диода) как симметричность (одинаковые характеристики) самих диодов, или их плеч (в кольцевых схемах), так и симметричность конструкции. Таким образом, для нормальной работы диодов в схемах смесителей можно говорить о необходимости их правильного подбора и установки на монтажной плате (о конструктиве монтажа смесителей на диодах будет сказано в конце статьи).

Без подбора диодов трудно обеспечить требуемую симметрию моста, особенно в тех схемах, где никаких симметрирующих элементов не предусмотрено, как в схемах на рис.1 и 2. Требуемая симметрия гетеродинного напряжения достигается тем, что катушка связи (или широкополосные трансформаторы) наматывается одновременно двумя другими скрученными проводами и размещается на ферритовом кольце строго симметрично. Несоблюдение этого простого правила приводит к тому, что некоторые радиолюбители устанавливая современные типы диодов не подбирают их при первичной отладке конструкции смесителя, считая что ассиметрия остальных самодельных элементов сводит выигрыш от их подбора к нулю. Естественно, причины ассиметрии могут быть связаны не только с самими трансформаторами, поэтому однозначно рекомендовать бросаться их переделывать не следует.

Выбирая диоды для смесителя по справочным материалам, следует заметить, что их емкости должны быть одинаковы (и как можно меньше) при одном напряжении. Желательно подобрать минимальным и время переключения (восстановления). В.Т.Поляков, RA3AAE в своих работах указывает, что предпочтение следует отдавать диодам с меньшей емкостью (не более 1...3 пФ) и наименьшим временем восстановления обратного сопротивления (не более 10...30 нc). Эти данные можно найти в справочниках. При работе на УКВ требования возрастают еще более.

Во многих случаях оптимальным выбором может оказаться применение готовых диодных микросборок с подобранными характеристиками. Например, часто рекомендуемых КДС523А, Б, или подобранных в сборку диодов (КДС523ВР). Однако, в целом ряде случаев, необходимо обязательно проверить эти сборки хотя бы самым простым способом, поскольку допустимый разброс в них может достигать 10% и это может негативно сказаться на работе смесителей и потребует добавления в схему смесителя балансировочных резисторов и/или емкостей, что в целом ни к чему, поскольку увеличивает потери в смесителе. А это всегда нежелательно.

Получивший в последнее время широкое распространение подбор диодов по прямому сопротивлению представляется не столь актуальным, поскольку неидеальный трансформатор (как уже указывалось выше) всё равно внесет разбаланс в плечи моста. Конечно, если есть уверенность в полной симметричности обмоток и их равенстве полных (комплексных) сопротивлений, тогда с помощью обычного цифрового мультиметра (в режиме «прозвонки») можно отбраковать диоды с большими отклонениями прямых сопротивлений. Есть и вторая причина, даже более существенная. Речь идет о том, что равенство прямых сопротивлений говорит только о том, что при одинаковой амплитуде гетеродина через диод будет течь одинаковый ток. Но это для больших напряжений от ГПД важно, а вот для входных сигналов, амплитуда которых много меньше и лежит на уровне микровольт наиболее важным является одинаковость ВАХ диодов именно в области малых напряжений, т.е. в самом начале ВАХ, а не в области больших напряжений.

К сожалению, отечественные диоды даже из одной партии, не говоря уже о просто однотипных, имеют очень большой разброс параметров, поэтому простой подбор по сопротивлению (прямому напряжению) в одной точке ВАХ малоэффективен. Пояснение, почему такой подбор не эффективен, сделано на рисунке ниже. В самом деле, разброс ВАХ диодов может быть достаточно велик, но по случайному стечению обстоятельств именно в точке измерения внутреннее сопротивление диодов окажется одинаковым с достаточно большой точностью. На самом деле такое возможно достаточно часто. Однако это только видимость идентичности ВАХ диодов. Большей точностью обладает подбор по 2 точкам. Но и такой подбор тоже - только проверка совпадения статических характеристик, а не динамических.

Поэтому часто рекомендуют применять импортные - те же 1N4148 (аналог КД522). Они имеют существенно меньший разброс, что гарантирует хорошую работу смесителя даже без подбора. Хотя произвести подбор в одной точке ВАХ цифровым мультиметром (в режиме прозвонки) очень просто. При этом следует заметить, что в эту схему для подбора (и в другие тоже!) диоды надо подключать зажимами типа "крокодил" или им подобными, но ни в коем случае не пайкой. Даже после подключения зажимами надо выдержать некоторую паузу - нагрев диодов от рук изменяет результаты измерений (не говоря уже о пайке). А им надо прийти к комнатной температуре…

По «прямому напряжению» подобрать диоды можно, собрав простейшую схему: от стабильного источника напряжением не менее 10 В через резистор задают прямой ток через диод (например, 1 мА). И измеряют падение напряжения любым вольтметром с высоким входным сопротивлением (ламповым, типа ВК7-9, или любым цифровым, что лучше). Подбирают диоды, у которых наиболее близкие значения измеренного напряжения. Можно проверять две точки, например, задавая токи 1 мА и 0,1 мА.

Распространена методика, рекомендуемая для подбора диодов кольцевого балансного смесителя и описанная Б.Степановым, RU3AX . По ней сравнивают вольт-амперные характеристики диодов в прямом направлении. Поскольку полупроводниковый диод - это нелинейный элемент, непосредственное измерение омметром его прямого сопротивления не позволяет производить такое сопоставление. Делать это надо в нескольких (минимум двух) точках вольт-амперной характеристики диода, измеряя падение напряжения на диоде при фиксированных значениях прямого тока. Схема простейшего устройства, позволяющего производить подбор диодов, приведена на рисунке.

Для подбора диодов точные значения стабилизированного тока не существенны - все диоды будут сравниваться при одних и тех же значениях тока. Необходимо лишь, чтобы эти значения различались примерно в десять раз… Подробности сборки и работы этого устройства приведены .

На рис.17.7 показаны некоторые типовые схемы НБС с двухшлейфными согласующими трансформаторами и ФНЧ на выходе ПЧ (направленные ответвители на рисунке не показаны). На рис.17.7,а ,б согласование осуществляется с помощью разомкнутого и короткозамкнутого параллельных шлейфов длиной l ш , на рис.17.7,в – с помощью четвертьволнового трансформатора и последовательного шлейфа, включенного после диода.

При выборе схемы согласования необходимо учитывать, что разомкнутый шлейф предпочтительней чем короткозамкнутый, потому что, во-первых, он проще конструктивно и, во-вторых, его удобнее использовать как подстроечный элемент для оптимизации согласования при наличии отклонения параметров диодов.

При разработке микроэлектронных устройств важными становятся вопросы оптимального использования рабочей площади и размещения элементов СВЧ тракта на подложке ГИС, пример топологической схемы НБС с экономным использованием поверхности показан на рис.17.7,б .

Характеристики смесителей заметно улучшаются при подавлении сигналов зеркального канала. К таким сигналам относятся: внешние сигналы с часто-

Главным недостатком НБС является перенос амплитудных шумов гетеродина на сигнал промежуточной частоты. Это приводит к значительному возрастанию k ш , особенно при низких значениях ПЧ, или в высокочастотной части диапазона СВЧ, когда шумы гетеродинов существенно увеличиваются. Из-за этого в НБС коэффициент шума может достигать k ш ~ 10–15 дБ. Этого недо-

статка лишены балансные смесители (БС).

Балансный смеситель, электрическая схема которого показана на рис.17.8,а , содержит два диода, включенных таким образом, чтобы их токи i 1 и i 2 протекали в первичной обмотке выходного трансформатора WT 2 во встречных направлениях. При этом синфазные составляющие магнитного потока вза-

Рис.17.8. Эквивалентные схемы балансных смесителей: а – с синфазной подачей

напряжения гетеродина; б – с противофазной подачей напряжения гетеродина

имно компенсируются, а противофазные – суммируются. Напряжение гетеродина подается на диоды синфазно, а напряжение сигнала – в противофазе. Токи преобразованного колебания ПЧ в обоих диодах также противофазные, возбужденные магнитные потоки суммируются и наводят во вторичной обмотке трансформатора WT 2 напряжение ПЧ. БС позволяет уменьшить мощность гетеродина, которая просачивается в антенну приемника, что является важным для обеспечения требований электромагнитной совместимости.

Рассмотренную схему БС (рис.17.8,а ) в СВЧ диапазоне практически не используют из-за сложности реализации симметричного выходного трансформатора. Более распространенная схема (рис.17.8,б ), в которой напряжение гетеродина подается на диоды в противофазе, а напряжение сигнала в фазе. Однако, благодаря тому, что диоды включены навстречу друг другу, в этой схеме сохраняются те же самые фазовые соотношения и свойства, как и в предыдущем случае.

ωГ

Рис.17.9. Волноводные балансные смесители: а - на щелевом мосте; б – на Т-мосте

Одним из главных узлов БС диапазона СВЧ является гибридное соединение (СВЧ-мост), которое обеспечивает равномерное деление мощностей вход-

ного сигнала и гетеродина между диодами с заданными фазовыми соотношениями, а также обеспечивает максимальную развязку между входами сигнала и гетеродина. На рис.17.9,а показана упрощенная конструкция и эквивалентная схема БС на щелевом волноводном мосте (ЩМ). Он состоит из двух смесительных секций с диодами VD 1 и VD 2 , к которым через щелевой мост подводят колебания сигнала Р С и гетеродина Р Г . Если начальные фазы этих колебаний на входе ЩМ равны нулю, то благодаря квадратурным свойствам ЩМ на диод VD 1 поступает напряжение

u 1C = U C cos(ω C t ) і u 1Г = U Г cos(ω Г t − π 2) ,

а на диод VD 2 –

u 2С = U С cos(ω С t − π 2) і u 2Г = U Г cos(ω Г t ) .

Диоды включены в противоположных направлениях, потому через нагрузку R 0 течет разностный ток і ПЧ с частотой ω ПЧ = ω С − ω Г . При в ыполне-

нии условий симметрии схемы i ПЧ = 2I ПЧ sin(ω С − ω Г )t , то есть токи полезных сигналов суммируются в нагрузке синфазно.

Шумы гетеродина, которые существуют в полосе частот сигнала ωС и зеркального канала ωЗК имеют вид

u шС = U ш cos[(ω С −ω ПЧ ) t −ϕ ш ] і u шГ = U ш cos[(ω Г −ω ПЧ ) t +ϕ ш ].

Прием шумов гетеродина в полосе сигнала создает шумовой ток

i шС = i 1ш − i 2ш = I шС}