Обзор схем диодных двойных балансных смесителей

Обзор схем диодных двойных

балансных смесителей

Максим ШЕВЛЯКОВ Алексей КОНДРАТЕНКО Евгений КАРЕВ Алексей ШТРАУХ

alkon@micran.ru

В статье рассматриваются результаты сравнительного анализа основных электрических характеристик диодных двойных балансных смесителей, выполненных по трем различным схемам. Смесители разработаны в ЗАО «НПФ Микран» (г. Томск). Конструктивно все устройства выполнены по гибридно-интегральной технологии на подложках из поликора ВК-100.

Рис. 1. Классическая кольцевая схема: а) эквивалентная схема; б) пример реализации в диапазоне СВЧ

Рис. 2. Возможные реализации противофазных трансформаторов:

а) трансформатор на короткозамкнутых отрезках связанных линий;

б) трансформатор на разомкнутых отрезках связанных линий

В отечественной литературе практически отсутствуют публикации, посвященные разработке диодных двойных балансных смесителей (ДДБС), построенных по схеме «звезда», а также по кольцевой схеме с «И-коленом». Благодаря структурной развязке трактов гетеродина и промежуточной частоты смесители, построенные по данным схемам, позволяют работать на «высоких» промежуточных частотах при достижении приемлемых значений развязок между трактами. Применение в качестве нелинейных элементов диодов представляет собой компромисс между простотой реализации устройства и достижимыми параметрами в плане динамических характеристик и подавления неосновных продуктов преобразования.

В статье представлен обзор схем диодных двойных балансных смесителей, приведены результаты экспериментального исследования основных электрических характеристик для трех различных схем.

Схемы построения двойных балансных смесителей

Классическая кольцевая схема

В преобразовательной технике широко применяются ДДБС, построенные по кольцевой схеме [1, 2]. Эквивалентная схема подобного смесителя, а также одна из возможных ее реализаций в диапазоне СВЧ приведены на рис. 1.

Противофазные трансформаторы для схемы на рис. 1б представляют собой мосты Маршанда, выполненные в микрополоско-вом исполнении на основе четвертьволновых отрезков линий с боковой связью. Подобные устройства могут осуществлять функцию противофазного деления сигналов с приемлемыми параметрами в полосе частот порядка октавы [3]. Возможно некоторое расширение рабочей полосы частот за счет увеличения потерь преобразования смесителя и (или) увеличения мощности гетеродина.

Противофазные трансформаторы могут быть выполнены как на короткозамкнутых

отрезках связанных линий, так и на разомкнутых (рис. 2). Следует отметить, что целесообразно применение однотипных трансформаторов для радиосигнала и для гетеродина, так как это обеспечит реализацию более широкой полосы рабочих частот для устройства в целом.

Применение короткозамкнутых отрезков связанных линий более предпочтительно при построении смесителей, так как в противном случае на параметры трансформаторов существенное влияние оказывают реактивные цепи фильтра промежуточной частоты (ПЧ). Этот факт осложняет процедуру проектирования трансформаторов и снижает возможность применения смесителя в целом в плане выбора диапазона ПЧ.

Сигнал ПЧ необходимо снимать через фильтр нижних частот (ФНЧ), который выполняет функцию дополнительного подавле-

ния неосновных продуктов преобразования и обеспечивает необходимую трансформацию сопротивлений для сигнала в полосе ПЧ. В случаях, когда длина плеч мостов Маршан-да много больше их ширины, возможно сворачивание противофазного трансформатора радиосигнала в кольцо с целью более удобного съема сигнала ПЧ. В противном случае усложняется структура ФНЧ.

На рис. 3 показаны примеры топологической реализации кольцевых ДДБС в микро-полосковом исполнении для С- и Х-диапазо-на частот.

Применение ДДБС, построенных по кольцевой схеме, затруднено в случаях, когда диапазон ПЧ находится достаточно близко к диапазону частот радиосигнала (либо гетеродина). Этот факт обусловлен наличием блокировочной емкости, замыкающей плечи мостов Маршанда на землю по ра-

Рис. 3. Примеры топологической реализации кольцевых смесителей:

а) топология кольцевого смесителя Х-диапазона; б) топология кольцевого смесителя С-диапазона

диосигналу. Шунтирующий эффект для сигналов ПЧ от наличия данной емкости приводит к увеличению потерь преобразования смесителя. Уменьшение номинала емкости приводит к сужению полосы рабочих частот смесителя вследствие рассогласования плеч мостов Маршанда. Альтернативным решением данной проблемы является применение ДДБС, выполненных по схеме «звезда» [1, 4].

Звездообразная схема

Точка соединения диодов, с которой снимается сигнал ПЧ в смесителе по схеме «звезда», развязана с входами радиосигнала и гетеродина. Благодаря подобной структурной развязке смеситель может применяться в случаях, когда требуется работа устройства на «высоких» ПЧ (полоса сигнала ПЧ расположена достаточно близко к полосе частот радиосигнала и гетеродина). На рис. 4 представлена эквивалентная схема подобного смесителя, а также одна из возможных ее реализаций в диапазоне СВЧ. Как и в предыдущем случае, противофазные трансформаторы выполнены на отрезках четвертьволновых связанных линий.

Сигнал ПЧ необходимо снимать через ФНЧ, который выполняет функцию дополнительного подавления неосновных продуктов преобразования и обеспечивает необходимую трансформацию сопротивлений для сигнала в полосе ПЧ. На рис. 5 приведены примеры топологической реализации микрополоско-вых ДДБС по схеме «звезда» для различных диапазонов частот.

К недостаткам смесителей, построенных по схеме «звезда», в первую очередь следует отнести тот факт, что развязка «гетеродин -радиосигнал» хуже, чем полученная для кольцевого смесителя.

Для нормальной работы смесителя требуется большая мощность гетеродина, так как противофазный трансформатор гетеродина

нагружен как на рабочую пару диодов, так и на трансформатор радиосигнала. Этот же факт объясняет и худшее качество развязки

«гетеродин - радиосигнал». Кроме того, в данных смесителях труднее достичь приемлемой развязки «гетеродин - ПЧ», так как на данный параметр имеет заметное влияние разброс показателей для разных плеч противофазного трансформатора сигнала, что неактуально для кольцевого смесителя.

Кольцевая схема с <М-коленом»

Продолжением разработки двойных балансных смесителей является схема модернизированного кольцевого смесителя с «И-ко-леном» [5, 6]. Данная схема, так же как и описанная выше схема классического кольцевого смесителя, превосходит схему «звезда» в плане развязок по гетеродину. Кроме того, она в достаточной степени свободна от ограничения, связанного с применением смесителя в случаях, когда требуется работа в диапазоне ПЧ, близком к диапазону радиосигнала. Это достигается отказом от применения бло-

Рис. 4. Звездообразная схема: а) эквивалентная схема; б) пример реализации в диапазоне СВЧ

Рис. 5. Примеры топологической реализации звездообразных смесителей:

а) топология звездообразного смесителя Х-диапазона; б) топология звездообразного смесителя С-диапазона; в) топология звездообразного смесителя L-диапазона

Рис. 6. Кольцевая схема с «U-коленом»

Рис. 7. Примеры топологической реализации кольцевых смесителей с «U-коленом»:

а) топология смесителя с «U-коленом» для Х-диапазона; б) топология смесителя с «U-коленом» для C-диапазона; в) топология смесителя с «U-коленом» для L-диапазона

кировочных емкостей, приводящих к заметному шунтированию сигналов ПЧ, и применением так называемого И-колена из направленных ответвителей, что, в свою очередь,

улучшает развязку «гетеродин - ПЧ» и облегчает дальнейшую фильтрацию. Пример реализации подобной схемы смесителя в диапазоне СВЧ приведен на рис. 6.

Сужения рабочей полосы частот и увеличения потерь преобразования вследствие применения дополнительных элементов в цепях радиосигнала на практике обнаружено не было. На рис. 7 показаны примеры топологической реализации микрополоско-вых ДДБС, построенных по кольцевой схеме с «И-коленом» для различных диапазонов частот.

Сравнительный анализ типовых смесительных схем

Измерения основных электрических характеристик смесительных схем проводились в 2007 году на базе ЗАО «НПФ Микран» (г. Томск). Нарис. 8 приведена фотография экспериментальных образцов, подготовленных к тестированию.

Рис. 8. Экспериментальные образцы, подготовленные к тестированию

Конструктивно все смесители выполнены по гибридно-интегральной технологии на подложках толщиной 0,5 мм. Материал подложек — поликор ВК-100 (е = 9,8). Подложки крепятся к титановым основаниям для сопряжения коэффициентов линейного расширения материалов при монтаже в корпус. В макетах использовались образцы ОаА8 кристаллов счетверенной диодной сборки производства НПФ «Микран».

В рамках сравнительного анализа рассматривались результаты измерений следующих электрических характеристик смесительных схем: потери преобразования, оптимальная мощность гетеродина, а также развязки между трактами. Измерения проводились при использовании скалярного анализатора цепей и внешнего перестраиваемого генератора в качестве сигнала гетеродина. Результаты измерений представлены в таблице. Данные, касающиеся развязок, представлены с учетом влияния ФНЧ в тракте ПЧ, что усложняет сравнение смесителей. Однако в связи с тем, что звено ФНЧ во всех случаях выполняет также и функцию трансформации сопротивлений, измерения без него нельзя считать корректными.

Данные, приведенные в таблице, являются оптимальными для описываемых смесителей, однако все смесители измерялись в более широких частотных диапазонах, где они

Таблица. Основные электрические характеристики смесителей

Параметр Кольцевая схема Звездообразная схема Кольцевая схема с «U-коленом»

Х-диап. С-диап. Х-диап. С-диап. L-диап. Х-диап. С-диап. L-диап.

Диапазон радиосигнала, ГГц 8,5-9,5 5,0-6,0 8,5-9,5 5,0-6,0 0,9—1,4 8,5-9,5 5,0-6,0 0,9—1,4

Диапазон гетеродина,ГГц 8,5-9,5 5,0-6,0 8,5-9,5 5,0-6,0 0,9—1,4 8,5-9,5 5,0-6,0 0,9—1,4

Диапазон ПЧ, ГГц 2,6-3,7 2,6-3,7 2,6-3,7 2,6-3,7 2,6-3,7 2,6-3,7 2,6-3,7 2,6-3,7

Оптимальная мощность гетеродина РГ, дБм 15 15 16 1S 16 15 16 15

Потери преобразования 1_П (при РГ), дБ -7,5 -7,3 -6,5 -6,5 -6,6 -7,3 -6,3 -7,3

Неравномерность 1_П в полосе ПЧ (при фиксированной частоте гетеродина), дБ ±0,4 ±0,6 ±0,4 ±0,8 ±0,6 ±0,3 ±0,3 ±0,4

Развязка «гетеродин - радиосигнал», не менее, дБ -25 -23 -21 -22 -21 -25 -23 -23

Развязка «гетеродин - ПЧ», не менее, дБ -30 -27 -30 -27 -25 -30 -27 -25

могут использоваться при некотором ухудшении параметров потерь преобразования и неравномерностей. В результате анализа приведенных параметров могут быть сделаны следующие выводы.

1. В случае, когда необходима работа устройства на «высоких» ПЧ, очень близких к полосе, занимаемой радиосигналом или гетеродином, и когда развязки между каналами имеют второстепенное значение, предпочтение следует отдавать смесителям, построенным по схеме «звезда».

2. В случае, когда развязки между каналами имеют существенное значение, однако все еще есть необходимость работать на «высоких» ПЧ, предпочтение следует отдавать смесителям, построенным по кольцевой схеме с «и-коленом».

3. В случае, когда требуется работа в очень широких полосах частот, а остальные параметры являются второстепенными, предпочтение следует отдавать смесителям, построенным по классической кольцевой схеме.

4. Во всех случаях при работе смесителей

в более широкой полосе частот требуется большая мощность гетеродина.

Литература

1. Maas S. Microwave Mixers, 2nd ed. Boston, MA: Artech House, 1993.

2. Gilmore R., Besser L. Practical RF circuits design for modern wireless systems. Vol. 2: Active circuits and systems. (Artech House microwave library).

3. Puglia K. Electromagnetic Simulation of Some Common Balun Structures // IEEE Microwave Magazine. 2002. September.

4. Maas S. A., Chang K. W. “A Broadband, Planar, Doubly Balanced Monolithic Ka-Band Diode Mixer”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 41, No. 12, P.p. 2330-2335. 1993. December.w

5. Maas S. A. Broadband Planar Monolithic Balan-ced Mixers and Frequency Multipliers // 1998 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings. 1998.

6. Шеерман Ф. И., Баров А. А., Гроо Е. П., Гюнтер В. Я, Петрова Т. С. Широкополосные монолитные смеситель и умножитель частоты, выполненные по двойной балансной схеме // 15-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2005). Севастополь, 12-16 сентября 2005 г.: Материалы конф.: В 2 т. Севастополь: Вебер, 2005.