Диодный кольцевой смеситель: теория и практика

19 августа 2020

Смеситель частот (frequency mixer) — это схема, выполняющая перемножение двух сигналов. Из школьного курса тригонометрии нам известно, что cos(α)×cos(β) = ½cos(α-β) + ½cos(α+β). Поэтому в сочетании с фильтрами смеситель позволяет двигать сигнал выше или ниже по частоте. Это называется гетеродинирование (heterodyning). На данном принципе работают все приемники прямого преобразования и супергетеродинные приемники. Сегодня мы спаяем собственный смеситель и рассмотрим несколько примеров его использования.

Теория

Схем смесителей существует сильно больше одной. Лучшим источником информации по теме смесителей, что мне удалось найти, является книга Solid State Design for the Radio Amateur, за авторством Wes Hayward, W7ZOI и Doug DeMaw, W1FB. Книга вышла более 40 лет назад, в 1977 году, и в наши дни найти ее может быть проблематично. Однако она доступна в электронном виде на archive.org. Желающих ознакомиться с разными схемами смесителей, понять их классификацию, слабые и сильные стороны, и так далее, я вынужден направить к этой книге. Это действительно большая тема.

Мы же сосредоточимся на одной схеме, которая часто используется на практике. Она называется двойной балансный диодный кольцевой смеситель (double balanced diode ring mixer) или просто диодный кольцевой смеситель (diode ring mixer). Название как бы намекает, что где-то в схеме должно быть кольцо из диодов:

Схема диодного кольцевого смесителя

Схема имеет два входа — гетеродин (local oscillator, LO) и ВЧ (radio frequency, RF), а также выход ПЧ (intermediate frequency, IF). Стоит сказать, что IF может быть использован как вход, а RF — как выход, но такой режим мы рассмотрим отдельно. Как же работает эта схема?

Когда ток течет из LO в смеситель, на вторичной обмотке левого трансформатора течет противофазный ток, через диоды D1 и D4. Через D2 и D3 ток не течет, их как будто вовсе нет в схеме. Таким образом, в правом трансформаторе верхняя половина вторичной обмотки оказывается как бы выключена. Ток может течь только через нижнюю половину. То есть, правый трансформатор работает просто как трансформатор 1:1 и сигнал течет с RF на IF без изменений.

Когда же ток течет в LO из смесителя, ситуация противоположная. Диоды D1 и D4 не участвуют в работе схемы, но ток течет через D2 и D3. В правом трансформаторе работает верхняя половина вторичной обмотки, и мы снова получаем трансформатор 1:1. Но обратите внимание на то, куда подключен IF и где у трансформатора точки. По сравнению с предыдущей ситуацией трансформатор получился перевернутым. То есть, фаза RF будет сдвинута на 180°, что эквивалентно умножению на -1.

Другими словами, мы умножаем RF на меандр с частотой, заданной LO. Меандр состоит из множества нечетных гармоник, основной из которых будет LO. На выходе смесителя также будут нежелательные сигналы, вызванные перемножением RF на третью, пятую и прочие гармоники LO, но их мы всегда можем отфильтровать. Вспомним, что диоды D1-D4 не являются идеальными. Ток через них является функцией от разности потенциалов на диоде. Плюс к этому, не бывает двух одинаковых диодов. Все это тоже вносит вклад в отличие выхода от идеальных ½cos(α-β) + ½cos(α+β).

Стоит отметить, что на выходе диодного кольцевого смесителя следует использовать не фильтры, а диплексеры. Фильтры вне своей полосы пропускания имеют высокий КСВ, а значит отражают нежелательный сигнал обратно в его источник. В случае со смесителем это ни к чему хорошему не приведет. В отличие от фильтров, диплексеры позволяют погасить нежелательный сигнал на эквиваленте нагрузки. Еще один нюанс заключается в том, что смесителю нужен достаточно высокий уровень LO, где-то от 10 до 13 dBm или 2-3 Vpp. Выход типичного генератора не превышает 0-5 dBm, а значит ему может потребоваться усилитель.

Плюсом диодного кольцевого смесителя является широкополосность. В отличие от смесителей на активных компонентах, диодный кольцевой смеситель почти не вносит собственного шума в сигнал. Есть и другие преимущества. В частности, в схеме используются легко доступные и удобные в использовании компоненты, чего не скажешь о смесителях, использующих dual gate MOSFET’ы. Последние либо редки, либо относительно дороги, либо представляют собой очень маленькие компоненты для поверхностного монтажа.

Модель приведенной выше схемы для LTspice вы найдете в этом архиве. Заинтересованным читателям предлагается проверить, что она действительно работает так, как описано выше.

Практика

В моем исполнении диодный кольцевой смеситель получился таким:

Самодельный диодный кольцевой смеситель

Трансформаторы намотаны эмалированной проволокой 0.6 мм на ферритовых кольцах FT50-43 трифилярной обмоткой. У меня получилось 7 витков. Согласно Solid State Design for the Radio Amateur, порядка 10 витков на ферритовых кольцах с высокой магнитной проницаемостью (μ ≈ 800 для 43-ей смеси) должны хорошо работать для КВ. Для УКВ рекомендуются материалы с магнитной проницаемостью поменьше, например, 61-ая смесь с μ ≈ 125.

В качестве диодов были использованы диоды Шоттки 1N5818. Выбор диодов не принципиален. Подойдут даже обычные импульсные диоды, хотя диоды Шоттки предпочтительнее. Будет не лишним подобрать при помощи мультиметра четыре диода с одинаковым напряжением смещения (voltage drop). Впрочем, в своем смесителе я использовал случайные диоды.

Проверим смеситель при помощи анализатора спектра:

Проверка самодельного смесителя с помощью анализатора спектра

Генератором сигналов на LO был подан сигнал с частотой 14 МГц, а на RF — с частотой 3 МГц. Поэтому на выходе смесителя мы видим 14 − 3 = 11 МГц и 14 + 3 = 17 МГц. На скриншоте мы также видим сигнал меньшего уровня с частотой 14 МГц. Это сигнал утечки с LO. Мы также видим и другие нежелательные сигналы, но в данном случае их уровень невысок. Заметьте, что сигналы с маркерами 1 и 3 различаются на 1.5 dB. Возможно, такого перекоса не было, если бы я использовал подобранные диоды. Поигравшись с LO и RF можно найти и другие артефакты. В целом, смеситель адекватно работает на частотах до 30 МГц. Однако с ростом частоты падает уровень полезного сигнала и снижается изоляция между LO и IF.

Эксперимента ради подключим порт RF смесителя к КВ-антенне, на LO подадим 25 МГц, а IF подключим к RTL-SDR v3:

Смеситель в качестве апконвертера

Перед нами радиолюбительский диапазон 40 метров, только смещенный на 25 МГц выше. То есть, мы получили апконвертер. Очень простой, совсем без фильтрации, но все же вполне рабочий. Даунконвертер работает по тому же принципу. Этот прием можно использовать, если интересующий сигнал выходит за поддерживаемый интервал частот вашего приемника.

Домашнее задание: Изучите принципиальную схему [PDF] апконвертера NooElec Ham It Up. Найдите на схеме основные компоненты — генератор 125 МГц, аттенюаторы, фильтры, смеситель Mini-Circuits ADE-1, переключатели Skyworks AS169. Объясните, какую задачу решает каждый из компонентов. Видите ли вы серьезный дефект данного устройства? Как думаете, сложно ли сделать аналогичный апконвертер в домашних условиях?

Выше было сказано, что IF может быть использован как вход, а RF — как выход. Давайте проверим. На LO подадим 7 МГц, а на IF подадим какой-нибудь НЧ сигнал порядка 2 кГц. RF подключим к осциллографу, не забыв о согласовании импеданса:

Выход двухполосного модулятора

Перед нами ни что иное, как двухполосная модуляция (double sideband, DSB). Вспомним, что DSB — это в сущности амплитудная модуляция с подавленной несущей, или в точности произведение несущей на НЧ сигнал. Не удивительно, что смеситель частот и DSB-модулятор представляют собой одну и ту же схему. Отфильтровав сигнал, мы можем получить либо нижнюю боковую (lower sideband, LSB), либо верхнюю боковую (upper sideband, USB).

Кроме того, в сочетании с аттенюаторами и делителями/сумматорами можно получить AM:

Амплитудная модуляция при помощи диодного кольцевого смесителя

Иллюстрация позаимствована из The ARRL Handbook. В сущности, здесь берется DSB и к нему с нужным уровнем добавляется несущая. Получается амплитудная модуляция. Проверено, работает.

Заключение

Сегодня мы разобрались, как работает ключевой компонент радиоприемников. Еще мы выяснили, как сделать апконвертер, даунконвертер и узнали новый способ получения амплитудной модуляции. Также теперь мы имеем почти все необходимое для генерации SSB сигнала. Немало открытий для схемы из двух трансформаторов и четырех диодов!

А доводилось ли вам делать смеситель частот? Если да, то по какой схеме вы его делали?

Дополнение: Вас также могут заинтересовать статьи Смеситель частот на интегральной схеме SA612 и Самодельный апконвертер на 40 МГц.

Метки: , , .