АНАЛИЗ СХЕМОТЕХНИКИ И НАДЕЖНОСТИ

АНАЛИЗ СХЕМОТЕХНИКИ И НАДЕЖНОСТИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ
Аханова Асем Еркеновна Студентка Евразийского
Национального Университета им. Л. Н. Гумилева, г. Астаны
Научный руководитель – к.ф-м.н., доцент Тулегулов Амандос Дабысович
Введение. В настоящее время, в связи с широким внедрением средств
телекоммуникаций информационные потоки увеличились во много раз. Несмотря на
успешное развитие средств радиосвязи, существует ряд проблем, которые снижают
эффективность применения существующих видов средств связи. Одним из важных
элементов в системе радиосвязи является преобразователь частоты. Преобразователь
частоты
- радиоэлектронное
устройство для преобразования электрического
(электромагнитного) сигнала путѐм переноса его спектра на некоторый интервал по оси
частот.
271
Анализ схемотехники преобразователей частоты.
Функционально преобразователь частоты включает в себя три составные части —
гетеродин, смеситель и выходной полосовой фильтр. Гетеродин представляет собой
генератор сигнала синусоидальной формы, настраиваемый, либо с фиксированной частотой.
Смеситель - основная часть преобразователя, нелинейное электронное устройство, в котором
происходит образование нужного спектра. Принцип действия смесителя состоит в том, что в
результате нелинейных процессов образуются комбинационные гармоники, частоты которых
равны разностям или суммам частот гармоник входных сигналов либо частот кратных
частотам исходных гармоник. Амплитуды полученных комбинационных гармоник
пропорциональны амплитудам исходных, таким образом, каждый из наборов
комбинационных гармоник (разностных, суммарных, разностных и суммарных кратным)
эквивалентен спектру входного сигнала, сдвинутому по частоте. Полосовой фильтр
предназначен для селекции нужного набора гармоник, обычно выполнен по стандартной
схеме полосового фильтра на LC-элементах.
Конструктивно преобразователь частоты может быть выполнен в виде единого
устройства, в том числе на интегральной микросхеме с дополнительными элементами, в
виде двух блоков (блок гетеродина и блок смесителя с фильтром) либо, в некоторых случаях,
в разнесѐнном виде, например, в установках для измерения ослаблений смеситель и фильтр
представляют собой обособленные устройства, а в качестве гетеродина используется
сторонний измерительный генератор, не входящий в комплект установки.
Характеристики преобразователей частоты По частотным
свойствам возможны два варианта преобразователей
 С перестраиваемым гетеродином и фиксированным значением несущей выходного
сигнала — наиболее распространѐнный вариант, используемый в радиоприѐмных и
измерительных устройствах. Частотными параметрами в этом случае являются: диапазон
перестройки гетеродина (и следовательно диапазон входных сигналов) и значение несущей
выходного
сигнала (ПЧ) 

 С фиксированным гетеродином — используется в специальных случаях, в
качестве частотных параметров при этом будут: допустимые значения частоты входного
сигнала
и значение величины переноса спектра 

Внутренние параметры преобразователя зависят от типа нелинейного элемента в
смесителе


 Крутизна преобразования — отношение амплитуды выходного тока (при
закороченном
выходе) к амплитуде напряжения входного сигнала 

 Внутренний коэффициент усиления — отношение амплитуды напряжения ПЧ к
амплитуде
напряжения входного сигнала 

 Коэффициент шума преобразователя 
Принцип работы смесителя (преобразователя частоты)
Как уже мы рассматривали ранее для переноса частоты принимаемого сигнала на
промежуточную частоту необходимо осуществить умножение входного сигнала на
синусоидальное напряжение местного генератора (гетеродина). Устройства, умножающие
два аналоговых сигнала, в радиоприемных и радиопередающих устройствах получили
название смесители. Обычно операция умножения двух аналоговых сигналов
осуществляется за счет вольтамперной характеристики нелинейного элемента. Пример
вольтамперной характеристики нелинейного элемента приведен на рисунке 1.
272
Рис. 1 Умножение двух аналоговых сигналов за счет вольтамперной характеристики
нелинейного элемента
В реальных схемах смесителей амплитуда сигнала местного генератора (гетеродина)
многократно превышает амплитуду входного сигнала. Поэтому динамическое
сопротивление (или коэффициент передачи) нелинейного элемента можно рассматривать как
функцию от напряжения гетеродина. Коэффициент передачи нелинейного элемента
определяется по формуле:
(1)
поэтому крутизну можно рассматривать как производную от вольтамперной характеристики
нелинейного элемента. Тогда напряжение на выходе смесителя будет записано следующим
образом:
(2)
Эта формула показывает, что описанное изменение режима работы нелинейного
элемента под действием напряжения гетеродина эквивалентно умножению входного сигнала
на это напряжение. Если вольтамперная характеристика будет представлять собой
квадратичную зависимость тока от напряжения, то производная от нее будет являться
линейной функцией, и в этом случае крутизна нелинейного элемента будет линейно зависеть
от напряжения гетеродина, а значит, в смесителе не будут проявляться нелинейные
искажения полезного сигнала.
При проектировании смесителя количество учитываемых гармоник сигнала и
гетеродина зависит от вида вольтамперной характеристики нелинейного элемента и формы
сигнала гетеродина. Наименьшим количеством гармоник, а, следовательно, и наименьшим
количеством побочных каналов обладают смесители, построенные на нелинейных элементах
с квадратичными вольтамперными характеристиками.
Диодный смеситель.
В диодном преобразователе на вход нелинейного элемента, в качестве которого
выступает диод, одновременно подаются два сигнала — напряжение входного принимаемого
сигнала и напряжение гетеродина. В общем случае на этот же диод может быть подано
напряжение смещения E0, которое обеспечит необходимый уровень отсечки сигнала
гетеродина. Один из вариантов принципиальной схемы диодного смесителя сигналов с
возможностью задания тока смещения через смесительный диод, приведен на рисунке 2.
273
Рис. 2 Схема диодного смесителя
При коротком замыкании на выходе схемы ток через диод будет полностью
определяться его статической вольтамперной характеристикой:
(3)
Вольтамперная характеристика частотно-преобразующих диодов аппроксимируется
функцией
(4)
где
I0-ток
насыщения обратно смещенного p-n-перехода диода;
rб-сопротивление базы диода; g- коэффициент, равный у большинства диодов 20-40
Напряжение на входе диодного преобразователя определяется суммой входного
сигнала, сигнала гетеродина и напряжения смещения.
Напряжение на входе диодного преобразователя, вольтамперная характеристика
диода, и ток на его выходе приведены на рисунке 3.
Рис. 3. Форма напряжения и тока гетеродина в диодном преобразователе частоты
Как видно из этого рисунка, ток на выходе будет в основном зависеть от напряжения
гетеродина, поэтому в спектре выходного сигнала естественно будет присутствовать
составляющая этого сигнала. Кроме того, ток в схеме зависит и от полезного сигнала, а это
значит, что в спектре выходного сигнала будет присутствовать и эта компонента. Избавиться
от лишних компонент спектра в выходном сигнале можно только при помощи полосового
фильтра. Спектр тока на выходе диодного преобразователя и характеристика фильтра.
274
Рис. 4. Спектр сигнала на выходе диодного смесителя.
Как видно из рисунка 4, форма тока, а, следовательно, и напряжения на выходе
преобразователя не совпадают. Это означает, что на выходе преобразователя образуются
гармоники сигнала гетеродина. Уровень гармоник сигнала гетеродина существенно зависит
от угла отсечки синусоидального колебания, который в свою очередь зависит от напряжения
смещения Eсм и от амплитуды напряжения гетеродина U mг.
Балансные смесители
У рассмотренного ранее диодного преобразователя частоты на выходе присутствуют не
только продукты преобразования, но и сигнал гетеродина. У идеального перемножителя на
выходе не должно быть этой компоненты в выходном спектре сигнала. Для того чтобы
убрать эту составляющую выходного сигнала обычно применяют двухтактную схему,
называемую балансным смесителем. Схема диодного балансного смесителя приведена на
рисунке 5.
Рис. 5 Схема диодного балансного смесителя
В этой схеме токи, вызванные гетеродином (Iг), текут по обмоткам входного и
выходного трансформаторов в противоположных направлениях, поэтому компенсируют друг
друга на входе и выходе схемы смесителя. В результате выходной ток, вызванный
напряжением гетеродина, значительно уменьшается. Точно таким же образом ток гетеродина
компенсируется и во входной цепи смесителя. Вместе с током гетеродина в выходном
сигнале балансного смесителя одновременно подавляются все его нечетные гармоники.
К сожалению, полностью скомпенсировать ток гетеродина на выходе балансного
смесителя не удается из-за неточности амплитуды колебания гетеродина в каждом из плеч
диодного смесителя. Кроме того, эти токи немного отличаются по фазе, но ослабление его
уровня на 40 дБ позволяет значительно улучшить характеристики преобразователя частоты и
приблизить их к характеристикам идеального умножителя сигналов.
Анализ надежности преобразователей частоты.
На рисунке 6 приведено семейство графиков, позволяющих оценить глубину
подавления сигнала гетеродина в зависимости от разбалансировки плеч балансного
смесителя по амплитуде и фазе.
275
Рис. 6 Семейство зависимостей подавления сигнала гетеродина от
разбалансировки плеч балансного смесителя по амплитуде и фазе
Спектр сигнала на выходе диодного балансного смесителя приведен на рисунке 7.
Рис. 7 Спектр сигнала на выходе диодного балансного смесителя
В схеме диодного балансного преобразователя частоты, приведенной на рисунке 5,
присутствуют два трансформатора с отводом от средней точки. Такие трансформаторы
трудно изготавливать конструктивно, поэтому в ряде случаев применяется схема балансного
преобразователя частоты, в котором на выходе применяется обычный трансформатор,
который просто приводит выходное сопротивление преобразователя частоты к стандартному
значению 50 Ом. Подобная схема балансного смесителя частоты приведена на рисунке 8.
Рис. 8 Схема диодного балансного смесителя с одним трансформатором с отводом
В данной схеме ток гетеродина замыкается в кольце балансного смесителя и
практически не ответвляется в цепь нагрузки. По входу и выходу данная схема
несимметрична, а трансформаторы позволяют приводить стандартные сопротивления
276
источника сигнала и нагрузки (равные 50 Ом) к сопротивлению диодного преобразователя,
при котором достигается максимальный коэффициент передачи.
В настоящее время смесители чаще всего выполняются в виде готовых интегральных
микросхем. Такое решение позволяет обойтись минимумом внешних навесных элементов.
Наилучшие качественные параметры микросхемы получаются при использовании
поликоровой подложки, на которой монтируются бескорпусные элементы или элементы,
предназначенные для поверхностного монтажа (smd-элементы). На рисунке 9 приведена
фотография микросхемы-смесителя с удаленной крышкой.
Рис. 9 Конструктивное исполнение балансного смесителя на полевых транзисторах.
Таким образом, применение в качестве преобразователей частоты интегральных
микросхем позволяет повысить в целом надежность работы аппаратуры связи и увеличить
срок эксплуатации оборудования. Микросхемы смесителей, реализованные по описанному
принципу, выпускаются рядом фирм. В качестве примера можно привести такие
микросхемы, как RF2713 RF2483 фирмы RF Micro Devices, ADL5385 фирмы Analog Devices,
JCIQ-176D фирмы Mini-Circuits. В качестве примера на рисунке 6 приведена структурная
схема микросхемы ADL5385 фирмы Analog Devices.
Рис. 10 Схема квадратурного смесителя ADL5385
В последующих работах будет приведен расчет параметров преобразователя частоты
для конкретных целей.
277