Mieszacze częstotliwości

Mieszacze częstotliwości to układy elektroniczne z trzema wejściami: sygnału w.cz. (RF - radio frequency), sygnału heterodyny (LO - local oscillator) oraz sygnału o częstotliwości pośredniej p.cz. (IF - intermediate frequency). Zawierają one element nieliniowy, do którego doprowadzane są sygnały o różnych częstotliwościach. Jeden z nich ma częstotliwość radiową f1. Drugi, o częstotliwości f2, jest sygnałem z generatora lokalnego (heterodyny). Na wyjściu mieszacza generowane są sygnały o częstotliwościach opisanych wzorem:

f=nf₁ ± mf₂

gdzie n oraz m to liczby rzeczywiste. Po odfiltrowaniu jeden z nich jest użytecznym sygnałem wyjściowym. Zadaniem mieszacza jest więc mnożenie częstotliwości sygnałów wejściowych.

Mieszacze częstotliwości dzieli się na aktywne i pasywne. W pierwszych sygnał na wyjściu ma większy poziom niż ten na jego wejściu. Zachodzi zatem wzmocnienie przemiany. Oprócz tego mieszacze aktywne działają wyłącznie w jednym kierunku.

Oznacza to, że ich wejścia i wyjście nie mogą być zamieniane rolami. Mieszacze pasywne mogą natomiast działać dwukierunkowo. Dlatego ich wejście w.cz. może także pełnić funkcję wyjścia, a wyjście p.cz. być wejściem.

Rys. 1. Mieszacz z jedną diodą

W teorii każdy element nieliniowy można wykorzystać do budowy mieszacza częstotliwości. W praktyce jednak tylko niektóre z nich realizują przemianę częstotliwości o akceptowalnej jakości. Te używane najczęściej to diody Schottky’ego, tranzystory FET z arsenku galu oraz tranzystory CMOS.

W mieszaczach pasywnych używa się zazwyczaj diod Schottky’ego, a ostatnio coraz częściej także tranzystorów FET. Mieszacze aktywne zwykle budowane są z tranzystorów FET albo bipolarnych. Zaletą diod Schottky’ego w porównaniu do tranzystorów jest szerokie pasmo przenoszenia. Przede wszystkim dlatego wciąż są one używane do budowy mieszaczy częstotliwości.

Topologie mieszaczy

Rys. 2. Mieszacz podwójnie zrównoważony

Najprostszy mieszacz częstotliwości można zbudować z jednej diody. Przykład takiego mieszacza przedstawiono na rysunku 1. Żeby jednak przemiana częstotliwości była maksymalnie efektywna, charakterystyka elementu nieliniowego powinna być zbliżona do zależności kwadratowej.

Ponieważ charakterystyka prądowo-napięciowa diod półprzewodnikowych trochę odbiega od tego ideału, na wyjściu takiego mieszacza występują także niepożądane sygnały, w tym: ten wejściowy, generatora lokalnego, ich harmoniczne i wyniki mieszania wyższych rzędów. Ponadto ponieważ w mieszaczu z jedną diodą nie ma izolacji między wejściami w.cz. i LO, potrzebne są zewnętrzne filtry. To z kolei utrudnia budowę mieszaczy szerokopasmowych.

Alternatywą dla mieszaczy z jedną diodą są układy zrównoważone. W mieszaczach tych kilka elementów nieliniowych łączy się ze sobą w taki sposób, żeby część generowanych przez nie sygnałów niepożądanych wzajemnie się znosiła. Ponadto na wejściach oraz wyjściu stosuje się izolację galwaniczną.

Mieszacze zrównoważone

Rys. 3. Schemat blokowy mieszacza LT5579

Spotyka się mieszacze zrównoważone w różnych topologiach. W najprostszej używa się dwóch diod. W porównaniu do mieszacza z jedną diodą uzyskuje się w nich o 50% silniejsze tłumienie niepożądanych składowych.

Dwa pojedynczo zrównoważone mieszacze łączy się w układzie podwójnie zrównoważonym. Przykład takiego mieszacza z czterema diodami przedstawiono na rysunku 2.

W porównaniu do mieszaczy z jedną diodą w tych podwójnie zrównoważonych niepożądane składowe są tłumione o 75% silniej. Konstruowane są również mieszacze w topologii potrójnie zrównoważonej.

Izolacja galwaniczna jest w nich zapewniona na wejściach LO, RF i na wyjściu p.cz., a tłumienie harmonicznych jest jeszcze silniejsze niż w układach o mniejszym stopniu zrównoważenia. Wadami tej topologii są jednak rozmiary i stopień złożoności konstrukcji. Dlatego są one stosowane raczej rzadko. Zdecydowanie najpopularniejsze są mieszacze podwójnie zrównoważone.

Parametry mieszaczy

Rys. 4. Port RF mieszacza LT5579

Ważnym parametrem mieszaczy częstotliwości są straty (wzmocnienie) przemiany (conversion loss, conversion gain). W mieszaczach pasywnych jest to różnica pomiędzy amplitudą sygnału wejściowego a amplitudą sygnału wyjściowego.

W przemianie "w dół" (down conversion), kiedy wejściami są porty: RF i LO, a wyjściem port IF (f_IF=f_RF-f_LO), jest to różnica między amplitudą sygnału w.cz., a amplitudą sygnału częstotliwości pośredniej. W przemianie "w górę" (upconversion), kiedy wejściami są porty: IF i LO, a wyjściem port RF (f_RF=f_IF+f_LO), straty przemiany są z kolei różnicą pomiędzy amplitudą sygnału IF a amplitudą sygnału RF.

Straty (wzmocnienie) przemiany wyraża się w decybelach. Typowo wartości tego parametru mieszczą się w przedziale od 4,5 do 9 dB. Wpływa na nie szereg kwestii, przede wszystkim zastosowane rozwiązania konstrukcyjne, m.in. stopień zrównoważenia mieszacza. Układy podwójnie zrównoważone zwykle charakteryzują mniejsze straty przemiany niż potrójnie zrównoważone. W pierwszych wartość tego parametru wynosi typowo od 6 do 8 dB.

Między którymi portami izolacja jest najważniejsza?

Rys. 5. Port IF mieszacza LT5579

Kolejnym istotnym parametrem jest izolacja pomiędzy portami mieszacza (isolation, leakage). Definiuje się ją jako różnicę amplitudy sygnału z danego portu i amplitudy tego sygnału, który "przeniknął" na inny port. Zazwyczaj określa się izolację między portami: LO-RF, LO-IF oraz RF-IF.

Gdy na przykład sygnał o częstotliwości 2 GHz o amplitudzie +10 dBm zostanie doprowadzony na wejście LO mieszacza, w pewnym stopniu przeniknie również na wejście RF. Jeśli na tym ostatnim zostanie wykryty sygnał o częstotliwości 2 GHz o amplitudzie -20 dBm, izolacja pomiędzy portami LO-RF wyniesie 30 dB. Analogicznie oblicza się izolację między pozostałymi portami.

W przemianie "w dół" ważna jest jak największa izolacja portów LO-RF. W przemianie "w górę" natomiast, jeśli wartość tego parametru jest za mała, trudności można się spodziewać, wówczas gdy częstotliwość generatora lokalnego ma wartość zbliżoną do wyjściowej częstotliwości RF.

Rys. 6. Port LO mieszacza LT5579

Wynika to stąd, że wtedy niepożądanej składowej o częstotliwości LO nie można łatwo odfiltrować. Jeżeli natomiast mała jest izolacja między portami LO-IF, problemy pojawią się, gdy częstotliwość generatora lokalnego ma zbliżoną wartość do częstotliwości IF.

Typowo izolacja portów LO-RF wynosi od 25 do 35 dB, a między portami LO i IF od 20 do 30 dB. Izolacja portów RF-IF mieści się z kolei zwykle w przedziale 25-35 dB.

Parametrów mieszaczy ciąg dalszy

Rys. 7. Przykład zastosowania mieszacza LT5579

Znaczenie izolacji portów RF-IF jest mniejsze niż pozostałych, gdyż moc sygnałów RF i IF jest zwykle kilka rzędów wielkości mniejsza niż moc sygnału generatora lokalnego. Parametr ten jest raczej traktowany jako wyznacznik sprawności przemiany częstotliwości.

W zakresie pracy liniowej straty przemiany mieszacza są stałe, niezależnie od mocy sygnału RF. Gdy więc moc tego ostatniego zwiększy się o 1 dB, to moc sygnału wyjściowego o częstotliwości pośredniej również wzrośnie o 1 dB. Jeżeli jednak sygnał RF staje się zbyt silny, taka zależność przestaje obowiązywać.

Parametrem, który to opisuje, jest punkt kompresji jednodecybelowej (1 dB compression point). Jest on miarą liniowości mieszacza. Punkt kompresji 1 dB definiuje się jako moc wejściowego sygnału RF, przy którym straty przemiany zwiększają się o 1 dB w stosunku do wartości początkowej.

Pozostałe ważne parametry mieszaczy, na które warto zwrócić uwagę w kartach katalogowych przy wyborze konkretnego układu, to: odporność na modulację skrośną, współczynnik szumów i zakres częstotliwości pracy.

Przykład 1 - LT5579

Rys. 8. Schemat blokowy mieszaczy z serii TRF37x32

Na rysunku 3 przedstawiono schemat blokowy mieszacza aktywnego LT5579 z oferty firmy Linear Technology. Jest to układ przygotowany do realizacji przemiany częstotliwości "w górę". Mieszacz LT5579 zoptymalizowano do pracy w zakresie częstotliwości od 1,5 GHz do 3,8 GHz. Poza tym przedziałem częstotliwości spodziewać się można pogorszenia parametrów przemiany.

Najważniejszą częścią LT5579 jest mieszacz podwójnie zrównoważony zbudowany z tranzystorów. Port LO oraz port RF (rys. 4) zrealizowano jako, odpowiednio, wejście oraz wyjście, symetryczne, a port IF jako wejście różnicowe. To ostatnie połączone jest z emiterami tranzystorów mieszacza (rys. 5). Częścią układu jest również bufor wejściowy, przez który na wejście LO (rys. 6) mieszacza doprowadzany jest sygnał z generatora lokalnego.

Najważniejsze parametry układu LT5579 dla częstotliwości 2,14 GHz to: wzmocnienie przemiany równe 2,6 dB, punkt kompresji jednodecybelowej, który wynosi 13,9 dBm, izolacja IF-LO równa 81 dB, przenikanie między portami LO-IF wynoszące -28 dBm i przenikanie między portami LO-RF wynoszące -35 dBm.

Przykład 2 - TRF37x32

Rys. 9. Przykład zastosowania mieszacza z serii TRF73x32

Przykładowe zastosowania mieszacza układu LT5579 to: stacje bazowe GSM/EDGE, W-CDMA, UMTS, LTE i TDSCDMA, stacje bazowe WiMAX 2,6 GHz i 3,5 GHz oraz nadajniki w paśmie ISM 2,4 GHz. Na rysunku 7 przedstawiono przykład wykorzystania tego mieszacza w nadajniku W-CDMA 2,14 GHz.

W ofercie firmy Texas Instruments można z kolei znaleźć serię podwójnych, pasywnych, szerokopasmowych mieszaczy przygotowanych do realizacji przemiany "w dół". Zakres częstotliwości wejściowych RF dla układu TRF37A32 wynosi 400-1700 MHz, dla mieszacza TRF37B32 700-2700 MHz, a dla układu TRF37C32 1700-3800 MHz. Zakres częstotliwości wyjściowych IF wynosi z kolei 30-600 MHz.

Schemat blokowy układu z serii TRF37×32 przedstawiono na rysunku 8. Oprócz mieszaczy jego częścią są też: bufor sygnału LO i wzmacniacze sygnału wyjściowego. Porty RF i LO zrealizowano jako wejścia symetryczne.

Przykładowe zastosowania mieszaczy serii TRF37×32 to infrastruktura sieci W-CDMA, TDSCDMA, LTE, TD-LTE, MC-GSM, mikrofalowe łącza punkt-punkt, SDR, odbiorniki w radarach i łączność satelitarna. Przykład wykorzystania układu z oferty TI w odbiorniku SDR, schemat ideowy i przykład realizacji przedstawiono na rysunku 9.

Monika Jaworowska