Балансные смесители

Балансные смесители могут быть двухдиодными, двойными балансными, кольцевыми и двойными кольцевыми.

Двухдиодные балансные смесители (БС) чаще всего выполня­ются на 3-децибельных мостах. Основным преимуществом БС яв­ляется возможность подавления амплитудных шумов гетеродина.

Рис. 9.15. Волновой балансный смеситель на щелевом мосте

На рис. 9.15. упрощенно показаны конструкция и эквивалент­ная схема БС. Он

состоит из двух смесительных секций с диода­ми VD1 и VD2, к которым через щелевой мост ЩМ подводятся колебания сигнала Р_си гетеродина Р_г на частотах w_с и w_г соответственно, причем w_с>w_г. Если положить начальные фазы этих колебаний на входе ЩМ равными ну­лю, то согласно свойству ЩМ к диоду VD1 приложены напряжения u_1с = U_c × cosw_c t и u_1г=U_гсos(w_гt – π/2), а к диоду VD2—u_2c=U_Ccos(w_ct—π/2) и u_2г=U_гcosw_гt. Диоды включены встречно-параллельно, поэтому че­рез нагрузку R₀ течет разность токов i_пч частоты w_пч=w_с - w_г. При полной симметрии схемы результирующий ток i_пч=i_1пч – i_2пч=I_пч{cos[(w_ct – π/2) – w_гt] – cos[w_ct – (w_гt – π/2)]}= 2I_пчsin(w_c – w_г)t, т. е. токи полезных сигналов складываются в нагрузке синфазно.

Представим AM шумы гетеродина, действующие в полосе сиг­нала w_с и в полосе зеркального канала w_зк, как боковые полосы AM колебаний с несущей w_г:

u_шгс=U_шcos[(w_г+w_пч)t-φ_ш].

Прием шумов гетеродина в полосе сигнала дает шумовой ток:

i_шс=i_1шс-i_2шс=0.

Следовательно, шумы гетеродина, принятые в полосе сигнала, взаимно компенсируются в нагрузке.

Аналогичными выкладками можно показать, что шумы гете­родина, принятые по зеркальному каналу, также вычитаются в •нагрузке. В реальных JBC вследствие неизбежного разбаланса схемы шумы гетеродина подавляются на 15...30 дБ. Поэтому для БС диоды выпускаются подобранными в пары с близкими параметрами.

Во многих применениях смесителей требуется высокая развязка сигнального входа от гетеродинного. В БС с квадратурными мостами, схема которых, показана на рис. 9.16, гетеродин и антенна подключены к развязанным плечам моста, но реально развязка оказывается низкой, не более 10 дБ, не только из-за разбаланса схемы, но также из-за того, что при неполном согласовании ди­одов с волноводом отраженные от них колебания гетеродина направляются на сигнальный вход. Для устранения этого недостатка что смеситель­ные диоды подключены к квадра­турному мосту со сдвигом на Λ/4≈Λ_с /4≈Λ_г/4.

Рис. 9.16. Микрополосковый балансный смеситель с высокой развязкой цепей сигнал-гетеродин на квадратурном мосте

Если учитывать лишь фазовые набеги в шлейфном мосту, то запаздывание отраженных от диода VD1 колебаний гетеродина, прошедших по пути 2—3—VD1—3—2, можно положить равным 2π. Отраженные диодом VD2 колебания, прошедшие путь 2—4—Λ/4—VD2—Λ/4—4—2, также задержатся на 2π. В результате отраженные колебания гетеродина проходят на вход 2, а колебания сигнальной частоты — на вход 2, и развязка входных плеч приближается к значению, присущему идеально согласованному квадратурному мосту.

Пользуясь изложенной методикой, находим, что напряжение ПЧ в резуль­тате основного преобразования (w_пчt - φ_пч) = (w_сt - φ_с) - (w_г – φ_г) на диоде VD1 имеет задержку по фазе φ_1пч = (φ_с + π/2) - (φ_г + π) = φ_с - φ_г - π/2, на ди­оде VD2 — φ_2пч= = (φ_с + 3π/2) - (φ_г + π) = φ_с - φ_г + π/2. Для сложения этих про­тивофазных колебаний на входах ФНЧ в точках 5 диоды включены встречно. При этом фазовая задержка колебаний ПЧ на выходе БС равна

φ_ПЧ = φ_с – φ_г - π/2. (9.8)

Колебания ЗЧ, образующиеся путем преобразования (w_зt – φ_з) = 2(w_гt – φ_г) – (w_сt - – φ_c), на диоде VD1 имеют задержку φ_1з = 2(φ_г + π)—.(φ_c + 3π/2) = 2φ_г – φ_с + 3π/2, а на диоде VD2 — задержку φ_2з = 2(φ_г + π) - (φ_с + 3π/2) = 2φ_г – φ_с + π/2. Отражаясь от ФНЧ в точках 5 с задержкой на π, колебания ЗЧ складываются на входе 1, имея одинаковую фазовую задержку

φ_з = 2φ_г - φ_с + 3π/2 + π + π/2 = 2φ_г - φ_с + π. (9.9)

Это учитывают при использовании энергии колебаний ЗЧ в двойных БС.

Принятые из эфира по зеркальному каналу помехи на частоте w_зк путем преобразования (w_пчt - φ_пч)зк = (w_гt – φ_г) - (w_зк – φ_зк) на ПЧ имеют фазо­вую задержку

φ_{ПЧ зк} ⁼ φ_{ПЧ зк} ⁼ (φ_г + π) - (φ_зк + π/2) = φ_г – φ_зк + π/2. (9.10)

Это выражение будет использовано при рассмотрении фазового подавления.приема по зеркальному каналу в двойных БС.

Нормированный коэффициент шума БС в диапазоне частот до 100 ГГц равен 7... 10 дБ, потери преобразования L_np6≈5...8 дБ.

Достоинства балансной схемы смесителя.

1. Подавление амплитудных шумов гетеродина приводит к уменьшению коэффициента шума смесителя на 2 - 5 дБ.

2. Вся мощность гетеродина поступает на диоды, поэтому мож­но использовать гетеродины меньшей мощности.

3. Подавление четных гармоник гетеродина уменьшает уровень побочных продуктов преобразования, что приводит к увеличению помехоустойчивости и динамического диапазона смесителя.

Поиск по сайту: