Konverze kmitočtu Štěpán Matějka

Transkript

1 1.Úvod teoretcký pops Konverze kmtočtu Štěpán Matějka Směšovač měnč kmtočtu je obvod, který přeměňuje vstupní sgnál s kmtočtem na výstupní sgnál o kmtočtu IF. Někdy bývá tento proces označován také jako translace kmtočtu nebo směšování. Dva a více sgnálů se obecně směšuje obvodem, který má buď nelneární převodní charakterstku, nebo mění svou unkc skokově s časem. Podle yzkálního prncpu, který se př směšování uplatňuje, můžeme tedy směšovače dělt do dvou skupn. Do prvé skupny, nazývané adtvní směšovače, patří směšovače s nelneárním odporem (varstorem), dodové směšovače, směšovače s bpolárním tranzstorem, směšovače s polem řízeným tranzstorem (FE) atd. Do druhé skupny patří směšovače tvořené kvazlneárním směšovacím prvkem, jehož parametry se mění s časem, a to zpravdla v rytmu osclačního napětí. Směšovače tohoto typu se nazývají parametrcké nebo multplkatvní a v současné době se používají zapojení s dvojhradlovým MOSFE nebo monoltcké vícetranzstorové obvody. Podle použtého směšovacího prvku rozeznáváme dodové směšovače, směšovače s bpolárním tranzstory nebo s FE, směšovače s vakuovým elektronkam atd. Věnujme se nyní dodovým směšovačům. Směšovacím prvkem jsou polovodčové S dody nebo častěj galum-arzendové Schottkyho dody. Schottkyho doda je v podstatě plošný přechod kov-polovodč, který oprot hrotovým dodám zaručuje větší mechanckou a především elektrckou stabltu ve smyslu stárnutí a podstatně menší výrobní rozptyl parametrů a tedy větší reprodukovatelnost charakterstk. Poměrně velká plocha kovového kontaktu způsobuje velm malý paraztní sérový odpor a ndukčnost a v důsledku toho výborné kmtočtové a šumové vlastnost. Kovový kontakt je schopen odvést poměrně velké množství tepla, a tak je možné Schottkyho dodu provozovat s větším výkonovým zatížením. 1.1.Dvojtě vyvážené dodové směšovače Dodové směšovače lze rozdělt na tř základní skupny, a to na jednododové nesouměrné směšovače, vyvážené směšovače (balanční) a na dvojtě vyvážené směšovače (dvojté balanční). Měřený hybrdní směšovač patří do největší komerčně vyráběné skupny dvojtě vyvážených směšovačů, jeho vntřní zapojení je na obr.1. Kromě tohoto nejběžnějšího provedení směšovače exstují poněkud odlšná zapojení, která mají například místo transormátorů zapojen symetrzační transormátor na dvouděrovém jádru, používaný v anténní technce, nebo je transormátor na mezrekvenční straně zcela vynechán atp. 1

2 r 1 r 2 U D 1 D 2 U D 4 D 3 U IF Obr.1 Zapojení dvojtě vyváženého dodového směšovače Vraťme se ale k zapojení směšovače podle obr.1. Vlastní proces směšování zajšťují čtyř dody D 1 až D 4, o nchž platí vše, co bylo uvedeno v předcházejících odstavcích. Převodní charakterstka dod by měla mít co nejdelší kvadratckou část, a to př poměrně malé úrovn napětí a proudu. Výborně se pro tento účel hodí čtveřce Schottkyho dod v jednom pouzdru, u nchž výrobce zaručuje jstou symetr, tj. nejenom shodu ve V-A charakterstkách, ale ve velkost paraztních prvků, jako jsou například paraztní sérový odpor a ndukčnost nebo kapacta přechodu. r U A U B1 U B2 Obr.2 Provedení trlárního symetrzujícího v. transormátoru Přenos vstupního sgnálu a napětí osclátoru ke směšovacím dodám obstarávají dva symetrzující transormátory r 1 a r 2, směšovací produkty jsou odváděny ze středů symetrckých částí vnutí transormátorů. Oba transormátory jsou vnuty trlárně na submnaturním ertovém torodu, čímž je zajštěna jejch velce dobrá symetre, potřebná k účelnému oddělení bran směšovače a k výraznému potlačení nežádoucích směšovacích produktů. Přenosové ztráty transormátorů musí být pokud možno zanedbatelné. Z obr.2 je zřejmé, že jde o symetrzační transormátory s mpedančním převodem 1:4, daným poměrem počtu závtů 1:2. rlární transormátor lze nahradt mnaturním symetrzačním členem podle obr.3a a směšovač zapojt např. podle obr.3b. Nevýhodou takového směšovače je malé potlačení vstupního sgnálu na mezrekvenční bráně, výhodou jsou naopak poněkud menší konverzní ztráty. 2

3 a) b) r U vst U výst U D 1 D 2 U D 4 D 3 U IF Obr.3 Zapojení symetrzačního transormátoru a jeho aplkace ve vyváženém dodovém směšovač 1.2.Analýza směšovače Analýza dvojtě vyváženého směšovače je poměrně složtá, jelkož obsahuje čtyř nelneární prvky dody, navíc mírně odlšných parametrů. Použjeme-l náhradní schéma dody, skládající se z nelneárních prvků C J a R J přechodu PN, paraztního sérového odporu a ndukčnost přívodů R S a L S a kapacty pouzdra C P, zcela jstě nepohrdneme výpočetní technkou, vybavenou některým ze smulačních programů elektrckých obvodů. Spokojíme-l se pouze s výpočtem ntermodulačních složek na jednotlvých branách deálního vyváženého směšovače, lze analýzu značně zjednodušt. Ve výpočtu použjeme pouze odpor přechodu R J, na kterém dochází ke směšování, a transormátory budeme pokládat za deálně symetrcké. Dále předpokládejme (pro účnné směšování tato podmínka musí být splněna), že napětí osclátoru je mnohonásobně vyšší než sgnálové napětí, takže konduktance dod bude závslá pouze na osclátorovém napětí. Voltampérová charakterstka dody = (u) má tvar u ( u) = I S exp 1 (1) U kde I S je saturační proud dody, U tepelné napětí. Pomneme-l sgnálové napětí, lze celkové napětí na dodě obecně vyjádřt Potom pro derencální vodvost dody g(t ) platí u = U + U cos( ω t ) (2) DC d( u) I S U DC U g( t ) = = exp exp cos( ω t ) (3) du U U U První exponencální unkce je konstanta, druhou exponencální unkc lze pomocí Besselových unkcí rozvnout v řadu 3

4 I g( t ) = U S U exp U DC J U U což lze obecně přepsat na tvar g( t ) = g U J 1 U 1+ 2 U J U U J 2 U cos( ω + + t ) 2 cos(2ω ) (4) U J U t + g n cos( n t ) = g n cos( nω t ) n= 1 n= ω (5) Předpokládejme, že vstupní sgnálové napětí má obecně nesnusový průběh takový, že ho lze vyjádřt Fourerovou řadou ve tvaru u ( t ) = u + u m cos( m t ) = u m cos( mω t ) m= 1 m= ω (6) Proud dodou je potom možné vyjádřt ve ormě součnu ( t ) = u( t ) g( t ). Ve shodě s obr. 4 pro proudy dod platí D3 g u g u D 2 D4 g u g kde symbol znamená ázový posuv 18. Například má tvar u cos( nω t ) u m cos( mω t + mπ (8) m= g n ) n= (7) D 1 D 2 r r1 2 D2 U U D4 D 4 D D3 3 IF U IF Obr.4 K výpočtu směšovacích produktů dvojtě vyváženého dodového směšovače Bez respektování převodních poměrů obou transormátorů můžeme vyjádřt proudy na všech třech branách směšovače IF = = = D4 D4 D D2 D3 D4 D3 D2 D3 (9) 4

5 Dosadíme-l nyní za až D4, a spočteme například proud mezrekvenční branou IF, obdržíme výsledek ve tvaru r s = = konst g u cos( rω t )cos( sω t ) r, s 1, 3, 5, (1) IF r s Jak je vdět ze vztahu (1), na mezrekvenční bráně jsou potlačeny základní všechny vyšší harmoncké složky vstupního osclátorového sgnálu a dále jsou potlačeny všechny ntermodulační produkty vázané na sudé harmoncké složky vstupního nebo osclátorového sgnálu. U deálního dvojtě vyváženého směšovače jsou přítomny na mezrekvenčním výstupu následující složky s obecně klesající úrovní směrem k vyšším harmonckým složkám ± ± ± ±,, 3, 5, 7 ± 3 ± 3 ± 3 ± 3,, 3, 5, 7 ± 5 ± 5 ± 5 ± 5,,,,,,,, (11) 2.Vybrané parametry směšovače 2.1.Optmální úroveň napětí osclátoru U opt U komerčních směšovačů je jako jeden z nejdůležtějších parametrů uváděna optmální (resp. maxmální) úroveň sgnálu pomocného místního osclátoru. Pokud optmální úroveň u směšovače neznáme, případně máme směšovač vlastní konstrukce, je třeba tuto úroveň určt nepřímým měřením konverzních ztrát v závslost na úrovn napětí lokálního osclátoru. Jako první přblížení by úroveň sgnálu osclátoru měla být as o 1 db větší než největší úroveň vstupního sgnálu. Konverzní ztráty (vz 2.3) zpravdla v závslost na úrovn osclačního napětí klesají až k jsté mnmální hodnotě. Př dalším zvyšování úrovně napětí osclátoru konverzní ztráty jž neklesají, ve výstupním spektru se objevují nežádoucí směšovací produkty. Optmální úroveň napětí osclátoru je přblžně hodnota, př níž bylo dosaženo mnmálních konverzních ztrát a produkty vyšších řádů jsou co možná nejvíce potlačeny (obr.5). Udává se v decbelech nad mlwattem (dbm) a její hodnota se nejčastěj pohybuje v rozmezí až 15 dbm, tj.,22 až 1,2 V e /5 Ω. 5

6 konverzní ztráty [db] U opt napětí osclátoru U Obr.5 Závslost konverzních ztrát na napětí osclátoru U pro konstantní úroveň U (U << U ) 2.2.Provozní šířka pásma směšovače Šířka pásma směšovače denuje kmtočtový rozsah sgnálů, které je směšovač schopen zpracovat na sgnálovém vstupu U a U, př nchž neklesne konverzní zsk pod určtou stanovenou hodnotu, případně sgnálové oddělení bran směšovače neklesne pod stanovenou toleranční mez. 2.3.Konverzní ztráty Konverzní ztráty denují účnnost směšovače př rekvenční přeměně mez vstupním U a výstupním U IF sgnálem. Velkost konverzních ztrát se udává v decbelech (db), hodnota má význam útlumu/zesílení vloženého do sgnálové cesty U U IF. Konverzní ztráty mají několk příčn. Pro daný rekvenční posuv jsou směšovačem generovány dva výkonově ekvvalentní výstupní sgnály, tzv. rozdílový a součtový sgnál. Konverzní ztráty směšovače jsou rovny poměru úrovní součtového nebo rozdílového výstupního U IF sgnálu ku vstupnímu U sgnálu. Jelkož je v běžných aplkacích použt pouze jeden z těchto produktů, jsou konverzní ztráty dodových směšovačů prncpelně vždy vyšší než 3 db. Obdobně nežádoucí produkty vyšších harmonckých složek sgnálů a jejch kombnace odebírají užtečný výkon a zvyšují konverzní ztráty. Další ztráty vznkají na sérových odporech dod (< 1 db) a na vstupním a výstupním symetrzačním transormátoru vlvem nedokonalého přzpůsobení a ztrát ve eromagnetku (až 4 5 db). Souhrn všech ztrát by u běžných dvojtě vyvážených směšovačů rozhodně neměl překračovat hodnotu 8 1 db. U proesonálně vyráběných směšovačů můžeme konverzní ztráty snížt vhodnou volbou velkost osclačního sgnálu (vz optmální úroveň napětí osclátoru U, odstavec 3.1.). opt 6

7 2.4.Sgnálové oddělení (zolace 1 ) bran směšovače Oddělení jednotlvých bran směšovače určuje kvaltu symetre směšovače a paraztní vazby mez branam. Izolace se udává v db a představuje vložný útlum pro přímý sgnál mez dvěma branam směšovače. Obecně má zolace v závslost na rekvenc klesající tendenc (typcky 5 db/oktávu), jejíž příčnou je nesymetre vstupního a výstupního transormátoru, paraztní ndukčnost a kapacta přívodů a nestejné parametry dod. Kvaltní směšovač by však měl mít na nejvyšších kmtočtech oddělení bran větší než 3 db. Obyčejně postačí denovat pouze potlačení sgnálu pomocného osclátoru na sgnálovém vstupu a mezrekvenčním výstupu směšovače. Potlačení průchozího sgnálu na mezrekvenční výstup směšovače je potřebné pouze v některých zvláštních případech. 2.5.Lnearta směšovače Lnearta směšovače bývá vyjádřena způsobem patrným z obr. 6. Je to závslost výstupního sgnálu na úrovn vstupního sgnálu pro určtou konstantní úroveň sgnálu lokálního osclátoru U. V grau je vynesena jednak základní kvadratcká složka ±, jednak nežádoucí složka třetího nejslnějšího řádu např. ± 3. Číselné parametry kvantkující lneartu směšovače jsou tř. První je určen bodem P CP (bod komprese, compresson pont), v němž se základní složka odchyluje od deálního lneárního průběhu o 1 db (dochází k tzv. kompres, converson compresson ). Druhý parametr je určen průsečíkem lnearzovaných průběhů základní a nežádoucí složky P IP (bod zahrazení, ntercept pont ). řetí parametr, dynamcký rozsah směšovače, je dán lneární částí základní užtečné složky. Dynamcký rozsah denuje rozsah úrovní sgnálů na bráně, pro které je směšovač použtelný. Shora je omezen hodnotou výše uvedeného P CP, zdola je lmtován šumovým číslem směšovače. Jelkož je šumové číslo přblžně o,5 db vyšší než konverzní ztráty, můžeme jako parametr lmtující dolní část dynamckého rozsahu použít právě tyto konverzní ztráty. Potom jž není třeba explctně uvádět hodnotu dynamckého rozsahu, jelkož je plně určen bodem P CP a velkostí konverzních ztrát. Parametr P CP tedy určuje, pro jakou úroveň sgnálu jsou konverzní ztráty v přjatelných mezích nebo př jak velkém vstupním sgnálu U směšovač ještě pracuje v lneárním režmu. P CP je užtečný př výběru směšovače s ohledem na maxmální rozsah lneární část charakterstky, je však závslý na úrovn sgnálu U, proto je důležté sledovat tuto úroveň. Podle pozce bodu P IP můžeme částečně usuzovat na kvaltu směšovače. Směšovač je tím lepší, čím je výkonová úroveň bodu P IP vyšší. 1 Použtí termínu zolace může být v češtně poněkud zavádějící překlad anglckého termínu solaton. Českému slovu zolace totž v techncké anglčtně odpovídají dva termíny s odlšným významem: solaton ve smyslu odloučení, oddělení (např. sgnálů - sgnal solaton) a nsulaton ve smyslu např. galvanckého oddělení (zolovaný vodč - nsulated wre). 7

8 P IP výstupní výkon P, IF 1 P IF 3 1.řád 1dB 3.řád P CP P CP P IP vstupní výkon P Obr.6 Gra k určení bodu P CP a P IP Polohu bodů P CP a P IP můžeme určt dvěma způsoby. První způsob spočívá v proměření závslostí úrovní směšovacích produktů prvního a třetího řádu na vstupním výkonu sgnálu na bráně a následném grackém vyhodnocení podle obrázku 6. konverzní ztráty P CP P IP [db] 1 db 1 15 db vstupní napětí U Obr. 7 Určení bodu P CP a P IP ze závslost konverzních ztrát na úrovn U, U je udržováno konstantní Druhý způsob měření vychází ze závslost konverzních ztrát na úrovn sgnálu U a je poněkud méně přesný než způsob předcházející. S rostoucím U zůstávají konverzní ztráty konstantní až do jstého bodu, od kterého začnou růst. V místech, kde začínají konverzní ztráty růst (přesněj v místech, kde jž mezrekvenční produkt prvního řádu ± na bráně IF nesleduje vstupní sgnál U lneárně a od deálního lneárního průběhu se odchyluje o 1 db), se nachází bod P CP. Polohu bodu P IP nezbývá než odhadnout podle bodu P CP. Praxí je ověřeno, že bod zahrazení P IP leží u směšovačů zapojených podle obr. 1 výkonově o 1 až 15 db výše než P CP. Pro oblast vyšších rekvencí je to spíše 15 db, pro nžší rekvence 1 db (obr. 7). 8

9 2.6.Dvoutónové ntermodulační zkreslení Jedno z náročnějších měření je měření produktů třetího řádu, vznkajících za přítomnost druhého harmonckého sgnálu na vstupu směšovače. yto nežádoucí produkty je velce obtížné tabelovat, jelkož jsou závslé na použtých rekvencích, zakončovací mpedanc a úrovn všech sgnálů. Často používaný způsob denování potlačení vznku vyšších harmonckých produktů je, podobně jako v odstavc 2.5, určení bodu zahrazení. Bod zahrazení je teoretcký bod v grau závslost úrovně mezrekvenčního sgnálu U IF na úrovn sgnálu vstupního U, kde jsou úrovně žádaného sgnálu a úroveň složky třetího řádu shodné. radční cesta, jak popsat ntermodulační produkty vzhledem k úrovn vstupního sgnálu, je ponechat konstantní relatvní rozdíl mez vstupním sgnály. Směšovač může být například popsán parametrem 6 db/3.řád pro dva vstupní sgnály s úrovní 2 dbm. o znamená, že směšovač se dvěma sgnály o úrovn 2 dbm na vstupu bude potlačovat produkty třetího řádu o 6 db. Pokud nyní úroveň vstupních sgnálů klesne o 1 db, poklesnou produkty třetího řádu o 3 db (čntel 3). Relatvní změna vstup výstup je tedy 2 db a směšovač potlačuje produkty třetího řádu o 8 db př vstupních úrovních 3 dbm. Klesne-l opět úroveň sgnálů o 1 db, změní se produkty třetího řádu o 3 db rozdíl je opět 2 db. Dva sgnály s úrovní 4 dbm budou vytvářet produkty třetího řádu o 1 db menší. Pokud lneárně prodloužíme oba tyto gray, dostaneme průsečík, bod zahrazení. 2.7.Parametry v režmu ázového detektoru Někdy výrobce u směšovačů udává tzv. stejnosměrnou polartu a stejnosměrný oset. Stejnosměrná polarta denuje polartu výstupního napětí směšovače v režmu ázového detektoru. Stejnosměrný oset podobně jako oddělení bran denuje kvaltu vyvážení směšovače. Stejnosměrný oset je určen stejnosměrným napětím na mezrekvenčním výstupu směšovače, který je použt jako ázový detektor a má přpojen pouze pomocný osclátor, sgnálový vstup je zakončen mpedancí 5 Ω. 3.Měření parametrů šměšovače 3.1.Měření konverzních ztrát Zapojení pro měření konverzních ztrát je uvedeno na obr. 8. Výkon sgnálu místního osclátoru P se obvykle volí v okolí optmální úrovně P opt (±3 db), vstupní úroveň P je alespoň o 1 db menší než P, čímž je zaručeno, že směšovač pracuje v lneárním režmu. Pokud k měření používáme vysokorekvenční mlvoltmetr, je třeba do cesty sgnálu na bráně IF zařadt takový ltr, aby byla měřena pouze žádaná mezrekvenční složka. 9

10 generátor směšovač 5 Ω 5 Ω IF generátor spektrální analyzátor 5 Ω 3.1.Měření oddělení/zolace bran směšovače Obr.8 Měření konverzních ztrát Na obr. 9 je uveden příklad zapojení pro měření oddělení bran lokálního osclátoru a mezrekvence ( IF). Nepoužtý vstup musí být zakončen přzpůsobovací mpedancí, na kterou je směšovač navržen (obyčejně 5 Ω). Úroveň sgnálu z generátoru se obvykle udržuje na hodnotě P opt a měří se jeho potlačení na výstupní bráně v závslost na rekvenc. směšovač zakončovací mpedance 5 Ω 5 Ω generátor spektrální analyzátor IF 5 Ω Obr. 9 Měření potlačení sgnálu osclátoru na mezrekvenčním výstupu ( IF) Př měření oddělení mez branam IF a je úroveň na bráně poměrně vysoká, neboť je třeba dodat potřebný výkon pro otevření dod, který původně dodával místní osclátor. Výkon na bráně je tedy podstatně vyšší než př běžné čnnost směšovače, ncméně takto získané výsledky jsou poměrně přesné. Použtí vysokorekvenčního mlvoltmetru namísto spektrálního analyzátoru je možné, ačkolv v důsledku měření vyšších harmonckých složek obdržíme poněkud pesmstčtější výsledky. Doporučená lteratura [1] Žalud, V.: Moderní radoelektronka. Praha, BEN techncká lteratura 2. [2] Helszajn, J.: Passve and Actve Mcrowave Crcuts. New York, John Wley & Sons

11 11