Целью данной серии экспериментов было желание выяснить поведение классического кольцевого диодного смесителя (double balanced diode ring mixer) в следующих условиях:
1) работа не несогласованную (реактивную) нагрузку - кварцевый фильтр
2) накачка смесителя гетеродином с несинусоидальной формой (меандр) высокого уровня
Идея состояла в следующем - многие источники утверждают что при работе диодного смесителя на несогласованную нагрузку снижается параметр IP3, и как следствие динамический диапазон приемника. Но вот в том насколько он снижается и насколько мы можем компенсировать это снижение увеличивая мощность гетеродина и перейдя к прямоугольной форме сигнала - об этом нигде найти информацию не удалось.
Схема испытываемого смесителя следующая
Накачка осуществляется цифровой логикой 74AC. Это дает нам амплитуду 10 Vp-p что соответствует уровню =24dBm. Резисторы R2R3 выполняют роль токоограничивающих.
Нагрузкой смесителя являлся ПЧ-тракт приемника трансивера Феникс [1]. То есть смеситель работал непосредственно на кварцевый фильтр M45B4 (частота 45MHz, полоса пропускания 7.5 kHz).
Чудеса и нестыковки начались практически сразу. Характеристическое сопротивление фильтра 560om. Соответственно чтобы привести его к 50om надо использовать трансформатор 1:3. Но измерения показали что с таким трансформатором входное сопротивление смесителя получается значительно ниже чем требуемые 50om. Корректное согласование было получено только при применении трансформатора 1:2 (на схеме T1)
Для измерения IP3 использовался двухтональный генератор [3] с частотами 11450 и 11460kHz (разнос 10kHz) и уровнем выхода 0dBm, который подключался к смесителю через 10dB аттенюатор. Гетеродин работал на частоте 56.44MHz (контролировался уровень интермодуляционного продукта на частоте 11440kHz).
Для начала были опробованы кольца из 4х диодов. Получились следующие значения IP3:
Code: Select all
4*1N4148 +14.5 dBm
4*КД521А +15.5 dBm
4*BAT42 +16.5 dBm
4*1N5711 +16.5 dBm
4*КД514 +17.5 dBm
4*КД503Б +21.0 dBmДалее была проверена гипотеза о том, что IP3 смесителя зависит от его балансировки. И она полностью подтвердилась. Путем установки подстроечных конденсаторов удалось минимизировать продукты интермодуляции третьего порядка (коэффициент передачи смесителя при этом не изменился). Были получены следующие значение IP3 (первое число после балансировки, второй - до балансировки)
Code: Select all
4*1N4148 +17.5 dBm +14.5 dBm
4*BAT42 +19.5 dBm +16.5 dBm
4*КД503Б +22.0 dBm +21.0 dBm
4*КД514 +25.5 dBm +17.5 dBm
Диоды шоттки 1N5711 и BAT-42 показали достаточно скромные параметры. Решено было немного поднять им уровень накачки. Для этого номинал резисторов R2R3 были уменьшен до 50om. BAT-42 показал те же самые параметры, а вот 1N5711 порадовал и выдал IP3=+29.5dBm.Было интересно сравнить балансировку по уровню интермодуляционных искажений и балансировку по уровню подавления гетеродина на выходе смесителя. Оказалось что они совпадают, но минимум балансировки по подавлению гетеродина более "тупой". Балансировка по уровню IMD гораздо более "острая".
Отдельно было проверено сохраняется ли балансировка по IMD при смене диапазона работы. Проверка велась еще одним двухтональником на 7MHz. Выяснилось что балансировка сохраняется
Далее количество диодов было увеличено до 8. Номинал резисторов R2R3 были уменьшен до 50om. Производилась балансировка для достижения оптимального IP3. Измеренные значения IP3:Небольшая ремарка.
Для того чтобы было понимание что такое IP3=+29.5dBm предположим что у нас тракт имеет чувствительность 0,5мкв при соотношении сигнал/шум 10dB. Легко посчитать что его MDS = -123dBm.
Динамический диапазон по интермодуляции третьего порядка составит DR3 = (IP3-MDS)*2/3 = 102dB, что более чем неплохо.
Для сравнения при той же чувствительности ДД тракта
- с классическим кольцевым диодным смесителем с накачкой синусом - 86dB (IP3=+13dBm)
- со смесителем на SA612 - 74dB (IP3=-12dBm)
Code: Select all
8*1N4148 +21.0 dBm
8*КД503Б +29.5 dBm
8*1N5711 +31.0 dBm
8*КД514 +34.5 dBm
Ну и самое главное - осталось осмыслить все эти цифры и сделать выводы
1. Как видим широко применяемый диод 1N4148 ведет себя очень плохо в сравнении с другими. Никакие танцы с бубнами не позволили из него выжать больше.
2. Диоды шоттки не всегда лучше чем обычные диоды (см. BAT-42)
3. Балансировка существенно влияет на IP3. Балансировку смесителя имеет смысл проводить по уровню IMD, контролируя при этом подавление гетеродина на выходах.
4. Для каждого типа диодов имеет смысл индивидуально подбирать уровень гетеродина (номиналы R2R3) (см. пример с четверкой 1N5711)
5. При работе на несогласованную нагрузку IP3 деградирует, но не столь катастрофически чтобы полностью отказываться от такой простой схемотехники
6. Рассматриваемая схема вполне может конкурировать с промышленными DBM. Например для смесителя ADE-1H производитель приводит типовой IP3=+23dBm при работе на согласованную нагрузку. Смеситель на четверке КД503Б дает практически такое же значение, при этом работает на несогласованную нагрузку
7. Как оптимальное по доступности решение можно рекомендовать смеситель на 8ми КД503Б с цепями балансировки, что позволяет создать приемник с DR3 порядка 100dB
Литература
1. Трансивер с преобразованием вверх Phoenix (Феникс)
2. Универсальный синтезатор Si570/Si5351
3. Двухтональный генератор