1. Введение

Смесители – это трёхпортовые устройства, в которых используются нелинейные элементы, как правило, это диоды или транзисторы, для получения сигналов, частоты которых равны сумме или разности частот входных сигналов. Например, в трансиверах смесители используются как для преобразования радиосигнала (ВЧ) в сигнал промежуточной частоты (ПЧ), что обеспечивает простую, экономичную и более точную обработку, так и для преобразования сигнала ПЧ в ВЧ для передачи сигналов через антенны, которые с повышением частоты становятся более эффективными и имеют меньшие габариты.

Рисунок 1 – Смеситель

Инженерам, разрабатывающим смесители и интегрирующим их в различные системы, часто требуется измерять такие характеристики смесителя, как потери преобразования, набег фаз, групповое время запаздывания, точку компрессии по уровню 1 дБ, изоляцию между портами и КСВН. Измерения этих параметров легко выполнить с помощью векторных анализаторов цепей (ВАЦ), применяя современные методы калибровки, включая скалярную (SMC) и векторную (VMC) калибровки смесителя. Оба метода калибровки подробно описаны в руководствах по эксплуатации на анализаторы семейств Кобальт, Компакт, Обзор, Иридиум. Руководства доступны на сайте www.planarchel.ru.

В статье дается краткий обзор работы смесителя, описываются основные характеристики смесителя и различные методы измерения.

2. Смеситель

Основные функции смесителей – перенос сигнала промежуточной частоты (ПЧ) в радиочастотный диапазон (ВЧ) или, наоборот, радиочастотного сигнала на промежуточную частоту посредством суммирования или вычитания сигнала гетеродина (Гет).

При смешивании входного сигнала (ПЧ или ВЧ) формируются различные комбинационные составляющие, основные из которых – сумма и разность входного сигнала и сигнала гетеродина, иначе говоря верхние и нижние боковые полосы в спектре выходного сигнала, смотри рисунок 2.

Для выделения интересующей полосы сигнала обычно используют фильтры ПЧ.

Рисунок 2 – Принцип работы смесителя

Нелинейные устройства обладают свойством комбинирования частот и их выходной сигнал не прямо пропорционален входному. Например, диоды преобразуют входное напряжение в ток, проходящий через n-p переход, а это означает: частота тока будет соответствовать модуляции входного сигнала, а не непосредственно частотам, присутствующим во входном сигнале. Из-за нелинейности смесителей, интермодуляционные искажения – которые подобны гармоническим искажениям для нескольких частот – приводят к появлению паразитных частот, т.е. появляются такие комбинационные составляющие, как 2·ВЧ+0,2·ВЧ+Гет, 3·ВЧ+2·Гет и т.д., которые вносят вклад в потери преобразования. Потери преобразования – это важная характеристика смесителей, связывающая выходную мощность ПЧ с входной мощностью ВЧ.

В этой статье мы приводим результаты измерений смесителей, полученные с помощью измерительной системы на основе ВАЦ C2420 серии Кобальт ООО "ПЛАНАР". В качестве измеряемого смесителя использован Mini-Circuits ZX05-1L-S+, такой же смеситель был использован в качестве калибровочного смесителя при выполнении векторной калибровки (VMC). Кроме того, для выполнения VMC был подключён полосовой фильтр, выделяющий сигнал ПЧ. Для уменьшения влияния паразитных сигналов полоса пропускания фильтра ПЧ была установлена равной 100 Гц (если не указано иное).

3. Скалярная калибровка смесителей

Для измерения смесителя сначала необходимо выполнить скалярную калибровку смесителя (SMC) ВАЦ, которая учтёт смещение частоты, вносимое смесителем. С выхода ВАЦ подается сигнал ПЧ или ВЧ, который должен быть преобразован в интересующую частоту на выходе смесителя. Поскольку выходная частота на порту 2 ВАЦ не совпадает с входной частотой порта 1, порт 2 должен быть настроен на режим смещения частоты.

В этом случае с первого порта ВАЦ на вход смесителя подаётся сигнал ВЧ или ПЧ, в результате чего на выходе образуется с сигнал с интересующей частотой, который подаётся на второй порт ВАЦ. В этой ситуации в приборе должен быть активирован режим смещения частоты для настройки подключённого к выходу смесителя второго порта анализатора на необходимую частоту.

ВАЦ ООО "ПЛАНАР", работающие под управлением ПО S2VNA, S4VNA, SNVNA, поддерживают режим смещения частоты между портами, а также режим смещения между источником и приёмниками одного порта (опционально для ряда серий ВАЦ).

Калибровка SMC включает стандартную калибровку Short-Open-Load-Thru (SOLT), с учетом всех интересующих диапазонов.

Это можно выполнить одним из способов:

1. Режим смещения частоты включен, в этом случае каждое измерение SOLT выполняется в двух диапазонах частот. Способ требует больше времени, но обеспечивает лучшую точность калибровки.

2. Без использования режима смещения частоты, выполняя за один цикл измерения в полосе, включающей все интересующие диапазоны частот. Способ ускоряет процесс калибровки, но приводит к интерполяции при реальных измерениях.

Порядок калибровки SMC подробно описан в руководствах по эксплуатации на анализаторы ООО "ПЛАНАР".

4. Потери преобразования в SMC

Потери преобразования – это разница между выходной мощностью сигнала ПЧ PПЧ и входной мощностью PВЧ, которая рассчитывается как:

где P_ВЧ и P_ПЧ, как правило, выражаются − в дБм, L_СОNV − в дБ.

Если рассматривать пассивный смеситель, то его выходная мощность всегда будет ниже входной мощности PВЧ. Потери преобразования считаются основной характеристикой эффективности смесителя, поскольку они напрямую связаны с такими параметрами, как изоляция между портами, КСВН и точка компрессии по уровню 1 дБ.

Измерение потерь преобразования можно проводить при фиксированной или изменяющейся частоте сигнала ПЧ. В первом случае частота сигнала ВЧ будет изменяться синхронно с изменение частоты сигнала гетеродина. При измерениях с меняющейся частотой сигнала ПЧ частота сигнала ВЧ будет изменяться синхронно с ним, а частота сигнала гетеродина будет зафиксирована.

Каждое из последующих измерений выполнено с помощью SMC.

Рисунок 3 – Потери преобразования смесителя

Измерения потерь преобразования, результаты которых приведены на рисунке 2, проводились при фиксированной частоте сигнала ПЧ 30 МГц и мощности сигнала ВЧ -25 дБм. Были выполнены четыре измерения: S21 и S12 с частотой сигнала гетеродина выше частоты сигнала и наоборот.

Результат измерений показывает, что смеситель является взаимным (обратимым) устройством. Заметим, что измерения S21 представляют собой измерения преобразования вниз частот сигнала ВЧ, а измерения S12 – измерения преобразования вверх частот ПЧ при подаче соответствующих сигналов гетеродина.

Графики потерь преобразования, изображенные на рисунках 4 и 5, получены для смесителей, подключенных к ВАЦ в двух разных конфигурациях. В первой схеме ВЧ-сигнал преобразовался в сигнал ПЧ, а затем сигнал ПЧ обратно преобразовывался в сигнал ВЧ. В другой все происходило наоборот. При этом для полной проверки взаимности проводились измерения как S21, так и S12. Как видно из результатов, хотя все значения очень близки, они не являются идеально взаимными.

Рисунок 4 – Потери преобразования вверх при фиксированной частоте сигнала Гет

Рисунок 5 – Потери преобразования вниз при фиксированной частоте сигнала Гет

5. Компрессия преобразования в SMC

При увеличении входной мощности ВЧ-сигнала выше определенного значения, начинается переход смесителя из линейной области в область компрессии, где увеличение входной мощности не приводит к эквивалентному увеличению выходной мощности. Обычно инженеры измеряют точку компрессии по уровню 1 дБ, чтобы определить верхний предел линейной области работы.

В примере, показанном на рисунке 6, мы выполнили свипирование по мощности сигнала ПЧ при мощности гетеродина 5 дБм и частоте 3 МГц. Частота ПЧ установлена равной 100 МГц, а частота ВЧ сигнала – 103 МГц. Точка компрессии по уровню 1 дБ приблизительно равна 0,75 дБм.

Рисунок 6 – Измерение компрессии по уровню 1 дБ

6. Измерения изоляции в SMC

Изоляция показывает, какое количество мощности сигнала, поданного на один порт, проникает на выход других портов, что определяется схемотехнической реализацией смесителя. Например, математически изоляция гетеродинного сигнала между гетеродинным входом и выходом ВЧ (Гет-ВЧ) определяется как разница между мощностью сигнала гетеродина, который просачивается на ВЧ выход, и мощностью сигнала гетеродина, подаваемого непосредственно на гетеродинный вход, выраженная в дБ. В общем случае изоляция обычно включает шесть видов: вышеописанная изоляция портов Гет-ВЧ, изоляция по сигналу ВЧ между портами ВЧ и Гет (ВЧ-Гет), изоляция гетеродинного сигнала и сигнала ПЧ между портами ПЧ и Гет (Гет-ПЧ, ПЧ-Гет), а также изоляция ВЧ и ПЧ сигнала между портами ВЧ и ПЧ (ВЧ-ПЧ, ПЧ-ВЧ). В силу того, что ряд этих видов в большой степени взаимосвязаны, на практике часто измеряются только изоляции Гет-ВЧ, Гет-ПЧ и ВЧ-ПЧ.

Так как мощность сигнала гетеродина обычно намного больше мощности сигнала ВЧ или ПЧ, то измерения значений изоляций Гет-ВЧ, Гет-ПЧ – наиболее важны для инженеров-схемотехников.

Недостаточный уровень изоляции Гет-ВЧ является серьёзной проблемой для инженеров, использующих смесители в приёмниках с антеннами, подключёнными непосредственно к смесителю, поскольку контролирующими организациями накладываются жесткие требования на спектр излучаемых сигналов.

Инженерам-разработчикам также важна информация о просачивании ВЧ сигнала на ПЧ, поскольку оно значительно влияет на потери преобразования смесителя.

Далее на рисунке 7 приведены настройки для различных измерений изоляции и результаты измерений.

Для изоляции Гет-ПЧ на порт ВЧ подключают согласованную нагрузку и генерируют сигнал Гет.

Для изоляции Гет-ВЧ установка аналогична, но согласованную нагрузку подключают на порт ПЧ.

Для изоляции ВЧ-ПЧ генерируют сигнал Гет и измеряют прохождение сигнала через порт ПЧ.

Все приведенные ниже измерения выполняются с помощью полной двухпортовой калибровки Short-Open-Load-Thru (SOLT).

Рисунок 7 – Измерение изоляции смесителя

7. Измерения КСВН в SMC

КСВН показывает, насколько хорошо согласованы импеданс каждого порта смесителя и импеданс подключаемого устройства, который обычно равен 50 Ом. Это важно, поскольку отражение от портов может вызвать переотражения внутри смесителя, что приведёт к неравномерностям в измерениях. Поскольку у смесителя три порта, измерения КСВН зависят от состояния двух других портов, поэтому измерения выполнены при таких состояниях портов, в которых они будут находиться во время работы. Например, если порты ПЧ или ВЧ подключены к фильтру, этот фильтр должен присутствовать во время измерения отражения. В наших измерениях, результаты которых показаны ниже, мы не подключали фильтр.

Рисунок 8 – Измерение КСВН смесителя

Как вы видите на графиках рисунке 9, порты измеряемого смесителя имеют небольшое рассогласование, что приводит к незначительной неравномерности на графиках отражения и КСВН.

8. Векторная калибровка смесителей VMC

Скалярная калибровка смесителя (SMC) достаточно проста в плане требований к настройке и даёт возможность проводить довольно точные скалярные измерения. Однако для измерений фазы коэффициента преобразования и группового времени запаздывания необходима векторная калибровка смесителя (VMC).

VMC требует использования дополнительного смесителя с фильтром, называемым калибровочным смесителем.

К калибровочному смесителю предъявляется ряд требований:

· Диапазон рабочих частот калибровочного смесителя должен быть равен или превышать диапазон частот измеряемого смесителя.

· Коэффициент отражения должен быть низким, чтобы предотвратить появление помех от отражений.

· Потери преобразования должны быть менее 10 дБ.

· Амплитуда и фаза потерь преобразования должны быть равны как в направлении преобразования вверх, так и в направлении преобразования вниз.

· Уровень паразитных составляющих должен быть низким.

· Изоляция между гетеродином и ВЧ, а также гетеродином и ПЧ должна быть не менее 20 дБ.

· Уровень мощности ВЧ должен быть установлен в линейной области, чтобы обеспечить линейность отражений, обычно мощность ВЧ на 30 дБ ниже мощности гетеродина.

· Уровень мощности гетеродина при калибровке должен быть равен уровню мощности гетеродина при работе, поскольку он влияет на многие параметры работы смесителя, особенно на потери преобразования. Уровень мощности гетеродина также должен быть равен мощности гетеродина измеряемого смесителя, что может быть достигнуто с помощью делителя мощности.

Фильтр в составе калибровочного смесителя должен иметь низкие потери в полосе пропускания, чтобы погрешность измерений была незначительной, но при этом на других частотах иметь большую величину подавления, чтобы паразитные сигналы не влияли на результат измерений.

По результатам анализа, смеситель Mini-Circuits ZX05-1L-S+ и полосовой фильтр, используемый в процессе экспериментов, отвечают всем требованиям, предъявляемым к калибровочному смесителю. Также можно использовать смеситель, идентичный вашему измеряемому смесителю, если он соответствует требованиям к калибровке, – как мы и поступили в данном случае.

При выполнении VMC калибровочный смеситель и фильтр не следует рассоединять или менять положение в процессе калибровки и измерений (см. рисунок 9).

Рисунок 9 – Векторная калибровка смесителей

Векторная калибровка смесителя (VMC) основана на повышении или понижении частоты до промежуточного уровня, прохождении сигнала ПЧ через фильтр для выделения необходимой частотной составляющей, а затем понижении или повышении частоты до исходного значения. Так как при этих измерениях не нужен режим смещения частоты помимо потерь преобразования ВАЦ может также измерить и фазовую характеристику цепи. Далее для определения параметров измеряемого смесителя калибровочный смеситель и фильтр математически исключаются из измерений.

Пример результатов таких измерений показаны на рисунке 10.

Рисунок 10 – Коэффициент преобразования S21 и ГВЗ измеряемого смесителя после VMC

9. Потери преобразования в VMC

Изображённые на рисунке 11 потери преобразования были получены с помощью векторной калибровки смесителей (VMC). Важно отметить, что VMC предполагает, что калибровочный смеситель идеально взаимный. Мы знаем, что это не так (см. п. Скалярная калибровка смесителей), но поскольку измеряемый смеситель и калибровочный смеситель – одна и та же модель, ВАЦ будет выполнять почти идентичные измерения S21 и S12, чтобы соответствовать своим калибровочным условиям.

Рисунок 11 – Коэффициент преобразования S21 и S12 измеряемого смесителя после VMC

В этих измерениях частота гетеродина была выбрана равной 400 МГц, частоты ВЧ и ПЧ сигналов изменялись в диапазоне от 20 МГц до 200 МГц и от 420 МГц до 600 МГц соответственно. Преобразованный вверх сигнал проходит через фильтр 420 – 600 МГц (по уровню -3 дБ), который мы использовали в нашей установке.

10. Компрессия преобразования в VMC

Измерения компрессии преобразования смесителя в VMC проводятся аналогично ранее описанному подходу. На рисунке 12 представлены результаты измерений компрессии при мощности сигнала гетеродина на уровне 1 дБм и мощности входного сигнала изменяемой от -30 дБм до 2 дБм.

Для уменьшения пульсаций полоса ПЧ была установлена равной 5 Гц, измерения проводились на частоте 100 МГц.

С помощью функции маркерного поиска в ВАЦ ООО "ПЛАНАР" была определена точка компрессии по уровню 1 дБ (см. рисунок 12), которая в данном случае оказалась равна -2,17 дБм.

Рисунок 12 – Точка компрессии по уровню 1 дБ измеряемого смесителя после VMC

11. Заключение

Ключевыми характеристиками смесителей являются потери преобразования, фаза, групповое время запаздывания, точка компрессии по уровню 1 дБ, изоляция между портами и КСВН портов.

Измерения, требующиеся для получения этих параметров, легко выполняются на векторных анализаторах цепей (ВАЦ) с помощью современных методов калибровки, включая скалярную калибровку смесителя (SMC) и векторную калибровку смесителя (VMC).

По сравнению с векторной калибровкой смесителя скалярная калибровка смесителя имеет более простые настройки и даёт более точные результаты скалярных измерений.

Но для измерения фазы смесителя и группового времени запаздывания необходима векторная калибровка смесителя (VMC).

Функционал ВАЦ компании "Планар", оснащённых соответствующими опциями, включает режим смещения частоты, SMC и VMC калибровки и другие функции для точного определения характеристик устройств с преобразованием частоты.

По всем вопросам, связанным с измерением параметров смесителей, просим обращаться в службу технической поддержки.