Способ повышения чувствительности балансных диодных смесителей и устройство для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК H03D7/14 

Область техники

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано, в частности, для повышения чувствительности радиоприемных устройств, а также в трактах преобразования частоты частотно-измерительной аппаратуры.

Уровень техники

Известны различные варианты схем построения балансных и двойных балансных смесителей на полупроводниковых диодах, которые широко применяются в трактах преобразования частоты в радиоприемных устройствах (см., например, [1]), а также в соответствующих трактах различных радиоизмерительных устройств, в частности в частотно-измерительной аппаратуре [2]. При этом балансные схемы (на двух диодах обычно) и тем более двойные балансные схемы (на четырех и более диодах) обеспечивают наибольшее подавление нежелательных комбинационных составляющих преобразуемых частот.

Поскольку радиочастотные смесители применяются, главным образом, во входных трактах радиоприемных устройств, их чувствительность определяется, в значительной степени, чувствительностью смесителей. Поэтому задача повышения чувствительности балансных диодных смесителей является актуальной.

Известно также немалое количество изобретений (см., например, [3, 4, 5] и др.), которые направлены на решение задач по улучшению отдельных параметров балансных смесителей на полупроводниковых диодах. Так, в [3] предлагается схема двойного балансного смесителя для улучшения подавления комбинационных составляющих на выходе в широкой полосе частот диапазона СВЧ. В [4] целью изобретения является увеличение коэффициента подавления шумов гетеродина в супергетеродинных радиоприемниках диапазона СВЧ. В двойном балансном смесителе, предложенном в [5] и содержащем два симметрирующих трансформатора (сигнальный и гетеродинный) и соединенные последовательно четыре диода, образующих мостовую схему, одна диагональ которой соединена с выводами вторичной обмотки сигнального трансформатора, а другая диагональ соединена с выводами вторичной обмотки гетеродинного трансформатора, средние точки вторичных обмоток этих трансформаторов являются выходными выводами смесителя. Для увеличения подавления комбинационных составляющих в выходном сигнале между двумя парами диодов в этом смесителе включены резистивно-емкостные цепочки автоматического смещения, на которых создается запирающее диоды напряжение при увеличении напряжения гетеродина. При этом соединение выводов диодов с выводами вторичной обмотки сигнального трансформатора осуществляется через конденсаторы этих резистивно-емкостных цепочек. Это устройство может быть взято за прототип предлагаемого изобретения.

Следует отметить, что в этих и других изобретениях не решается задача повышения чувствительности диодных смесителей для малых сигналов. В таких смесителях находят применение обычно кремниевые смесительные диоды, имеющие напряжение открывания U₀ около 0,5 В или, как рекомендовано, например, в [1], диоды Шотки (с U₀ около 0,4 В) или, иногда, высокочастотные германиевые диоды типа Д18 или Д311Б (с U₀ около 0,2 В) [2]. Чтобы «открыть» эти диоды в смесителях, нужно подать на них не очень маленькие амплитуды напряжений (обычно от гетеродина): не менее 0,2 В для германиевых диодов, не менее 0,4 В для диодов Шотки и не менее 0,5 В для кремниевых диодов. Смеситель, как подчеркнуто в [6], является одним из самых ответственных узлов гетеродинного радиоприемника. Он должен иметь не только высокий коэффициент передачи, высокое подавление нежелательных комбинационных составляющих, но и малые шумы. При выборе диодов для смесителей предпочтение следует отдать диодам с меньшей емкостью (не более 1…3 пФ) и наименьшим временем восстановления обратного сопротивления (не более 10…30 нс). Шумы диода можно оценить, включив его через разделительный конденсатор емкостью несколько мкФ на вход чувствительного усилителя и подавая на диод прямое и обратное смещение. Хороший диод не должен заметно увеличивать шум на выходе усилителя при прямых токах до нескольких мА и обратном смещении до нескольких В. Наилучшими (из имевшихся в распоряжении автора) оказались кремниевые диоды типа КД514 (подобные диодам с барьером Шоттки ДБШ.). Некоторые другие типы диодов сравнивались в приемнике с балансным смесителем на частоте 20 МГц. Были получены следующие значения коэффициента шума: КД503А - 32, Д311 - 37, ГД597А - 50, Д9 - 200. Д18 - 265. Последние два типа диодов явно хуже других по шумам. В работе [7], опубликованной недавно в Интернете, рассматриваются разные варианты подбора идентичных по параметрам диодов для смесителей. Один из авторов, измеряя шумы диодов при прямом смещении, поданном через резистор 10 кОм, обнаружил, что при увеличении прямого тока от очень малых величин шумы, генерируемые диодом, сначала падают, потом проходят «ложбину оптимума» и затем снова начинают расти с ростом прямого тока через диод.

Сущность изобретения

Предлагаемый способ повышения чувствительности балансных диодных смесителей заключается в том, что через последовательно соединенные диоды смесителей пропускают постоянный прямой ток такой (малой) величины, чтобы рабочая точка на вольт-амперной характеристике (ВАХ) каждого из идентичных диодов соответствовала наиболее нелинейному участку этой ВАХ-участку (О - 1), как показано на рисунке Рис. 1а, где 1, 2 - участок приближенно прямолинеен - экспонента;

0,1 - ток меняется нелинейно; 0,3 - обратный ток.

Прямой ток на диоды подается от источника питания соответствующей полярности через последовательно соединенные резисторы, один из которых является подстроечным, а другой - постоянным, соединенным с последовательно включенными диодами смесителя через последовательно соединенный с этим постоянным резистором высокочастотный дроссель с одной стороны и первым из последовательно включенных диодов с другой стороны. Нагрузочная характеристика при этом выглядит так, как показано на Рис. 1б. Нагрузочная линия, проведенная из точки с напряжением, равным напряжению источника питания Е_п на горизонтальной оси напряжений V к точке пересечения на оси токов I при токе (максимальном), равном отношению напряжения питания Е_п к сумме сопротивлений резистора подстроечного и резистора постоянного, включенных последовательно с дросселем в цепи подачи постоянного прямого тока в цепочку последовательно соединенных диодов смесителя. Нагрузочная линия (на Рис. 1б) пересекает совокупную ВАХ последовательно соединенных диодов смесителя в рабочей точке А, где ток I_A равен установленному прямому току диодов, величина которого должна соответствовать минимуму из генерируемых диодами шумов, а напряжение U_A равно сумме падений прямого напряжения на диодах (его можно измерить высокоомным вольтметром). Величина прямого напряжения на каждом диоде при этом будет близка к напряжению «открывания» диода, т.е. чувствительность смесителя будет увеличена. Благодаря включению высокочастотного дросселя последовательно с резисторами цепь подачи прямого тока от источника питания на диоды смесителя не оказывает никакого негативного влияния на работу диодов с высокочастотными сигналами в смесителе.

Вариант устройства для реализации предложенного способа повышения чувствительности балансных диодных смесителей предлагается в виде двойного балансного смесителя, схема которого представлена на Рис. 2. Она содержит четыре полупроводниковых диода 1, 2, 3 и 4, соединенные последовательно разноименными электродами друг к другу, и два симметрирующих трансформатора 5 и 6, через первичные обмотки которых к смесителю присоединяются источники входного сигнала через трансформатор 5 и сигнала гетеродина через трансформатор 6. Эти трансформаторы конструктивно одинаковы и, как рекомендовано, например в [1], намотаны в три провода, скрученные в жгут, и содержат одинаковое количество витков в первичной обмотке и в каждой половине вторичной обмотки, которые соединены так, что вторичные обмотки имеют среднюю точку. В трансформаторе 5 эта средняя точка соединена с общей шиной, а в трансформаторе 6 она соединена с выходом смесителя «Вых. пч.».

Предлагаемая схема двойного балансного смесителя отличается тем, что для пропускания через диоды прямого постоянного тока от источника питания 7 с напряжением питания Е_п соответствующей полярности через последовательно соединенные подстроечный резистор 8 (для регулировки величины протекающего через диоды прямого тока) и постоянный резистор 9 включен и высокочастотный дроссель 10, соединенный другим выводом также и с соответствующим выводом первого из четырех последовательно соединенных диодов, при этом к точке соединения резисторов 8 и 9 присоединен также фильтрующий конденсатор 11, другой вывод которого соединен с общей шиной. Точка вывода первого диода 1 и дросселя 10 через разделительный конденсатор 12 соединена с верхним (на схеме) выводом вторичной обмотки трансформатора 5, к которому также присоединен и вывод четвертого диода, который через верхнюю половину вторичной обмотки трансформатора 5 соединяется с общей шиной, обеспечивая таким образом протекание прямого тока через диоды. Нижний вывод вторичной обмотки трансформатора 5 соединен через разделительный конденсатор 13 с точкой соединения разноименных электродов второго и третьего диодов. Вторичная обмотка трансформатора 6 соединена нижним (на схеме) выводом через разделительный конденсатор 14 с точкой соединения разноименных электродов третьего 3 и четвертого 4 диодов, верхний вывод вторичной обмотки трансформатора 6 соединен через разделительный конденсатор 15 с точкой соединения разноименных электродов первого и второго диодов. Таким образом, в предложенной схеме двойного балансного смесителя цепь подачи постоянного прямого тока от источника питания 7 через последовательно соединенные резисторы 8, 9 и высокочастотный дроссель 10 на последовательно включенные диоды 1…4 не оказывает негативного воздействия на работу этого смесителя с высокочастотными сигналами, подаваемыми на соответствующие выводы этих диодов с выводов вторичных обмоток симметрирующих трансформаторов 5 и 6 через разделительные конденсаторы 12…15, емкости которых должны быть выбраны такими, чтобы эти конденсаторы имели малое сопротивление на частотах сигнала, гетеродина и на частотах преобразованных сигналов (промежуточных).

Осуществление изобретения

Симметрирующие трансформаторы для балансных смесителей конструктивно одинаковы и, как рекомендовано, например в [1], намотаны в три провода, скрученные в жгут, и содержат одинаковое количество витков в первичной обмотке и в каждой половине вторичной обмотки, которые соединены так, что вторичные обмотки имеют среднюю точку. Что касается выбора и подбора диодов, следует руководствоваться рекомендациями [6, 7] и учитывать, что хороший диод не должен заметно увеличивать шум на выходе при прямых токах до нескольких мА и обратном смещении до нескольких В. Наилучшими (из имевшихся в распоряжении автора [6]) оказались кремниевые диоды типа КД514 (подобные диодам с барьером Шоттки ДБШ.). Никаких принципиальных ограничений для реализации нет.

Источники информации

1. Рэд Э.Т. Схемотехника радиоприемников: Пер. с нем. - М.: Мир, 1989. - 152 с.

2. Аппаратура для частотных и временных измерений / Под ред. А.П. Горшкова. - М.: «Советское радио», 1971. - 336 с.

3. Двойной балансный смеситель. Авт. свид. №845263, МПК H03D 7/14 СССР, заявл. 22.03.77, опубл. 07.07.81, Бюл. №25 / автор Биленко А,А,

4. Балансный смеситель. Авт. свид. №964967, МПК H03D 7/14 СССР, заявл. 13.02.81, опубл. 07.10.82, Бюл. №37 / автор Сараев С.М.

5. Двойной балансный смеситель. Авт. свид. №1104644, МПК H03D 7/14 СССР, заявл. 28.01.82, опубл. 23.07.84, Бюл. №27 / авторы: Леушин В.Ю., Лейтман И.Я.

6. Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. - М.: Патриот, 1990. - 264 с.

7. В.Н. Лифарь, В. Кононенко. О подборе диодов в смесителях. - Опубликовано в Интернете.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано, в частности, в трактах преобразования частоты частотно-измерительной аппаратуры. Технический результат заключается в повышении чувствительности радиоприемных устройств. В способе, а также устройстве для его реализации через последовательно соединенные диоды смесителей пропускают постоянный прямой ток такой величины, чтобы рабочая точка на вольт-амперной характеристике (ВАХ) каждого из идентичных диодов соответствовала наиболее нелинейному участку этой ВАХ и минимуму шумов. Прямой ток на диоды подается от источника питания соответствующей полярности через последовательно соединенные резисторы, один из которых является подстроечным, а другой - постоянным, соединенным с последовательно включенными диодами смесителя через последовательно соединенный с этим постоянным резистором высокочастотный дроссель с одной стороны и первым из последовательно включенных диодов с другой стороны. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ повышения чувствительности балансных диодных смесителей, отличающийся тем, что через последовательно соединенные разноименными электродами друг к другу диоды смесителей пропускают постоянный прямой ток такой малой величины, чтобы рабочая точка на вольт-амперной характеристике каждого из диодов, которые должны быть идентичными, соответствовала наиболее нелинейному участку этой вольт-амперной характеристики и минимуму генерируемых диодами шумов, при этом прямой ток на диоды поступает от источника питания соответствующей полярности через последовательно соединенные резисторы, один из которых является подстроечным, а другой - постоянным, и через высокочастотный дроссель для исключения негативного влияния цепи подачи постоянного прямого тока от источника питания на работу диодов с высокочастотными сигналами в смесителе.

2. Устройство для реализации способа - двойной балансный смеситель, содержащий четыре полупроводниковых диода, соединенных последовательно разноименными электродами друг к другу, и два симметрирующих трансформатора, сигнальный, к первичной обмотке которого подключен источник входного высокочастотного сигнала, а вторичная обмотка имеет среднюю точку, которая соединена с общей шиной, и гетеродинный, к первичной обмотке которого подключен источник гетеродинного сигнала, а его вторичная обмотка также имеет среднюю точку, которая соединена с выходным выводом смесителя для преобразованного выходного сигнала, отличающееся тем, что прямой постоянный ток на последовательно соединенные диоды поступает от источника питания соответствующей полярности через последовательно соединенные подстроечный и постоянный резисторы, а также через высокочастотный дроссель, при этом точка соединения резисторов соединена с одним выводом фильтрующего конденсатора, другой вывод которого соединен с общей шиной, точка соединения выводов высокочастотного дросселя и первого диода соединена через один разделительный конденсатор с одним - верхним выводом вторичной обмотки сигнального трансформатора, к которому присоединен также и другой вывод четвертого диода, который соединен через одну - верхнюю половину вторичной обмотки этого трансформатора с общей шиной, обеспечивая таким образом протекание через диоды постоянного прямого тока, а другой - нижний вывод вторичной обмотки сигнального трансформатора соединен через другой разделительный конденсатор с точкой соединения разноименных выводов второго и третьего диодов, один - верхний вывод вторичной обмотки гетеродинного трансформатора соединен через третий разделительный конденсатор с точкой соединения разноименных электродов первого и второго диодов и, наконец, другой- нижний вывод вторичной обмотки гетеродинного трансформатора соединен через четвертый разделительный конденсатор с точкой соединения разноименных электродов третьего и четвертого диодов, при этом емкости этих четырех разделительных конденсаторов должны быть выбраны такими, чтобы эти конденсаторы имели малые сопротивления на частотах сигнала, гетеродина и на преобразованных частотах.