Для начинающих. Простой супергетеродин "315-23". Часть 5.

Переходим к очень важным блокам радиоприемных и передающих устройств - смесителями. Кто-то знаком с аудио смесителями (микшерами). В них два или больше входных сигналов складываются и на выходе присутствует их сумма, но при этом входные сигналы не взаимодействуют друг с другом.

Радиочастотные смесители фактически перемножают входные сигналы и формируют новую частоту, хотя и остатки исходных частот на его выходе присутствуют.

Рис. 1. Схематическое изображение смесителя.

У смесителя есть два входа и один выход. Входы имеют обозначение RF (radio frequency, частота сигнала, fc), LO (local oscillator, местный генератор, ГПД, fг). Выход имеет обозначение IF (intermediate frequency, промежуточная частота. fпч). Входы и выход смесителя часто называют портами.

В идеальном смесителе на выходе присутствуют два сигнала, частоты которых равны RF +/- LO, сигнал RF и LO не проходят на выход. В реальных смесителях это, конечно, не соблюдается и наша задача выбрать смеситель наиболее приближенный к идеальному.

Этому требованию лучше всего отвечают балансные смесители. Именно в них развязка между входами и между входами и выходом имеет наибольшее значение. Развязка имеет весьма важное значение, т.к. уровень входных сигналов, в особенности LO, может быть достаточно высоким, что вызывает ухудшение характеристик системы. Сигнал LO может наводить помехи на входной сигнал путем взаимодействия с РЧ-усилителем или путем излучения РЧ-энергии на порте антенны. Утечка мощности LO на выход IF может сжимать динамический диапазон остальных ПЧ-блоков приемного тракта, вызывая ложные срабатывание системы АРУ, ограничение сигнала и возникновение искажений. Утечка сигнала RF на выход IF и наоборот показывает, насколько хорошо сбалансирована схема, что влияет на потери преобразования. Чем лучше сбалансирован смеситель, тем меньше потери на преобразование.

Смесители могут быть пассивными и активными. В пассивных смесителях использовались чаще всего диоды, а сейчас используют ключи на полевых транзисторах. Пассивные смесители чаще всего строят по схеме кольцевого балансного смесителя, в котором один или оба входных сигнала сбалансированы относительно выхода (подавлены и не присутствуют на выходе смесителя). Кольцевые балансные смесители имеют хорошую развязку между портами и улучшенную линейность.

Свой первый кольцевой балансный смеситель я собрал в ходе монтажа основной платы "Электроники Контур-80".

Рис. 2. Участок схемы основной платы Контур-80.

Одним из достоинств кольцевых балансных смесителей является их обратимость: в режиме приема (рис. 1) он работает как смеситель. а в режиме передачи - как балансный модулятор, на выходе которого формируется DSB-сигнал. В "Контур-80" первый и второй смесители имеют немного разную схему, а я для упрощения, а также из-за отсутствия режима передачи, использую два одинаковых смесителя.

Рис. 3.

Теперь о деталях. Как я уже писал, выбор диодов зависит от ваших возможностей. Наилучшими будут диоды с барьером Шоттки, но выпрямительные здесь не пойдут. Нужны "Silicon Schottky Barrier Diode for UHF TV Tuner Mixer", например 1SS86 с емкостью 0,85 пФ, или 1N6263 - быстрый переключающий диод (1 нс, 2,5 пФ), или отечественный КД922 (0,8 пФ, 1 ГГц). Преимуществом диодов с барьером Шоттки является их малое сопротивление в открытом состоянии, низкие шумы, у кремниевых диодов Шоттки прямое напряжение заметно меньше чем у обычных кремниевых диодов, что делает возможность использовать более низкое напряжения гетеродина.

Также имеют низкое прямое напряжение германиевые диоды типа Д311, Д18, Д9 (от лучшего к худшему).

Быстрые кремниевые диоды имеют прямое напряжение почти в два раза больше, чем у германиевых и Шоттки, а также бОльшее сопротивление в открытом состоянии. Но они все равно широко применяются. Из наших лучший вариант - КД514 (0,85 пФ), но для моего приемника подойдут и КД503, КД522 (в Контур-80 стояли КД503Б) и т.д, из импортных - 1N4148 (4 пФ, 4 нс) и подобные.

Короче, работать будут любые, кроме выпрямительных.

Второй, не менее важный, элемент смесителя - это трансформаторы. Это не простые трансформаторы, в которых передача энергии от одной обмотке осуществляется магнитным полем. Это широкополосные трансформаторы на длинных линиях (ШПТЛ). Его обмотки должны представлять собой длинные линии с известным волновым сопротивлением. Проще говоря - все “обмотки” трансформатора должны быть сделаны из параллельных или слегка скрученных проводов с одинаковыми расстояниями между ними. На самом деле эти "длинные линии" не такие уж и длинные :)

Как правило, длинная линия намотана на ферритовом кольце, которое предназначено для того что бы погасить токи, протекающие по наружной поверхности самой ДЛ, и в передаче энергии феррит участия не принимает. Энергия же передается внутри длинной линии.

Теперь от теории к практике. Один из главных вопросов при изготовлении ШПТЛ - это марка феррита. Если это отечественный феррит, то подходят марки НН (1000НН, 600НН, 400НН). Феррит марок НМ также подойдет. Как их отличить? Очень просто, с помощью мультиметра, включенного для измерения сопротивления.

Рис. 4. Это феррит НМ.

У ферритов НМ сопротивление относительно низкое - сотни Ом - единицы кОм.

Рис. 5. Это феррит НН.

Ферриты НН (а также ВН и ВЧ) имеют очень высокое сопротивление - десятки МОм, т.е. они практически являются изоляторами. Очень часто рекомендуют закруглять острые грани колец, так как они могут повредить изоляцию проводников и замкнуть их. Но это неправда. Так стоит ли закруглять грани?

Рис. 6.

Стоит, если вы из кольца 6А сделаете кольцо 6Б, ток как в этом случае витки обмотки (желтые) будут плотнее прилегать к кольцу. Но сможете ли вы это сделать? Попробуйте.

Какая проницаемость должна быть у феррита? Это не критично: оптимально - от 2000 до 400. Из импортных ферритов проще всего найти кольца зеленого цвета - они аналог феррита НМ и встречаются в энергосберегающих лампах. Их проницаемость по моим измерениям около 6000. В сети их проницаемость оценивают от 4000 до 16000, видимо это зависит от партии.

А теперь - к экспериментам.

Рис. 7.

На рис. 7 как раз такие кольца. Диаметр колец тоже не критичен: внешний диметр от 6 до 16 мм (можно и 30, но тогда размеры смесителя совсем не разумные). Простейшим примером длинной линии является витая пара, она годится для намотки, но колец большого диаметра. Обычно длинные линии для намотки ШПТЛ изготовляют, скручивая проволочные проводники. Я взял для кольца 6 мм провод 0,15 мм, а для колец бОльшего диаметра - провод 0,33мм. Обычно рекомендуют делать 2-3 скрутки на 1 см.

Для испытания я взял как отечественные кольца, так и импортные.

Рис. 8.

К одной обмотке я подключил выход NanoVNA, а к другой - вход. Использую программы NanoVNA Saver.

Рис. 9. Зеленое кольцо 6 мм,, 7 витков, обмотки включены противофазно.

Есть спад с увеличением частоты, но небольшой - порядка 1,5 дБ.

Рис. 10. Зеленое кольцо 6 мм,, 7 витков, обмотки включены синфазно.

Как видим, способ включения имеет значение: при противофазном включении потери меньше, чем при синфазном, хотя и очень не намного.

Рис. 11. Зеленое кольцо 10 мм,, 7 витков, обмотки включены противофазно.

Увеличение диаметра кольца и диаметра провода никак не сказалось на потерях в трансформаторе. Увеличил количество витков до 16-ти.

Рис. 12. Зеленое кольцо 10 мм,, 16 витков, обмотки включены противофазно.

Потери на частоте 1 МГц стали чуть меньше, а на частоте 30 МГц - чуть больше. Перехожу к кольцу из отечественного феррита 400НН диаметром 10 мм.

Рис. 13. Кольцо 400НН 10 мм,, 8 витков, обмотки включены противофазно.

Отечественное - значит отличное. ШПТЛ практически без потерь. Увеличиваю количество витков до 12-ти.

Рис. 14. Кольцо 400НН 10 мм,, 12 витков, обмотки включены противофазно.

А вот здесь увеличение количества витков существенно увеличила потери на высоких частотах.

Беру кольцо из отечественного феррита 100НН (рис. 8.4) диаметром 12 мм.

Рис. 15. Кольцо 100НН 12 мм,, 8 витков, обмотки включены противофазно.

У этого трансформатора очень высокие потери на низких частотах, да и во всем диапазоне тоже.

Теперь очередь желтого кольца с белым торцом от дядюшки Ху (рис. 8.6) диаметром 14 мм. Его проницаемость 75, т.е. оно достаточно высокочастотное.

Рис. 16. Желтое кольцо 12 мм,, 8 витков, обмотки включены противофазно.

В этом случае, хоть проницаемость кольца меньше. чем у предыдущего, завал в низкочастотной части диапазона меньше. И, наконец, трансформатор на красном кольце с черным торцом, аналог наших ВН и ВЧ, с проницаемостью 10.

Рис. 17. Красное кольцо 12 мм,, 8 витков, обмотки включены противофазно.

В диапазоне от 10 МГц до 30 МГц потери порядка 1,5 Дб, но характеристика равномерная.

Я решил проверить, как будут выглядеть классические трансформаторы на зеленом и красном кольцах.

Рис. 18.

Рис. 19. Красное кольцо 12 мм,, 8 витков, обмотки включены противофазно.

Рис. 20. Зеленое кольцо 10 мм,, 8 витков, обмотки включены противофазно. Добавьте описание.

Да, сразу видно, что ШПТЛ - это не обычный трансформатор.

Я буду в своих смесителях использовать зеленые кольца с внешним диаметром 10 мм. С количеством витков еще пошаманю и сообщу.

Как видите, чтобы сделать ШПТЛ в широком диапазоне, нужно проверять их свойства с разными ферритами. Это только одна из причин того, что всеволновой приемник (или трансивер) - это компромисс. Но об этом позже.

Всем здоровья и успехов!