Содержание

Параметры пассивных преобразователей частоты

Ю.ЛАВРЕНКО (U1BA), г. С.-Петербург.

Параметры пассивных преобразователей частоты

В специальной и радиолюбительской литературе рассмат­ривается множество различных схем пассивных (не облада­ющих усилительными свойствами) преобразователей час­тоты и модуляторов, однако данные об их параметрах (ко­эффициенте передачи, спектральных характеристиках вы­ходного сигнала и т.д.) часто противоречивы, неполны, а иногда неверны. Оценивать эти параметры можно только путем сравнения их с таковыми для идеального устройства. Поэтому рассмотрим прежде всего идеальный преобразо­ватель частоты на основе ключевой схемы, изображенной на рис.1. Пусть ключ S1 периодически (с периодом Т) замы­кает цепь на время Тк. Будем полагать, что трансформатор Т1 имеет коэффициент трансформации 1:1. Сопротивление R1 является сопротивлением нагрузки. Тогда, при замкну­том ключе, вся мощность входного сигнала поглотится в со­противлении R1, и коэффициент передачи устройства бу­дет равен единице. При разомкнутом же ключе он будет равен нулю. Таким образом, коэффициент передачи H(t) как функция от времени будет представлять собой перио­дическую последовательность прямоугольных импульсов единичной амплитуды длительностью Тк и периодом сле­дования Т. Эту последовательность удобно представить в виде разложения в ряд Фурье:

Сигнал на выходе (на сопротивлении R1) будет равен про­изведению входного сигнала (получаемого от источника U1) на коэффициент передачи H(t). Пусть входной сигнал опи­сывается выражением

Тогда выходной сигнал будет равен:

После преобразований получим

Проанализируем это выражение. В нем содержатся толь­ко частота входного сигнала и так называемые "комбина­ционные" частоты, равные разностям и суммам частот вход­ного сигнала и гармоник опорного (управляющего ключом) сигнала. Заметим, что в выходном сигнале полностью от­сутствуют частоты опорного сигнала и его гармоник. При преобразовании частоты чаще всего используются комби­национные частоты первого порядка (п=1). Оценим коэф­фициент передачи преобразователя по первым комбина­ционным частотам

Из этого выражения видно, что он зависит только от соот­ношения Тк и Т. Можно показать, что Н1 максимален при отношении Тк/Т=1/2 (при этом он будет иметь форму меанд­ра). Его значение равно

Таким образом, можно прийти к выводу, что идеальный одноключевой преобразователь частоты обладает следую­щими недостатками — сравнительно низкой эффективнос­тью преобразования и прямым прохождением входного сиг­нала на выход преобразователя с уровнем 0,5UC. Необходи­мо отметить, что любой другой неидеальный одноключевой преобразователь будет иметь худшие параметры. Если мы обратимся к выражению, описывающему параметры вы­ходного сигнала на выходе смесителя, то придем к выво­ду, что прямое прохождение входного сигнала определяет­ся постоянной составляющей, присутствующей в H(t). Если бы она была равна нулю, то входной сигнал отсутствовал бы на выходе.

Легко догадаться, что для того чтобы избежать появления постоянной составляющей, надо использовать биполярный меандр, например, два идеальных ключа, как показано на рис.2. Трансформатор имеет коэффициент трансформации 1:2, ключи S1 и S2 замыкаются поочередно. Когда включен верхний ключ, а нижний разомкнут, коэффициент передачи описывается приведенными выше выражениями, при обрат­ном положении ключей знак коэффициента передачи меня­ется на отрицательный. При этом постоянная составляющая коэффициента передачи исчезает, следовательно, исчезает прямое прохождение входного сигнала на выход. Коэффици­ент передачи удваивается, как удваиваются и все уровни на­пряжения составляющих комбинационных частот:

Таким образом, мы приходим к выводу, что идеальный пре­образователь частоты с подавлением как входного сигнала, так и сигнала опорной частоты должен обязательно исполь­зовать инверсию знака коэффициента передачи через каж­дые полпериода опорной частоты. При этом коэффициент передачи по первой комбинационной частоте будет равен -3,9224 дБ. Теперь мы имеем возможность сравнивать ре­альные пассивные преобразова­тели частоты с идеальными.

Обычно в реальных преобразо­вателях используются в качестве ключей полупроводниковые дио­ды, как правило, диоды Шоттки, у которых очень небольшие поте­ри. Рассмотрим однодиодный преобразователь (рис.3). Будем полагать, что трансформаторы имеют коэффициент трансформации, рав­ный 1. Источник U1 создает опорное на­пряжение, а источник U2 — напряже­ние сигнала. По своему виду схема на­поминает схему одноключевого преоб­разователя, в котором в качестве ключа используется диод. Однако в этой схе­ме ток через диод, вызываемый опор­ным напряжением, протекает также и через нагрузку (R1), а следовательно, все гармоники опорного сигнала присутству­ют на выходе. Для увеличения коэффициента передачи по комбинационным составляющим первого порядка гармони­ческое напряжение, поступающее от U1, должно быть доста­точно большим (около нескольких вольт), чтобы коэффици­ент передачи цепи был ближе к меандру. Ввиду нелинейнос­ти ВАХ диода появляются комбинационные частоты, завися­щие также и от гармоник частоты сигнала. Таким образом, спектр выходного сигнала содержит набор всех комбинаци­онных частот и гармоник как опорного, так и входного сигна­лов. Учитывая потери в диоде, коэффициент передачи этой схемы по комбинационным частотам первого порядка имеет величину -12...-16 дБ. Самыми большими по мощности (и поэтому наиболее неприятными) на выходе преобразовате­ля являются все компоненты опорного сигнала. Для их по­давления используют "однобалансный" преобразователь с двумя диодами, показанный на рис.4.

Пусть Т2 имеет коэффициент трансформации 1:2, а Т1 — 2:1. Под действием напряжения опорной частоты диоды VD1 и VD2 одновременно открываются и пропускают входной сиг­нал на первичную обмотку Т1, где он складывается синфазно. Токи опорной частоты текут в первичной обмотке Т2 в противоположные стороны и компенсируют друг друга (сте­пень компенсации зависит от идентичности диодов и степе­ни симметрии половинок вторичной обмотки Т2 и полови­нок первичной обмотки Т1). Таким образом, компоненты гар­моник опорной частоты на выходе существенно ослабляют­ся. Диоды открыты только в течение половины периода сиг­нала опорной частоты, поэтому часть входного сигнала при­сутствует на выходе, и коэффициент передачи по первой комбинационной частоте остается таким же, как и "однодиодного" преобразователя.

Рассмотрим еще одну модификацию схемы двухдиодногс преобразователя (рис.5). Трансформатор Т2 имеет коэф­фициент трансформации 1:2, трансформатор Т1 —1:1. Диор VD2 открыт в течение положительного полупериода сигна­ла опорной частоты, диод VD1 — в течение отрицательного полупериода, следовательно, выполняется условие инвер­сии знака коэффициента передачи цепи. Входной сигнал НЕ выходе отсутствует, коэффициент передачи по первой ком­бинационной частоте больше, чем у предыдущей схемы Однако сигнал опорной частоты и его гармоники полностьк проходят на выход, что во многих случаях недопустимо. Oi этого недостатка полностью свободна схема "двойного ба лансного" преобразователя (рис.6).

Трансформатор Т2 имеет коэффициент трансформации 1:2, трансформатор Т1 — 2:1. Диоды VD4 и VD1 открыты в течение положительного полупериода сигнала опорной ча­стоты, VD2 и VD3 — в течение отрицательного полуперио­да. Инверсия знака коэффициента передачи реализуется в течение отрицательного полупериода опорного сигнала, ког­да через диоды VD2 и VD1 ток входного сигнала протекает в первичной обмотке Т1 в направлении, противоположном на­правлению протекания этого тока в течение положительного полупериода опорного сигнала. Диоды VD4 и VD1, а также VD2 и VD3 подсоединены к первичной обмотке Т1 так, что для них всегда соблюдается условие компенсации опорного сигнала и его гармоник на выходе (в меру симметрии обмоток трансформаторов и идентичности диодов). Таким образом, на выходе такого преобразователя отсутствует прямое про­хождение входного сигнала, компенсируются гармоники опор­ного сигнала, и коэффициент передачи по первой комбина­ционной частоте принимает максимальное значение.

Все изложенное позволяет сделать следующие выводы — использование инверсии знака коэффициента передачи цепи преобразователя приводит к подавлению прямого прохож­дения входного сигнала на выход и к максимизации коэф­фициента передачи по первой комбинационной частоте (пре­дельное значение — -3,9223 дБ). Компенсация прохожде­ния сигналов опорной частоты на выход в диодных преоб­разователях реализуется схемными методами, в ключевых — использованием высококачественных ключей.

Несколько слов о реальных коэффициентах передачи по первой комбинационной частоте. По данным фирмы Mini-Circuits, которая выпускает самые разнообразные широко­полосные диодные двойные балансные преобразователи, эти коэффициенты меняются в полосе частот от минималь­ного значения -5,5 дБ (на 1,5 дБ хуже идеального) до макси­мального значения -8,5 дБ (на 4,5 дБ хуже идеального). Этот разброс определяется всеми элементами схемы (транс­форматорами, диодами). Подавление прохождения сигна­лов опорной частоты — от -20 до -50 дБ, подавление про­хождения входного сигнала на выход — такого же порядка. Для получения более обширной информации автор провел моделирование всех четырех схем диодных преобразовате­лей. Моделирование велось в программе Electronics Workbench V.5.12. При моделировании в качестве источни­ка опорного напряжения использовался генератор однополярного меандра частотой 2,5 МГц с напряжением 5 В, пос­ледовательно с которым для получения биполярного меан­дра включен противофазно источник постоянного напряжения 2,5 В. В качестве источника входного сигнала использо­вался источник гармонического напряжения частотой 2 МГц и амплитудой 0,5 В. Последовательно с каждым из источни­ков было включено активное сопротивление 50 Ом, имити­ровавшее его собственное сопротивление. Выход преобра­зователя был также нагружен на 50 Ом. Использовались диоды КД522А и трансформаторы с коэффициентом транс­формации 1:2 и 2:1, с индуктивностью первичной обмотки 50 мкГн. Опыт автора по использованию указанной програм­мы позволяет утверждать, что полученные результаты дос­товерны не только качественно, но и количественно. В таб­лице приведены относительные значения спектральных со­ставляющих сигнала на выходе смесителя, выраженные в децибелах, представляющие наибольший интерес.

Рассматривая эту таблицу, мы видим, что оценки, сде­ланные выше, полностью подтверждаются. Если разница в коэффициентах передачи по комбинационным составля­ющим первого порядка между различными схемами пре­образователей отличается от таковой для идеализирован­ных схем (рис.1 и 2), то мы должны иметь в виду использо­вание реальных диодов (КТ522А заметно хуже диодов Шоттки) вместо идеальных ключей. В отношении абсолютных значений этих коэффициентов надо иметь в виду, что на­пряжение входного сигнала на входе преобразователя на 6 дБ меньше, чем ЭДС источника (за счет внутреннего со­противления источника). Если эти 6 дБ убрать, то упомя­нутые коэффициенты получаются близкими к параметрам реальных, "живых" преобразователей. Несколько меньший коэффициент передачи на частоте (F0-FC) по сравнению с таковым на частоте (F0+FC) объясняется тем, что на мень­шей частоте реактивность трансформатора шунтирует ис­точники значительно сильнее, чем на большей частоте.

Содержание