تحقیق مقاله طراحی میکسر ها و کاربرد های آن ها

مقدمه:

در طراحی گیرنده معمولاً از مدار آشکارساز استفاده می کنیم. بیشتر مدار های آشکارساز در حضور نویز یا سیگنال های تداخلی به خوبی عمل نمی کنند و بسیاری از آنها در صورت کمتر بودن دامنه سیگنال ورودی از چند ولت اصلا کار نمی کنند در صورتی که سیگنال مطلوب در ورودی گیرنده ممکن است شدت میدانی در حدود میکرولت/متر داشته باشد. در صورتیکه rms نویز و شدت سیگنال تداخلی آنتن در حد ولت/متر است. واضح است که هم بهره و هم قدرت انتخاب در جلوی آشکارساز موردنیاز است.

در قسمت گیرنده چون خیلی ضعیف است و دارای نویز نیز می‎باشد و مدوله شده هم است. بنابراین یک تقویت کننده قرار می‎دهیم که هم سیگنال دریافتی را تقویت کند و هم نویز را از بین ببرد. چون دامنه سیگنال ورودی در حدود میکروولت است و ما دامنه ای در حدود ولت داریم بنابراین بهره تقویت کننده باید حدود 106 باشد. بعد از تقویت کننده باید یک فیلتر قرار دهیم تا سیگنال نامطلوب را از بین ببریم.

ساختن مداری به این صورت دو مشکل دارد:

ساختن فیلتری که بر روی فرکانسهای  و … باشد و دارای گین موردنظر باشد مشکل است. یعنی این فیلتر نمی تواند روی باندی وسیع از فرکانسها قرار بگیرد.

اگر مدار گین بالا داشته باشد و دارای باند باریک نیز باشد به صورت زیر

(نمودار درفایل اصلی موجود است )

اگر  ترانزیستور بتواند با  یک حلقه درست کند این مدار شروع به نوسان می‌کند و در ورودی و قبل از تقویت کننده یک موج سینوسی مستقل از فرکانس داریم که اصلا فرکانس در آن دخالت ندارد.

فرض کنید آشکارساز یک مدار RC باشد.

(تصاویر و نمودار در فایل اصلی موجود است)

یک رابطه باید بین RC و فرکانسها برقرار باشد تا این مدار آشکارساز پوش باشد. یعنی آشکارسازی این مدار بر فرکانس vI و فرکانس carrier بستگی دارد. طراحی آشکارساز بستگی به فرکانس carrier دارد و طراحی آن بر روی باند وسیعی از فرکانس محال است.

ایده: خواسته شد که فیلتر و تقویت کننده بر روی یک فرکانس یکسان ساخته شوند.

بنابراین متوجه می شویم که مشکلات مهمی که در تقویت کننده فرکانس حامل یا RF برگیرنده فرکانس ثابت وجود دارند عبارتند از:

< >کنترل نویز خروجی چنانچه به حد کافی از سطح سیگنال ورودی کمتر باشد.کنترل غیرخطی عنصر فعال برای جلوگیری از اعوجاج سیگنال و برهم کنش با سیگنال ناخواسته.برای جلوگیری از نوسان تقویت کننده باند باریک بهره- بالای طبقه آخر.علاوه بر مشکلات فوق باید بتوانیم روی باند وسیعی از فرکانس طراحی کنیم.

در ابتدا تصمیم گرفته شد که آشکارساز و کل بهره و قابلیت انتخاب همگی براساس فرکانس- ثابت باشند و همه سیگنالهای مدوله شده ورودی را به یک فرکانس میانی یا IF که ثابت است انتقال دهیم که برای این کار یک گیرنده سوپرهترودین پیشنهاد شد. این گیرنده شامل Mixer است.

ویژگیهای اساسی میکسر ها:

میکسرها عموماً برای مالتی پلکس کردن سیگنالهایی با فرکانسهای مختلف در انتقال فرکانسی به کار می رود.

با توجه به اینکه سیگنال های RF ورودی در فاصله بسیار نزدیک و متراکم قرار دارند برای فیلتر کردن سیگنال مطلوب به یک فیلتر با Q بسیار بالا نیاز داریم. اما اگر فرکانس سیگنال RF بتواند کاهش یابد یا در میان سیستمهای مخابراتی down convert شده خیلی بیشتر قابل کنترل خواهد بود.

یکی از بهترین سیستمهای شناخته شده down convert گیرنده سوپر هیترودین است که در شکل (2) نمای کلی آن آمده است.

(تصاویر و نمودار در فایل اصلی موجود است)

بعد از دریافت سیگنال RF به وسیله آنتن و تقویت در تقویت کننده (LNA) low- noise یک میکسر که وظیفه آن ضرب سیگنال ورودی که بر روی فرکانس fRF متمرکز شده با یک سیگنال از اسیلاتور محلی با فرکانس مرکزی fLO می‎باشد. سیگنالی که بعد از میکسر حاصل می‎شود شامل فرکانسهای  می‎باشد. و بعد از عبور از یک فیلتر پائین گذر سیگنالی با فرکانس پائین تر یعنی  به دست می‎آید که این سیگنال را با عنوان فرکانس میانی (IF) نشان می دهند. که این سیگنال برای پروسه های دیگری مورد استفاده قرار می‎گیرد.

دو عضو اساسی در میکسرها عبارتند از ترکیب کننده و آشکارساز. ترکیب کننده می‎تواند از یک تزویجگر جهت دار (directional coupler) با زاویه 90 درجه (یا 180 درجه) استفاده کند.

آشکارسازهای قدیمی یک دیود تنها را به عنوان عنصر غیرخطی به کار می بردند. اما دیودهای دوبل غیرموازی و ترکیبات دیودی تعادلی دوبل بیشتر استفاده می‎شود.

علاوه بر دیودها، میکسرهای MOSFET , BJT با عدد نویز پائین و گین تبدیل بالا در باند X طراحی شده اند.

اما مشکلاتی که گیرنده سوپر هیترودین اضافه می‌کند عبارتند از:

< >میکسر و نوسان کننده محلی را باید طراحی نمود و نوسان کننده محلی باید مدارهای غیرخطی جلوی میکسر را تعقیب کند.چون غالباً میکسرها نویز بیشتری نسبت به تقویت کننده ها تولید می‌کنند و چون با توجه به طبیعتشان دارای خواص غیرخطی هستند حتما نیاز به تقویت کننده RF در جلوی میکسر داریم.المانهای اساسی

قبل از وارد شدن به طراحی مدار میکسر، قابلیت یک میکسر را با در نظر گرفتن اینکه میکسر دو فرکانس در ورودی را گرفته و یک فرکانس که از حاصل ضرب دو سیگنال ورودی به وجود می‎آید مختصراً مرور کنیم.

به روشنی مشخص است که یک سیستم خطی نمی تواند تمام وظایف را برآورده کند و ما نیاز به انتخاب یک وسیله غیرخطی مثل دیود، FET یا BJT داریم که بتوانند حاصل ضرب هارمونیکها را تولید کند.

شکل (3) ترتیب قرار گرفتن سیستم یک میکسر متصل به سیگنال RF را شرح می‎دهد. VRF(t) و سیگنال اسیلاتور محلی VLO(t) که به عنوان سیگنال PWMP شناخته می‎شود نشان داده شده است.

(تصاویر و نمودار در فایل اصلی موجود است)

شکل (3): المانهای اساسی میکسر در سیگنال به کار گرفته شده در ورودی برای تولید یک سیگنال در خروجی به کار می روند.

دیده می‎شود که سیگنال ورودی RF با سیگنال LO ترکیب شده و یک وسیله نیمه هادی (دیود، ترانزیستور یا FET) را تغذیه می‌کند. که این ادوات شامل کاراکترهای انتقال غیرخطی می باشند. و جریان خروجی را برای بار تولید می‌کنند.

جریان خروجی برای دیود و BJT دارای خواص توانی است.

و برای MESFET یک رفتار مربعی داریم:                           

که در اینجا جریان I همان جریان درین و V ولتاژ گیت- سورس است که برای سادگی از نوشتن آنها صرفنظر شده است.

ولتاژ ورودی یعنی ولتاژ اعمالی بر دو سر دیود یا ولتاژ بیس- امیتر و یا ولتاژ گیت- سورس مجموع دو سیگنال LO , RF است که داریم VRF=VRF Cos(wRFt) و سیگنال LO : VLO=VLO Cos(wLOt) و یک بایاس VQ

  (1)

وقتی این ولتاژ به ورودی نیمه هادی ها داده شود جریان خروجی که می‎توان آنرا را به وسیله سری تیلور بیان کرد، حاصل خواهد شد- بسط تیلور در نقطه Q نوشته خواهد شد

فرمول

که ثابتهای B,A بر صورت  بیان می‌شود. با صرفنظر کردن از بایاس IQ,VQ و استفاده از دو معادله (1) و (2) داریم:

فرمول 

فاکتورهای متشکل از Cos2 می‌توانند با توجه به فرمول  بازنویسی شود. که در این صورت ترمهای 2WLOT, 2WRFT را وارد کنید در این صورت معادله (3) به صورت زیر تبدیل خواهد شد.

بنابراین با توجه به استدلال بالا بر این نتیجه می‌رسیم که عملکرد غیرخطی دیود یا ترانزیستور می‌تواند مولفه‌های فرکانسی جدیدی را تولید کند. همچنین دامنه تغییرات نیز VRF,VLO خواهد شد. B نیز یک فاکتور وابسته به وسیله است.

معادله (4) یک سری تیلور است که تنها ترم دوم یعنی V2B در آن وجود دارد. و ترمهای سوم مثل V3C چشم‌پوشی شده است. برای دیودها و BJTها ترمهای هارفونیکی بالاتر می‌تواند روی عملکرد سیستم اثر بگذارد. بنابراین استفاده از درجه دوم در سری تبلور تنها در FETها استفاده می‌شود. بنابراین FETها تمایل کمتری برای تولید هارمونیکهای بالاتر دارند.

تکنیک‌های میکسر کردن:

بنابراین آنچه تا اینجا متوجه شدیم این است که هر ضرب کننده‌ای که بعد از آن یک فیلتر میان‌گذر مناسب قرار بگیرد به عنوان Mixer به کار می‌رود. چون ورودی نوسان کننده محلی دامنه‌ای ثابت دارد، برای ساختن میکسر لازم نیست ضرب کننده ایده‌آل داشته باشیم و در مدار میکسر که امروزه کاربرد بیشتری دارد، ترانزیستور اثر میدان و ترانزیستور دوقطبی هستند. در هر دو حالت سیگنال ورودی و ولتاژ نوسان کننده محلی بر ولتاژ بایاس dc اضافه می‌شوند تا ولتاژ گیت، سورس یا بیس امیتر کلی حاصل شود. سپس این سیگنال از یک عنصر غیرخطی عبور می‌کند تا فرکانسهای مجموع و تفاضلی مطلوب ایجاد شود.

مثال: انتخاب فرکانس اسیلاتور محلی.

کانال RF با فرکانس مرکزی 1.8 GHZ و پهنای باند 20MHZ و یک IF با فرکانس 200MHZ داریم. مقدار مناسب FLO را به دست بیاورید. ضریب کیفیت Q و فیلتر bandpass در حالی که downconversion موجود نباشد را به دست بیاورید در حالت دوم  Q را نیز محاسبه کنید.

حل: با استفاده از میکسر RF و فرکانس LO در عناصر غیرخطی فرکانس IF به دو صورت زیر حاصل می‌شود.

< >FIF = RRF - FLOFIF = FLO - FRFکه این در معادله بستگی بر این دارد که FLO یا FRF کدامیک بزرگتر باشند.

چون 0.2 GHZ = FIF و FRF = 1.89 GHZ داریم.

FLO = FRF - FIF = 1.69GHZ

یا

FLO = FRF + FIF = 2.09 GHZ

هر دوی این اعداد به دست آمده مهم هستند و بر یک اندازه استفاده می‌شوند.

وقتی FRF > FLO باشد میکسر را low – side- injection می‌نامیم. و هنگامی که FRF < FLO باشد طراحی را high- side- injection می‌نامیم. و حالت اول را معمولاً ترجیح می‌دهیم. چون فرکانس‌های LO پائین‌تر برای تولید و عملکرد راحت‌تر هستند. بنابراین بعد از down-conversion سیگنال پهنای باند BW = 20 MHZ در فرکانس مرکزی FR2 = 1.89 QHZ را دارا است.

بنابراین با داشتن یک فیلتر مناسب با ضریب کیفیت  می‌توانیم از این سیگنال به خوبی استفاده کنیم. اما بعد از downconversion پهنای باند سیگنال عوض نمی‌شود. اما فرکانس مرکزی FIF = 200 MHZ شیفت پیدامی‌کند. بنابراین نیاز به یک متغیر band pass با ضریب کیفیت  وجود دارد