Mieszacz typu H na transformatorach TLT

Mieszacz typu H na transformatorach TLT

Artykuł „The „True” TLT H-mode Mixer” z QEX 07/08-2010
Autor: Oleg Skydan, UR3IQO
Tłumaczenie: Waldemar Sznajder, 3Z6AEF
Mieszacz typu H na transformatorach TLT
Transformatory są ważnymi podzespołami w konstrukcjach mieszaczy typu H i to pomimo ich
wielu ograniczeń. W niniejszym artykule przedstawiono nowatorskie podejście do konstrukcji mieszacza
typu H, wykorzystujące ciekawą konfigurację połączeń transformatorów liniowych (TLT – Transmission
Line Transformers).
W roku 2003 skonstruowałem pierwszą wersję
mojego TRX-a z wykorzystaniem przetwarzania DSP w
torze pośredniej częstotliwości IF (zob. 1. na końcu
artykułu). Urządzenie to posłużyło do wielu doświadczeń i
było bazą dla kolejnych pomysłów i modyfikacji, zarówno
sprzętowych jak i programowych. W wyniku kolejnych
usprawnień, w 2008 roku, aby zaspokoić wzrastające
wymagania i potrzebę uwzględnienia nowych rozwiązań,
konieczne stało się zaprojektowanie i wykonanie kolejnej
wersji urządzenia.
Nowy TRX musiał spełniać moje wymagania
wysokiego współczynnika IP3 w całym zakresie
krótkofalowym przy jednocześnie względnie małych
szumach (parametr NF). Celem było osiągnięcie IP3 na
poziomie co najmniej +40 dBm na wszystkich pasmach
HF oraz jak najniższego współczynnika NF. Stąd
bezpośrednio wynikła potrzeba poszukiwania układu
mieszacza, który spełniałby zakładane warunki.
Mieszacze typu H (zob. przypisy 2. 3. ) są ogólnie
znane i stosowane od lat w nowoczesnych TRX-ach
krótkofalowych – głównie z powodu ich względnej
prostoty układowej, taniości stosowanych elementów oraz
wprost wyjątkowej efektywności przemiany. Dobre
rezultaty zastosowania zrównoważonego mieszacza typu
H w T03DSP, zachęcały do poszukiwania kolejnych,
doskonalszych rozwiązań, których rezultaty przedstawiono
poniżej.
W poszukiwaniach nowych rozwiązań pomocne
okazały się znakomite prace badawcze, które
przeprowadził Martein Bakker, PA3AKE. Jego pomiary i
doświadczenia, wykonane dla wielu konfiguracji
mieszaczy typu H wykazały, że sprawność oraz jakość
tych układów zależy wprost od parametrów dwóch
najważniejszych podzespołów: przełączników („kluczy”
cyfrowych) oraz transformatorów.
W moich doświadczeniach ograniczyłem się jedynie do
najpopularniejszych kluczy typu FST3125 oraz dwóch
rodzajów transformatorów: fabrycznych typu T4-1 oraz
wykonanych samodzielnie na rdzeniach toroidalnych. Dla
każdego układu zmierzono parametr IP3, który – jak się
okazało – silnie zależał od częstotliwości pracy,
pogarszając się wraz z jej wzrostem: +35..+40 dBm w
paśmie 160m, aż do +25..+30 dBm w paśmie 10m.
Ponieważ takie osiągi nie były zadowalające, zacząłem
poszukiwać możliwości ich polepszenia.
Mieszacz typu H w wykonaniu RZ4HK
Podczas
konkursu
dla
radioamatorów
-konstruktorów, przeprowadzonego w 2007 roku pod
patronatem Suntel Corp. w Moskwie, Gennady Bragin
RZ4HK zaprezentował swoją wersję mieszacza typu H,
wykonaną z wykorzystaniem transformatorów liniowych
(TLT – Transmission Line Transformer) – rys.1.
Rys. 1. Mieszacz RZ4HK.
Deklarowana sprawność miała być lepsza niż
mieszacza typu H w wykonaniu klasycznym, szczególnie
pod względem szerokopasmowości oraz odporności na
intermodulację. Jednak moje testy i pomiary wykazały, że
tak naprawdę, to rozwiązanie RZ4HK nie jest znacząco
lepsze niż to z użyciem konwencjonalnych transformatorów – faktycznie, osiągnąłem bardzo dobre rezultaty
na wybranych pasmach, ale nie w całym zakresie
krótkofalowym HF.
Dalsza analiza mieszacza RZ4HK ujawniła słabe
punkty tego układu. Spójrzmy na rys.1. : w czasie każdej
połowy cyklu oscylatora heterodyny LO zawsze jeden z
transformatorów T3 albo T4 stanowi otwartą linię, która
dołączona do transformatorów wejściowych wprowadza
dodatkowe pojemności rozproszone, co zdecydowanie
utrudnia osiągnięcie dużej szerokopasmowości układu.
Aby rzeczywiście osiągnąć wysokiej jakości mieszacz
typu H z wykorzystaniem TLT, konieczna jest taka
konfiguracja, która nie będzie wprowadzała ich w stan
otwartej linii. Innymi słowy, transformatory nie powinny
zawierać takich nadmiarowych linii/uzwojeń, które
stanowiąc otwartą linię (w pewnych stanach) wprowadzają
pasożytnicze obciążenia reaktancyjne - co z kolei zawsze
powoduje utratę jednej z największych zalet TLT – t.j.
szerokopasmowości.
Projekt mieszacza typu H - „True” TLT
Głównym celem mojego projektu była redukcja
ilości i rodzajów transformatorów, przy zachowaniu
wysokich parametrów całego układu, a szczególnie
szerokopasmowości.
Układ zrównoważonego mieszacza typu H w
„prawdziwym” trybie TLT przedstawiono na rys.2.
Taka konfiguracja zapewnia także transformację
impedancji w stosunku 4:1, tzn. dla wejścia 50 Ohm
dostaniemy 12.5 Ohm na wyjściu, przy 100 Ohm na
wejściu będzie 25 Ohm na wyjściu, itd.
Rozważmy teraz wariant mieszacza podwójnie
zrównoważonego. W tym przypadku trzeba użyć niejako
dwóch
pojedynczych
obwodów,
dostarczających
różnofazowych
sygnałów
do
transformatorów
dopasowujących linie symetryczne na niesymetryczne
wyjście.
Dwa sygnały w przeciwnej fazie można łatwo
uzyskać, po prostu łącząc równolegle dwa identyczne
układy mieszaczy z rys.2, odwracając dołączenie linii
wejściowych, jak to pokazano na rys. 4. Typowy balun 1:1
(Guanella) jest tu użyty do połączenia symetrycznych
wyjść obu mieszaczy, aby otrzymać jedno wyjście
niesymetryczne. Jak widać, wykorzystując tylko pięć
prostych konstrukcyjnie transformatorów (tylko 50 i 100
omów) , uzyskuje się podwójnie zrównoważony,
„prawdziwy” mieszacz TLT typu H.
Rys. 2. Zrównoważony mieszacz typu H „True” TLT.
Składa się on z dwóch transformatorów TLT: T1
w konfiguracji Guanelli 1:1 oraz T2 w konfiguracji
Ruthroff'a 4:1. Zasada działania przedstawiona jest na
rys.3. W czasie, kiedy przełącznik (klucz analogowy) SW1
jest włączony (zwarcie do masy) i jednocześnie
przełącznik SW2 jest wyłączony (otwarty), to
transformator T1 zapewnia dodatkowe przesunięcie 180
[stopni] (rys. 3A) – w porównaniu do odwrotnej sytuacji,
kiedy SW1 jest otwarty, zaś SW2 włączony.
W tym ostatnim przypadku T1 zachowuje się jak
dopasowany obwód linii transmisyjnej. Jak widać,
naprzemienne, cykliczne przełączanie kluczy SW1/SW2
powoduje w rezultacie rotacje fazy o 180 stopni. Jak
widać, w tym układzie nigdy nie ma niepożądanej sytuacji
otwartej linii – niezależnie od fazy sygnału heterodyny.
Rys.4. Podwójnie zrównoważony mieszacz typu H.
Zasada działania tego układu jest przedstawiona
na rys. 5A i rys. 5B. Należy podkreślić, że układ podwójne
zrównoważony
zachowując
zalety
pojedynczego
mieszacza zrównoważonego (tzn. brak sytuacji otwartej
linii), dodatkowo zapewnia jednakową impedancję wejścia
i wyjścia. Ewentualne niewielkie niezrównoważenie może
być spowodowane różnicami w charakterystykach
transformatorów T1 i T3, należy więc zwrócić szczególną
uwagę na symetrię ich wykonania.
Prototyp
Przedstawiona powyżej idea wygląda całkiem
dobrze na papierze, ale oczywiście ostateczną weryfikacją
było zbudowanie układu i przeprowadzenie rzetelnych i
skrupulatnych pomiarów.
Rys.3. Zasada działania zrównoważonego mieszacza typu
H „True” TLT.
W pierwszym etapie należało wykonać
transformatory liniowe, do czego potrzebne były 50omowe linie transmisyjne. Zdecydowałem o użyciu linii w
postaci skrętki, ale dostępne dane umożliwiające
samodzielne wykonanie skrętki o wymaganej impedancji,
Rys. 5. Zasada działania podwójnie zrównoważonego
mieszacza typu H „True” TLT.
nie były zbyt precyzyjne (zob. poz. 8 w przypisach). Jako
że impedancja użytej skrętki ma decydujący wpływ na
działanie całego układu, do pomiarów linii użyto
precyzyjnego miernika RLC, który umożliwiał pomiar
indukcyjności z dokładnością 1 nH oraz pojemności
0.01pF. Następnie wyznaczono impedancję skrętki,
korzystając ze znanego wzoru:
Z = SQRT(L/C)
Po kilku eksperymentach z doborem odpowiedniej ilości
skręceń dla różnego typu przewodów, otrzymano w końcu
skrętkę o pożądanej impedancji. Skrętka ta posłużyła
następnie do wykonania pięciu transformatorów, które
zostały przetestowane w dwóch układach pokazanych na
rys. 5. Do pomiarów użyto analizatora VNA. Rezultaty
były satysfakcjonujące: całkowite tłumienie układu nie
przekraczało 0.3 dB przy 30 MHz i 0.5 dB przy 100 MHz.
Nie zauważono żadnych różnic w zrównoważeniu dla obu
konfiguracji testowych.
Tak przygotowane i sprawdzone TLT posłużyły
do budowy mieszacza – zgodnie ze schematem na rys. 6.
Użyto układów scalonych FST3125 zasilanych napięciem
6V. Wykonane płytki, zawierające
mieszacz,
przedstawione są na rys. 7 i 8. [zob. szczegóły i fotografie
na stronie www podanej w przypisach – przyp. tłumacza].
Do budowy transformatorów użyte zostały
toroidalne rdzenie ferrytowe prod. rosyjskiej typu
K10x6x5 z materiału 400HH (średnica zewn. 10 mm,
wewn. 6 mm, wys. 5 mm, przenikalność 400).
Transformatory T1 i T5 zawierają 14 zwojów, nawiniętych
skrętką wykonaną z miedzianego drutu emaliowanego o
średnicy 0.25 mm – stopień skręcenia dobrano tak, aby
uzyskać impedancję charakterystyczną linii Z=100 omów.
Transformatory T2, T3 i T6 wykonano nawijając 10
zwojów skrętką z drutu o średnicy 0.35 mm, której
impedancja charakterystyczna wynosi Z=50 omów.
Pomiary i rezultaty
Dokonano szczegółowych pomiarów następujących parametrów: tłumienie przemiany CL (conversion
loss), poziom produktów intermodulacyjnych trzeciego
rzędu IP3 (interception point 3) oraz separację we/wy
mieszacza. Wyniki pomiarów CL i IP3 w poszczególnych
pasmach amatorskich przedstawiono w tabelach Tab.1 i
Tab.2.
Zmierzona separacja portów RF i IF była lepsza
niż 46 dB (najgorszy rezultat, zgodnie z przewidywaniem,
był w paśmie 10 m – jest to wynikiem braku elementów
regulacyjnych do balansowania układu). Poziom
niepożądanego napięcia generatora LO na porcie RF
wynosił -53 dBV w paśmie 10 m (przy częstotliwości LO
35 MHz), osiągając najlepszy wynik -68 dBV w pasmie
160 m (częstotliwość LO 7 MHz).
Porównując do innych mieszaczy, które są
dostępne w moim laboratorium, badany mieszacz miał
najlepsze osiągi ze względu na IP3 i to w całym zakresie
pasm krótkofalowych. Przykładowo, mieszacz wykonany
na FST3125 i fabrycznych transformatorach T4-1 (Mini
Circuits) wykazywał spadek IP3 do +25..+30 dBm w
paśmie 10 m.
Dodatkowa ważna cecha nowego mieszacza to
fakt, że jest on mało wrażliwy na polaryzację napięciową
kluczy przełączających. Pozwoliło to, po przetestowaniu
różnych wariantów, na ustalenie stałej polaryzacji na
poziomie 1/3 Vcc (napięcia zasilania), tzn. na poziomie
zapewniającym najlepszy (liniowy) punkt pracy kluczy
układu FST3125. Natomiast klasyczny mieszacz na
transformatorach T4-1 wymaga korekcji polaryzacji na
każdym paśmie osobno (aby uzyskać najlepsze osiągi
parametru IP3).
Proponowane rozwiązanie mieszacza w porównaniu z tradycyjnym, ma znacznie lepszy parametr IP3 dla
małych poziomów sygnałów oraz jest mniej wrażliwe na
jakość i wartość impedancji obciążenia.
Rys. 6. Schemat układu podwójnie zrównoważonego mieszacza typu H „True” TLT.
Rys. 9. Diplekser – układ dopasowania mieszacza do filtru kwarcowego.
Wykorzystując prosty diplekser z rys.9 jako
stopień
dopasowujący
wyjście
mieszacza
do
następującego po nim filtruru kwarcowego, osiągnięto
wartość IP3 nie niższą niż +40 dBm (dla całego układu).
Tabela 1. Tłumienie przemiany mieszacza UR3IQO.
Pasmo [m]
160
80
40
20
15
CL [dB]
4.7
4.8
4.8
4.8
4.9
10
5.0
6
5.3
Tabela 2. IP3 w zależności od pasma (wartości w dBm)
Pasmo [m]
160
IP3 (test: Fin-20 kHz i Fin-40 kHz, 0 dBm)
46.9
IP3 (test: Fin-20 kHz i Fin-40 kHz, -5 dBm)
45.1*
IP3 (test: Fin+20 kHz i Fin+40 kHz, 0 dBm)
45.2
IP3 (test: Fin+20 kHz i Fin+40 kHz, -5 dBm)
47.1*
IP3 (minimalne)
45.1
80
43.2
43.3
43.4
43.4
43.2
40
41.6
41.4
42.0
41.9
41.4
20
39.4
32.9
39.3
39.0
39.0
15
37.2
37.0
37.8
37.6
37.0
10
37.6
37.2
38.1
37.6
37.2
* pomiar ograniczony szumami
Wnioski
Przedstawiono nowe rozwiązane mieszacza typu
H z wykorzystaniem transformatorów liniowych TLT.
Mieszacz ten przewyższa parametrami tradycyjne
rozwiązania, zapewniając większą szerokopasmowość,
zarówno ze względu na IP3 jak i tłumienność układu.
Wykorzystano szczególne cechy układu dla osiągnięcia
lepszej liniowości i sprawności przemiany (lepszy
parametr CL), tym samym na liniowość tego mieszacza
większy wpływ mają cechy kluczy przełączających, niż
właściwości samych transformatorów TLT. Ponadto,
użycie samodzielnie wykonywanych transformatorów
zmniejsza znacznie koszt układu oraz zależność od
materiału rdzenia, który można dobrać indywidualnie.
Takie „domowe” rozwiązanie okazuje się lepsze w
porównaniu do fabrycznych transformatorów osiągalnych
dla radioamatorów na rynku.
Informacja o autorze
Oleg Skydan, UE3IQO urodził się w 1978 w Kramatorsku
(Ukraina). Ukończył informatyczne studia magisterskie w
Doniecku (Instytut Sztucznej Inteligencji). Licencję
radioamatora posiada od 1994 roku, kiedy rozpoczął swoje
eksperymenty z antenami i konstrukcjami radiowymi. Po
zakończeniu konstrukcji innowacyjnego transceivera
TD03DSP (pierwsza wersja ukazała się w 2003 roku),
rozpoczął projekt nowego TRX-a, który nazwał NEON
Uzyskane parametry mogą być jeszcze lepsze,
jeśli zapewni się właściwe dopasowanie wyjścia do
następującego filtru kwarcowego (tutaj najlepszym
rozwiązaniem jest zastosowanie dwóch równoległych
torów filtrów dołączonych układem dipleksera i
przesuwnika (hybrid combiner). Jednak nawet w
przypadku zastosowania prostego dopasowania samym
diplekserem, jakie zostało użyte, osiągnięte rezultaty są
całkiem zadowalające.
Przypuszczam, że przedstawione rozwiązanie
może być z powodzeniem użyte również na wyższych
pasmach amatorskich – szerokopasmowość nie jest tutaj
specjalnie ograniczana właściwościami transformatorów
TLT, a raczej kluczami przełączającymi. Pozostaje jedynie
dobór kluczy odpowiednich dla wyższych częstotliwości –
prawdopodobnie najlepszym rozwiązaniem będzie użycie
szybkich przełączników w technologii GaAs .
Przypisy
1. Oleg Skydan UR3IQO, „T03DSP”,
http://t03dsp.skydan.in.ua/
2. Colin Horrabin G3SBI, „High Performance
Mixer”, RadCom, Oct 1993
3. Colin Horrabin G3SBI, „H-Mode FST3125
Mixer”, RadCom, Sep 1998
4. Colin Horrabin G3SBI, Dave Roberts G8KKB,
George Fare G3OGQ, „The CDG2000 HF
Transceiver”, RadCom, Jun-Dec 2002
5. Martein Bakker PA3AKE, „H-mode Mixer FrontEnd”,
www.xs4all.nl/~martein/pa3ake/hmode/index.html
6. Jerry Sevick W2FMI, „Transmission Line
Transformers”, Noble Publ. Corp., 2001
7. S.G.Bunin, L.P.Yailenko, „Sprawocznik
radioljubitiela-korotkovolnovnika”, Kiev, 1984
8. Eric T. Red, „Arbeitsbuch für den HF-Techniker”,
Franzis-Verlag GmbH, Germany, 1996
9. Szczegóły konstrukcji modułu RF przedstawionego w artykule są dostępne na stronie www
transceivera NEON: http://neon.skydan.in.ua/