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Forum: HF, Funk und Felder Mischerdesign, Frequenzbereiche


Autor: Richard (Gast)
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Hallo,

die typischen Frequenzmischer funktionieren mit Dioden, 
Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren. Meine Frage dazu ist es 
möglich die Frequenzbereiche anzugeben unabhängig von der Topologie und 
Bauteile?

Also z.B. die Dioden werden typischerweise im Frequenzbereich 
eingesetzt:
RF von …kHz bis …GHz
LO von …kHz bis …GHz
IF von …kHz bis …GHz

die Bipolartransistoren:
RF von …kHz bis …GHz
LO von …kHz bis …GHz
IF von …kHz bis …GHz

die Feldeffektransistoren
RF von …kHz bis …GHz
LO von …kHz bis …GHz
IF von …kHz bis …GHz


Ich habe bis jetzt nur generelle Aussagen gefunden wie "bei höheren 
Frequenzen nimmt man Dioden, weil diese schneller Schalten als 
Bipolartransistoren". Ich brauche auch keine genauen Angaben sondern 
eine grobe Einteilung.

Vielen Dank im voraus.

Grüße
Richard

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Heute werden in der Regel double balangierte oder triple balangierte 
Ringmischer verwendet. Teils mit Dioden , teils mit Mosfets aufgebaut.

Diodenringmischer weden von 10KHz bis weit in den GHz Bereich 
eingesetzt.

Diese unterscheiden sich nochmal darin welche Oszillatorpegel am LO Port 
benötigt werden. Diese ist entscheident für die Austeuerbarkeit, bzw für 
den IP3 und IP2 Wert. Je höher der LO Pegel, desto höher sind die IP2 
und IP3 Werte. Die IP Werte sind die ( Theoretische ) Punkte, bei der 
die Intermodulationsprodukte den gleichen Pegel erreicht haben wie das 
Nutzsignal. Bei einen +27dbm Mischer ist der IP3 etwa +40dbm.

Mischer mit Feldeffekttransistoren als Schalter werden z.B. heute in 
Kurzwellenempfänger eingesetzt, da sie bei gleichen IP3 weniger 
Steuerleistung brauchen. Auch haben sie nicht die Durchgangsverluste von 
typisch 7db der Diodenringmischer.

Es gibt im unteren bis mittleren Megaherzbereich noch andere 
Mischertopologien. Z.B. die Gilbertzelle in Mischer-ICs. Mischer mit 
einfachen Eintaktschaltungen werden heute eigentlich kaum mehr 
verwendet. Das hatte man in den 70ger Jahren in den Low Cost 
Konsumgeräten verwendet. Die Intermodulations und 
Isolationseigenschaften waren bei diesen Mischern entsprechend schlecht.

Ralph Berres

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Nebenbei... es gibt Gilbert Zellen bis mind. 1 GHz. zB die HFA3101B

Autor: df1as (Gast)
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Mischen kann man mit allem, was nichtlinear ist. Beliebt waren übrigens 
auch mal Dual-Gate-FET dafür. FET können im quadratischen Bereich 
betrieben werden, bei bipolarer Technik ist es mehr eine exponentielle 
Kennlinie.

Das einzige reziprok anwendbare Verfahren sind aber passive Schalter, 
also Dioden, die möglichst nur die zwei Schaltzustände offen oder 
geschlossen anbieten. Die LO-Spannung/-Leistung ist für den Idealfall 
sehr groß (10 dB+) gegenüber der Zwischenfrequenz und dem Ausgangssignal 
(alle entstehenden Mischprodukte = Kombinationen aus Grund- und 
Oberwellen des Oszillators und jeweiligen Seitenbändern mit Grund- und 
Oberwellen). Im besten Fall (keine Verluste) generiert ein solcher 
"Zerhacker" ein Standardschaltspektrum nach Fourier.

Grundwelle LO +/- Grundwelle ZF liegt dann je etwa 4,5 dB kleiner vor 
als die ZF, zusammen (als DSB = dual side band) ergibt das etwa 1,5 dB 
Verlust. Dieser Rest geht in alle weiteren Mischprodukte über, beim Ring 
im Idealfall (Symmetrie) in Kombinationen aller ungradzahligen 
Vielfachen. Praktisch gibt es alle Produktterme. Diese nicht erwünschten 
Mischprodukte müssen dann noch herausgefiltert werden. Übrigens kommen 
die beiden Grundwellen auch im Summenspektrum vor. Durch die Symmetrie 
werden sie unterdrückt (Trägerunterdrückung). Je nach Frequenz können 
hier 20 bis 60 dB (allein durch den Mischer!) erreicht werden.

Die Bandbreitenbegrenzung liegt an den an zwei oder allen drei Ports 
eingesetzten Trafos. Wird ein Port direkt angeschlossen, ist zumindest 
dieser bis DC (Gleichstrom) herunter verwendbar. I. d. R. nimmt man 
diesen Port für die niedrigste Frequenz, meist ZF. Der Extremfall ist 
aber tatsächlich DC. In diesem Fall spricht man von stellbaren 
Dämpfungsgliedern oder reziprok von Phasendetektoren.

Die obere nutzbare Frequenz wird von Übertragern und Dioden bestimmt. 
Ringmischer gehen weit in den zweistelligen GHz hinein, z. B. 26 GHz. 
Die Bandbreite beträgt wegen der Übertrager dann vieleicht 0,5. Typische 
Werte für Diodenringmischer wären dann z. B. 18 bis 26 GHz für LO und 
RF, 0 bis 3 GHz für ZF. Nach unten hin (in den KHz-Bereich) wird es eher 
eng als nach oben - wegen der Übertrager. Im MHz-Bereich sind 
Multi-Oktav-Bandbreiten möglich, z. B. 10 bis 500 MHz oder noch deutlich 
besser.

Ein weiterer Vorteil der Ringmischer (neben der Reziprozität) ist die 
Anpassung. Alle drei Ports reflektieren den Wellenwiderstand der jeweils 
anderen Ports, ein Teil bleibt auch in den Dioden. Damit kann recht 
einfach ein Mischer in ein 50-Ohm-System integriert werden. Achten 
sollte man darauf (wenn man das letzte dB, insbesondere für IP-2- oder 
IP-3-Belange, ausschöpfen will), dass auch alle Ports entsprechend 
breitbandig abgeschlossen werden. Ggf. sind hier Split-Filter 
erforderlich. Es gibt auch aufwändige Schaltungen mit zwei Ringmischern 
und 90°-Phasenschiebern (mit Abschluss am -90°-Port), um breitbandige 
Anpassung zu erzielen. Im einzelnen Pfad kann dann ein schmalbandiges 
Filter herhalten.

Trotz allem findet man weitaus mehr aktive Mischer vor. Die eingebaute 
Verstärkung und der wesentlich günstigere Preis (ein Transistor plus ein 
paar passive Bauteile reichen) rechtfertigen meist geringere Bandbreiten 
und den Verzicht auf Reziprozität. Es gibt auch Kompromisse mit aktiven 
Ringmischern (nach Ed Oxner z. B. einfach balanciert mit 2 oder doppelt 
balanciert mit 4 J-FET), die beide Vorteile zu kombinieren versuchen. 
Man spart so Ansteuerleistung für den LO (kann bei Diodenringen bis zu 
ca. 30 dBm = 1 W betragen), das Großsignalverhalten entspricht aber etwa 
der (fiktiv) verstärkten LO-Leistung.

Autor: Richard (Gast)
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Liegt die Grenze bei Feldeffekttransistoren ca. bei 1GHz?

Autor: df1as (Gast)
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Nein, wesentlich höher. Bis in den zweistelligen GHz-Bereich hinein gibt 
es noch passable Verstärkungen.

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Naja aber double-Balange-Mixer mit Feldeffektransistoren, die im 
Mikrowellenbereich angesiedelt sind, sind mir noch nicht bekannt.

Aber vielleicht gibt es die ja mittlerweile auch.

Ralph Berres

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Was noch nicht, jedenfalls nicht direkt, erwähnt wurde sind 
Passiv-FET-Mixer und ähnelt sehr dem Diodenringmischer. Genaueres findet 
sich z.B. im aktuellen Tietze&Schenk >12. Auflage. Hab leider nur die 
11. Auflage.

Haupteinsatzort sollen Mobilfunk-BTS sein, wegen des sehr guten IP3. Mit 
>10$ pro Stück aber alles andere als günstig.

FET-Gilbertzelle dürfte in WLAN (2,4GHz) verbaut sein.

Dioden können als Gegentaktmischer an einem Ringkoppler mehrere GHz 
erreichen.

Richard schrieb:
> Meine Frage dazu ist es
> möglich die Frequenzbereiche anzugeben unabhängig von der Topologie und
> Bauteile?

Nein, die Verschaltungsart hat den wesentlichen Einfluss auf die 
erreichbaren Grenzen. Im GHz-Bereich können etwa Ringkoppler und 
ähnliche Strukturen verwendet werden.

Es gibt keinen typischen Mischer für einen Frequenzbereich. Einige 
Faktoren für die Mischerauswahl:
* IP3
* Breitbandigkeit
* Isolation
* Kosten
* Energiebedarf
* Raumbedarf

Autor: df1as (Gast)
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Im dreistelligen GHz-Bereich kenne ich nur passive Mischer. Typisch ist 
dort der harmonische Mischer, d. h. Mischprodukte höherer Ordnung (n x 
LO +/- ZF) werden zum Nutzsignal. Das ist aber mehr ein Kompromiss, weil 
man einen LO auf RF-Niveau nicht mehr so einfach erzeugen kann. Filtern 
wird auf den ganz hohen Frequenzbereichen aber wieder einfacher. Ein 
Hohlleiter reicht im Grunde.

Reziprozität wäre noch zu nennen, hat aber mit dem Frequenzbereich auch 
nichts zu tun, nur mit der Anordnung der Bauteile (Dioden).

Wenn man auf die Ausgangsfrage zurückkommt, kann man das Wort 'Mischer 
weglassen' und die Frequenzbereiche den Einzelkomponenten zuordnen. 
Also:

Bipolar-T: einige GHz
FET: einige 10 GHz
Dioden: bis etwa THz

Ganz grob. Bis DC für die ZF beim Mischen geht es immer. Prizipiell 
wären alle drei Ports (ZF/LO/RF) aber gleich einzustufen.

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Ernestus Pastell schrieb:
> Was noch nicht, jedenfalls nicht direkt, erwähnt wurde sind
>
> Passiv-FET-Mixer und ähnelt sehr dem Diodenringmischer. Genaueres findet
>
> sich z.B. im aktuellen Tietze&Schenk >12. Auflage. Hab leider nur die
>
> 11. Auflage.

Doch habe ich. Siehe meinen Beitrag ganz oben. Das habe ich aber bisher 
nur in hochwertigen Afunk KW Transceiver gesehen.



df1as schrieb:
> Im dreistelligen GHz-Bereich kenne ich nur passive Mischer. Typisch ist
>
> dort der harmonische Mischer, d. h. Mischprodukte höherer Ordnung (n x
>
> LO +/- ZF) werden zum Nutzsignal. Das ist aber mehr ein Kompromiss, weil
>
> man einen LO auf RF-Niveau nicht mehr so einfach erzeugen kann. Filtern
>
> wird auf den ganz hohen Frequenzbereichen aber wieder einfacher. Ein
>
> Hohlleiter reicht im Grunde.

Findet man in Mikrowellenspektrumanalyzer. Es sind in der Regel 
Eintaktmischer. Wegen der Mehrdeudigkeit der Anzeige ist dann aber ein 
mitlaufendes Filtr am Eingang notwendig, mit samt seiner Problematik.

Ralph Berres

Autor: Richard (Gast)
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Vielen Dank für die vielen Antworten. Der Grund warum ich die 
Frequenzbereiche von den einzelnen Bauteilen wissen wollte ist der, dass 
ich in Zukunft, falls das Projekt es zulässt, die Mischer selber bauen 
will. Zur Zeit arbeite ich in der Produktionsentwicklung d.h. wir 
entwickeln keine Bauteile selber sondern kaufen die bei minicircuits 
oder hittite. Auf Dauer ist es sehr frustrierend weil man zwar im GHz 
Bereich was entwickelt aber in Wirklichkeit besteht die Entwicklung nur 
noch aus dem Layout.

Mein erster Mischer soll ein double balanced Ringmischer Dioden sein. 
Dazu habe ich noch viele Fragen, die werde ich in einem neuen Thema " 
double balanced Ringmischer " posten.

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Noch eine Vermutung:

Gilbertzellenmischer als einzelnes Bauteil könnten durch die 
prinzipbedingte Verstärkung bei Frequenzen im GHz-Bereich eine hohe 
Schwingneigung besitzen. Bei integrierten Schaltkreisen dürften solche 
Probleme noch besser beherrschbar sein.

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