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
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
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.
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
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
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.
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
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.
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.
