Mikserler çoğu RF/mikrodalga sisteminin önemli bir parçası olmaya devam etmektedir ve bu durum bu hayati bileşeni ve parametrelerini anlama ihtiyacını ortaya çıkarmaktadır.
Mikser, frekans dönüştürme görevini gerçekleştiren üç portlu bir bileşendir. Mikserler, bir giriş sinyalinin frekansını farklı bir frekansa çevirir. Bu işlevsellik, askeri radar, uydu iletişimi (satcom), hücresel baz istasyonları ve daha fazlası dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için hayati önem taşır. Mikserler, hem frekans yukarı dönüştürme hem de aşağı dönüştürme gerçekleştirmek için kullanılır.
1. Bu basit diyagramlar frekans dönüşümünün bir örneğini sunmaktadır. (Marki Microwave izniyle)
Ferenc Marki ve Christopher Marki, “ Mikser Temelleri Giriş ” adlı eğitimde , “Bir mikserin üç portundan ikisi giriş olarak hizmet ederken, diğer port çıkış portu olarak hizmet eder. İdeal bir mikser, iki giriş sinyalinin toplam ve fark frekanslarından oluşan bir çıkış üretir. Başka bir deyişle:
f dışarı = f in1 ± f in2
Bir mikserin üç portu, ara frekans (IF), radyo frekansı (RF) ve yerel osilatör (LO) portları olarak bilinir. LO portu genellikle bir giriş portudur.”
RF ve IF portları, mikserin yukarı dönüştürme veya aşağı dönüştürme yapmak için kullanılmasına bağlı olarak birbirinin yerine kullanılabilir. LO sinyali genellikle miksere enjekte edilen en güçlü sinyaldir. Gerekli LO sürücü seviyesi, mikserin yapılandırması ve cihaz teknolojisi dahil olmak üzere çeşitli faktörlere bağlıdır.
Bir mikser aşağı dönüştürme yapmak için kullanıldığında, bir giriş sinyali RF portuna girer ve bir LO sinyali LO portuna girer. Bu iki giriş sinyali IF portunda bir çıkış sinyali üretir. Bu çıkış sinyalinin frekansı, RF giriş sinyalinin frekansı ile LO sinyalinin frekansı arasındaki farka eşittir.
Bir mikser yukarı dönüştürme yapmak için kullanıldığında, bir giriş sinyali IF portuna girer ve bir LO sinyali LO portuna girer. Bu iki giriş sinyali RF portuna bir çıkış sinyali üretir. Bu çıkış sinyalinin frekansı, IF giriş sinyalinin frekansı ile LO sinyalinin frekansının toplamına eşittir. Hem aşağı dönüştürme hem de yukarı dönüştürme Şekil 1’de grafiksel olarak gösterilmiştir . Yukarı dönüştürme normalde bir vericinin parçasıdır, aşağı dönüştürme ise genellikle bir alıcıda kullanılır.
Mikser Performans Parametreleri
Bir mikserin performansı çeşitli ölçütlerle belirlenir. Bu performans ölçütleri çoğu mikser veri sayfasında belirtilir. Aşağıda açıklanan özellikler, bir sistem tasarımcısının sistem gereksinimlerini karşılamak için uygun bir mikser seçmesine yardımcı olur.
Dönüşüm Kaybı: Pasif mikserlerde dönüşüm kaybı, giriş sinyalinin genliği ile istenen çıkış sinyalinin genliği arasındaki sinyal seviyesi farkı olarak tanımlanır. Aşağı dönüşüm için kullanılan bir mikserde dönüşüm kaybı, RF giriş sinyalinin genliği ile IF çıkış sinyalinin genliği arasındaki farktır. Yukarı dönüşüm için kullanılan bir mikserde dönüşüm kaybı, IF giriş sinyalinin genliği ile RF çıkış sinyalinin genliği arasındaki farktır.
Dönüşüm kaybı desibel cinsinden pozitif bir sayı olarak ifade edilir. Markis makalesinde “Dönüşüm kaybının tipik değerleri miksere bağlı olarak yaklaşık 4,5 ila 9 dB arasında değişebilir” diye belirtmiştir. Standart çift dengeli mikserlerde 6 ila 8 dB dönüşüm kaybı değerleri yaygındır, üçlü dengeli mikserler ise genellikle çift dengeli mikserlerden daha yüksek bir dönüşüm kaybına sahiptir. Aktif mikserlerde dönüşüm kazancı elde etmek de mümkündür.
2. 1 dB sıkıştırma noktasının grafiksel bir gösterimi gösterilmektedir. (Marki Microwave izniyle)
Yalıtım: Markis’in belirttiği gibi, “İzolasyon, bir porttan diğerine sızan güç miktarının bir ölçüsüdür. Yalıtım, bir giriş sinyalinin genliği ile o giriş sinyalinden başka bir porta sızan gücün genliği arasındaki sinyal seviyesi farkı olarak tanımlanır.” Yalıtım yüksek olduğunda, bir porttan başka bir porta sızan güç miktarı küçüktür.
“Mikrodalga karıştırıcılarda genellikle üç tip izolasyondan bahsedilmektedir: LO-RF izolasyon, LO-IF izolasyon ve RF-IF izolasyon.”
Örnek olarak, +15 dBm genliğe sahip 5 GHz’lik bir sinyal LO portuna enjekte edilirse, bu sinyalin bir kısmı RF portuna sızacaktır. Bu LO giriş sinyali, RF portunda -20 dBm genliğe sahip 5 GHz’lik bir sinyalin ölçülmesine neden olursa, LO-RF izolasyonu 35 dB’dir. LO-IF izolasyonu ve RF-IF izolasyonu aynı şekilde hesaplanır.
“LO-RF izolasyonu, frekans aşağı dönüştürme sistemlerinde kritik öneme sahiptir çünkü LO gücü RF devresine sızabilir,” diye belirtiyor Markis. “LO-RF izolasyonu zayıfsa, LO gücü RF hattını kirletebilir. Zayıf LO-RF izolasyonu, LO frekansı RF çıkış frekansına çok yakın olduğunda frekans yukarı dönüştürme sistemlerinde de sorunlara neden olabilir. LO frekansı ve RF çıkış frekansı çok yakın olduğundan, hiçbir filtreleme LO sızıntısını gideremez. Sonuç olarak, bu sızıntı RF çıkışına müdahale ederek potansiyel olarak RF çıkış devresini bozar.”
LO-IF izolasyonu, LO giriş sinyalinden IF portuna olan sızıntı miktarını belirtir. Markis, “LO-IF izolasyonu zayıf olduğunda, LO frekansı IF frekansına yakınsa sorunlar oluşabilir. Bu durumda, LO sinyali IF devresini kirletebilir.” diye ekler. Yeterli LO sızıntısı olduğunda, IF amplifikatörü potansiyel olarak doymuş olacaktır. LO-IF izolasyonu yetersizse, kayıp düzlüğü de bozulabilir.
RF-IF izolasyonu, son mikser izolasyon metriğidir. Hem RF hem de IF sinyallerinin genlikleri genellikle LO sinyalinin genliğinden önemli ölçüde düşük olduğundan, çoğu sistem tasarımcısı RF-IF izolasyonunun büyük bir sorun olduğunu düşünmeyecektir. Ancak, yüksek RF-IF izolasyonu genellikle mikserin düşük dönüşüm kaybı ve iyi dönüşüm kaybı düzlüğü sergileyeceğinin bir işaretidir.
1-dB Sıkıştırma Noktası: Bir mikser doğrusal işlemdeyken mikserin dönüşüm kaybı sabit kalır. Giriş sinyalinin genliği arttıkça, çıkış sinyalinin genliği aynı miktarda artar. Ancak, giriş sinyalinin genliği belirli bir seviyeye ulaştığında, çıkış sinyalinin genliği giriş sinyalini tam olarak takip etmeyi bırakır. Mikser doğrusal davranıştan sapar ve dönüşüm kaybı artmaya başlar. Bunun grafiksel bir gösterimi Şekil 2’de gösterilmiştir .
Bir mikserin dönüşüm kaybı 1 dB arttığında, 1 dB sıkıştırma noktasına ulaşılmış olur. Bir mikserin 1 dB sıkıştırma noktası, dönüşüm kaybını 1 dB artırmak için gereken giriş sinyalinin genliği olarak tanımlanır. Bir mikserin 1 dB sıkıştırma noktası, dinamik aralığının üst sınırını belirler.
3. TOI’nin nasıl türetildiğine dair grafiksel bir gösterim.
Bir mikserin 1 dB sıkıştırma noktası genellikle LO sürücü seviyesiyle ilişkilidir. Daha yüksek LO sürücü seviyesi gereksinimleri olan mikserler daha yüksek 1 dB sıkıştırma noktasına sahiptir. Yine de bu mikserlere daha yüksek LO gücü de iletilmelidir. Genel olarak, 1 dB sıkıştırma noktası mikserin önerilen minimum LO sürücü seviyesinin 4 ila 7 dB altındadır.
İntermodülasyon Bozulması: İki tonlu üçüncü derece intermodülasyon bozulması (IMD), iki sinyalin aynı anda mikserin IF veya RF giriş portuna girmesiyle oluşur. Pratikte, bu çok taşıyıcılı bir sinyal ortamında olabilir. Bu iki sinyal birbirleriyle ve LO sinyaliyle etkileşime girer ve bu da bozulmaya neden olur. Bir alıcıda, iki tonlu üçüncü derece IMD ciddi bir sorundur çünkü IF bant genişliğine giren üçüncü derece bozulma ürünleri üretebilir.
Eğer fRF1 ve fRF2 iki ayrı RF giriş sinyalini ve f LO da LO sinyalini temsil ediyorsa, mikserin IF portunda üretilen üçüncü dereceden bozulma ürünleri şunlardır:
Karıştırıcı 1 = 2f RF1 – f RF2 – f LO
Karıştırıcı 2 = 2f RF2 – f RF1 – f LO
Bu üçüncü dereceden bozulma ürünleri, istenen IF çıkış frekansına son derece yakındır. Hiçbir filtreleme miktarı bu istenmeyen bozulma ürünlerini ortadan kaldıramaz. Bu nedenle, alınan sinyalin sinyal-gürültü oranı bozulur ve bu bozulma ürünlerini bastırma ihtiyacını vurgular.
Üçüncü derece giriş kesişim noktası (TOI veya IP3), bir karıştırıcının üçüncü derece bozulma ürünlerini bastırma yeteneğini tanımlamak için kullanılan yaygın olarak kabul görmüş bir değerdir. TOI, bir karıştırıcının giriş sinyalinin genliği arttıkça doğrusal olmayan davranışını tahmin etmede kullanılır, bu da üçüncü derece ürünlerin 3:1 oranında artmasına neden olur. Giriş sinyalinin genliğindeki herhangi bir 1 dB’lik artış için, üçüncü derece ürünler 3 dB artar ( Şekil 3 ).
TOI, temel çıktıyı temsil eden çizginin üçüncü derece bozulma ürünlerini temsil eden çizgiyle kesiştiği zaman giriş gücünün değeridir. TOI aslında sadece ekstrapole edilmiş bir noktadır, çünkü mikser çizgiler gerçekten kesişmeden önce sıkıştırır. Üçüncü derece bozulma ürünlerinin bir sistemde yaratabileceği olumsuz etki nedeniyle, bir mikserin yüksek bir TOI’ye sahip olması arzu edilir.
Mikser Tasarım Teknikleri
Teoride, herhangi bir doğrusal olmayan cihaz bir karıştırıcı devresi oluşturmak için kullanılabilir. Ancak, yalnızca birkaç cihaz kabul edilebilir performansa sahip karıştırıcılar tasarlamak için gereken gereksinimleri karşılar. Modern karıştırıcıları tasarlamak için yaygın olarak kullanılan cihazlar arasında Schottky diyotları, galyum-arsenür (GaAs) alan etkili transistörler (FET’ler) ve CMOS transistörler bulunur. Karıştırıcıları tasarlamak için çeşitli topolojiler kullanılabilir. Karıştırıcılar pasif veya aktif bileşenler olarak tasarlanabilir.
4. Tek diyotlu bir mikser tasarlanabilir.
Pasif karıştırıcılar öncelikle Schottky diyotları kullanır, ancak FET dirençli karıştırıcı son zamanlarda popüler bir pasif karıştırıcı haline gelmiştir. Aktif karıştırıcılar FET’leri veya bipolar cihazları kullanır. Schottky diyotları, FET’ler ve bipolar cihazlarla karşılaştırıldığında, doğal olarak geniş bir bant genişliğine sahip olma avantajına sahiptir. Bu, diyotların karıştırıcıları tasarlamak için hala yaygın olarak kullanılmasının başlıca nedenidir.
Mikserler, en basit mikser topolojisi olan tek bir diyotla tasarlanabilir. Dengeli bir yapıda iki, dört veya hatta sekiz diyottan oluşan dengeli mikserler, tek diyotlu mikser üzerine inşa edilir. Günümüzde mevcut mikserlerin çoğu, bir tür mikser dengelemesi içerir.
Bir karıştırıcı oluşturmak için tek bir diyot kullanılabilir ( Şekil 4). Burada, RF ve LO sinyalleri diyotun anotunda birleşir. LO sinyalinin diyotu açıp kapatacak kadar büyük olması gerekir, bu da gerçek karıştırma işlemine neden olur. Tek diyotlu karıştırıcılar tarafından üretilen frekans bileşenleri şunlardır:
f IF = nf LO ±mf RF (m ve n hepsi tam sayıdır)
Neresi:
f LO = LO giriş sinyali frekansı
f RF = RF giriş sinyali frekansı
f IF = IF çıkış sinyali frekansı
Sadece bir çıkış frekansı istenmesine rağmen (n = 1 ve m = 1 olduğunda), diyotun akım-gerilim (IV) karakteristikleri ve RF sinyalinin neden olduğu transkondüktans modülasyonu tarafından ek istenmeyen harmonikler üretilir. Tek diyotlu karıştırıcının RF ve LO portları arasında doğal bir izolasyonu olmadığından, portlar arasında izolasyon elde etmek için harici filtrelere de ihtiyaç duyulur. Harici filtrelemeye duyulan bu ihtiyaç, sadece tek bir diyotla geniş bantlı karıştırıcılar elde etmeyi zorlaştırır.
5. Tek dengeli bir karıştırıcı iki diyot ve bir hibritten oluşur.
Dengeli karıştırıcılar, tek diyotlu karıştırıcıların bazı sınırlamalarının üstesinden gelir. Bunlar, karıştırıcının bant genişliğini ve genel performansını büyük ölçüde belirleyen balunlar veya hibritler gerektirir. Bağlantı noktaları arasındaki doğal izolasyon, dengeli karıştırıcılar tarafından elde edilir ve ayrıca intermodülasyon ürünlerinin iptali artırılır. Ortak modlu gürültü iptali, dengeli karıştırıcılar tarafından elde edilen bir diğer avantajdır. Ancak, dengeli karıştırıcılar daha yüksek bir LO sürücü seviyesi gerektirir.
Tek dengeli karıştırıcılar, bir hibritle birlikte iki diyottan oluşur ( Şekil 5 ). 90 derecelik ve 180 derecelik hibritler tek dengeli karıştırıcıları tasarlamak için kullanılabilmesine rağmen, tek dengeli karıştırıcıların çoğu 180 derecelik bir hibrit içerir. 180 derecelik hibritin giriş portları karşılıklı olarak izole edilmiştir ve bu da LO portunun RF portundan izole edilmesini sağlar. Bu, yüke frekans bandı bağımsızlığı ve eşit güç bölümü sağlar. Tek diyotlu karıştırıcılarla karşılaştırıldığında, tek dengeli karıştırıcılar ayrıca %50 daha az entermodülasyon ürününe sahiptir.
İki tek dengeli karıştırıcı, çift dengeli bir karıştırıcı oluşturmak için birleştirilebilir. Geleneksel çift dengeli karıştırıcılar genellikle dörtlü halka konfigürasyonunda dört Schottky diyotuna dayanır. Balunlar hem RF hem de LO portlarına yerleştirilirken, IF sinyali RF balundan alınır. IF sinyali LO balundan da alınabilir, ancak bu LO-IF izolasyonunu kötüleştirir.
Bu nedenle, genellikle LO balun yerine RF balun’dan IF sinyalinin alınması tercih edilir. Çift dengeli bir karıştırıcının bir örneği Şekil 6’da gösterilmiştir. Bu karıştırıcı, orta düzeyde RF-IF izolasyonuyla birlikte yüksek LO-RF izolasyonu ve LO-IF izolasyonuna sahiptir. Çift dengeli karıştırıcılar ayrıca, tek diyotlu karıştırıcılara kıyasla intermodülasyon ürünlerini %75’e kadar azaltma avantajına sahiptir.
6. Çift dengeli bir mikser, dörtlü halka formatında dört diyot kullanır.
Daha da karmaşık bir karıştırıcı devresi üçlü dengeli karıştırıcıdır. Üçlü dengeli karıştırıcılar, LO, RF ve IF portları için ayrı balunlara sahiptir ve bu da yüksek LO-RF izolasyonu, LO-IF izolasyonu ve RF-IF izolasyonu elde etmelerini sağlar. Üçlü dengeli karıştırıcılar ayrıca çift dengeli karıştırıcılardan daha yüksek intermodülasyon ürünleri bastırma özelliği sunar. Üçlü dengeli karıştırıcıların dezavantajı, daha yüksek bir LO sürücü seviyesine ihtiyaç duymalarıdır. Ayrıca hem boyut hem de karmaşıklık açısından daha büyüktürler.
Özetle, mikserler çeşitli formlarda ve farklı performans seviyelerinde mevcuttur. Bir mikserin performansını karakterize etmek için çeşitli parametreler kullanılır. Mikserler ve parametreleri hakkında bilgi edinmek, sistem tasarımcılarının sistemleri için uygun mikseri seçmelerine yardımcı olabilir. Dönüşüm kaybı, izolasyon ve intermodülasyon bozulması gibi bir mikserin temel parametreleri, herhangi bir sistem tasarımı için kritik faktörlerdir.
Referanslar
- Marki Microwave, “Mixer Basics Primer.” Şuraya ulaşılabilir: http://www.markimicrowave.com/Assets/appnotes/mixer_basics_primer.pdf
