Aliharmooninen sekoitin

Yleisselitys

Aliharmooninen sekoitin on sekoitinten tapaus, jossa sekoittimelle syötetyn paikallisoskillaattorin (LO) taajuus on puolet tai neljännes varsinaisesta tarvittavasta taajuudesta ja sekoittimeen diodi toimii myös LO-kertojana.

Yleensä nämä rakenteet sisältävät resonanssipiirejä (interdigital, tms.) jonkalaiseen mm. tämä LO-kertoja on sisällytetty.

Huomioita:

• D1:n laatu määrää mm. sekoittimen kohinaluvun, mikroaaltorakenteissa tässä tarvitaan laadukas diodi
• D1 saattaa olla myös vastakkaissuuntainen diodipari, jossa on kaksi diodia rinnakkain niin, että ne eivät johda kun jännite on hyvin lähellä nollaa, mutta johtavat kun se on selvästi positiivinen tai negatiivinen.
  • Tämä tunnetaan myös "RA3AAE anti-parallel subharmonic mixer" nimityksellä vuodelta 1976
• Virityskohdat päästävät:
  • LO-signaalin halutun aliharmoonisen sekoitindiodille
  • RF-signaalin selektiivisesti sekoitindiodille estäen samalla LO-signaalin pääsyä antenniin

Etuja:

• LO taajuus voi olla huomattavasti (2x tai 4x) alempi, kuin RF taajuus helpottaen LO signaalin luontia
• Aliharmooninen sekoitin tuottaa 50 - 60 dB vaimennuksen LO taajuuden parillisille harmoonisille RF lähtöön, joka vähentää RF lähdön suodatustarpeita.

Haittoja:

• Sekoitin tarjoaa 6 - 7 dB muuntovaimennusta, joka on enemmän, kuin niiden balansoiduilla serkuilla
• LO tehoa pitää olla melkoisesti (+15 .. +20 dBm), koska diodilla tehdään siitä 2x, 3x, 4x, ... versio varsinaiseen käyttöön ja kerrotun tuloksen pitää olla kyllin tehokas kelpaamaan varsinaiselle sekoittimelle.
• Kyseessä ei ole balansoitu modulaattori, jolloin sekoitustuloksia on runsaasti ja niistä pitää valita haluttu (siksikin näitä näkyy korkean Q-arvon interdigital-rakenteissa)

Microwaves&RF lehden web-artikkelin "Optimize Benefits Of Subharmonic Mixers" (http://www.mwrf.com/Articles/ArticleID/5421/5421.html) aliharmoonisen sekoittimen tyypillinen spektri (ulkoinen kuva):

http://www.mwrf.com/Files/30/5421/Figure_01.gif

Aliharmooninen sekoitin käyttää "anti-parallel" diodiparia, jolla saadaan epälineaarinen konduktanssiaaltomuoto kaksinkertaisella LO signaalin taajuudella. Kun LO taajuus on puolet RF taajuudesta, RF ja LO porttien eristäminen toisistaan on helppoa. Käytetyn diodiparin on tärkeää olla hyvin samankaltaiset piirin optimoinnille, sillä parillisten harmoonisten vaimentuminen riippuu suurelta osin diodien tasapainosta.

OH2AUE:n kytkentöjä

Aliharmooninen sekoitin voidaan rakentaa myös balansoituna, josta esimerkkeinä pari OH2AUE:n kötöstyksiä:

http://www.kolumbus.fi/michael.fletcher/9cm_mxr1.jpg

2.4 GHz, conversion loss 6.5 dB:

http://www.kolumbus.fi/michael.fletcher/13cm_mx2.jpg

http://www.kolumbus.fi/michael.fletcher/6cm_mix1.jpg

LA8AK:n HF/VHF kytkentöjä

LA8AK (SK 2005-maaliskuussa) antoi luvan käyttää tekstejään ja kuviaan 2004-11-16.

Paljon lisää selityksiä: http://www.agder.net/la8ak/c21.htm

Perusperiaate

Tämä tunnetaan nimellä RA3AAE bilateral harmonic mixer with diode pair. Julkaisussa Amateur Radio Topics (G3VA) Sixth exition (pp123-124) kuvataan tätä sekoitinta:

"Radio" (Joulukuu 1976) julkaisussa V. Polyakov, RA3AAE kuvasi sekoitinta/tuloilmaisinta joka soveltuu suora-super vastaanottimiin tai VHF vastaanottimiin. RA3AAE:n mielestä suorat superit ovat erittäin houkuttelevia amatöörikäyttöön, mutta niillä on kolme tärkeää haittakohtaa:

1. ne ovat kaksisivunauhavastaanottimia (paitsi jos audio-vaiheistettu SSB demodulaattori on käytössä)
2. ne demoduloivat suoraan voimakkaan signaalin verhokäyrää
3. paikallisoskillaattorin vuoto RF antenniin asti, paitsi jos RF vastaaotinosaa käytetään

Sekä 2. etttä 3. saadaan minimoitua hyvällä balansoidun- tai kaksoisbalansoidun sekoittimen/tuloilmaisimen käytöllä, mutta monet tekijät vaikeuttavat kotirakentajan yrityksiä tehdä hyvin balanssissa oleva rakenne laajalle taajuusalueelle. Useat muutkin rakenneosat tarjoavat lisävaikeuksia säteilemällä kantoaaltoaajuutta ja aiheuttamalla interferenssiä. Usein se on vieläpä hurinamoduloitunut virtalähteen diodeissa (huono regulointi.)

RA3AAE:n ilmaisin on tarkoitettu vaihtoehdoksi balansoidulle sekoittimelle käyttäen diodeja toteuttamaan virta/jännite ominaisuudet (b) kuvan ehjän viivan tapaan. Kyseessä on symmetrinen kuutiollinen paraabeli ($y=x^{3}$) ja se voidaan toteuttaa kahdella rinnakkain vastakkaissuuntaan kytketyllä diodilla. Käytettyjen diodien suositellaan olevan mahdollisimman samanlaisia.

RA3AAE kuvailee sekoittimen toimintaa: "Kun paikallisoskillaattorin jännite on nollassa, molemmat diodit ovat auki ja virtapiiri aukeaa. Sekä positiivisella, että negatiivisella puolijaksolla virta kulkee ja signaalilähde on yhteydessä kuormaan."

LA8AK: Rakentamani kaksi esimerkkikytkentää ovat käyttäneet terminointisääntöjä hyvän toiminnan takaamiseksi ja VHF version kohinaluvuksi mitattiin uskomattoman alhainen 7 dB. joka on samaan luokkaa kuin kaupallisilla rengas-sekoittimilla, kuten SBL-1, CM-1, MD108, SRA-1.

Lisätietoja G3AV:n kirjasta "amateur radio techniques! 6th edition, RSGB, 1978"::

Oskillaattorin taajuuden olo puolet RF signaalin taajuudesta tuo edun, että vastaanottimen ottopiirin viritys ei "vedä" paikallisoskillaattorin taajuutta. Oskillaattorin vakautta voidaan parantaa isommalla virityskapasitanssilla ja se puolestaan parantaa CW signaalien ja SSB signaalien vastaanottoa.

RA3AAE:n tapaan tehty kolmannen kertaluvun toisen harmoonisen (RF - 2LO) sekoitin/demodulaattori ei ole uusi idea. Katso esim. "Harmonic mixing with an antiparallel diode pair" by M. Cohn, J. E. Degenford and B. A. Newman (IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-23, No. 8, August 1975, pp. 667-673) joka käsittelee rakenteen ominaisuuksia matemaattisen analyysin keinoin ja esittelee myös kokeellisia mikroaaltosekoittimia 4:lle ja 12:sta GHz:lle. Alemman oskillaattoritaajuuden ilmiselvän edun lisäksi tällainen toisen harmoonisen sekoitin tarjoaa:

1. Vähemmän muuntovaimennusta, kuin muiden harmoonisten sekoitinten tuottamana kun fundamentaalisia sekoitustuloksia vaimennetaan
2. Pienempi kohinaluku, kun paikallisoskillaattorin kohinasivunauhat ovat pienempiä
3. Suoran ilmaisun vähentyminen/eliminointi
4. Sisäänrakennettu suojaus suurten negatiivisten jännitteiden aiheuttamaa vikaantumista vastaan

Tällaisia tuloksia saavutetaan myös mikroaalloilla ilman sen paremmin suotimia kuin balansointipiirejä käyttäen hybridiliitoksia (hybrid junctions.) Voidaan osoittaa, että tämän tyyppisten sekoitinten muuntohäviöt ovat samaa luokkaa, kuin tavallisten perustaajuutta käyttävien sekoitinten.

Peruskytkentä

c) Tällä tavalla rakennettuna sekoitin toimii kuin kytkin jota auotaan kaksinkertaisella vauhdilla verrattuna paikallisoskillaattoriin.

Balansoitu LO

d) RA3AAE huomauttaa, että kuvan (d) etu yksinkertaisempaan kuvan (c) rakenteeseen on, että siinä vältetään signaalitehon kytkeytyminen paikallisoskillaattoriin. Tämä haitta vältetään käyttämällä balansoitua rakennetta jossa on kaksi kuutiollista elementtiä (eli 4 diodia)...

Jossa:

• TR1: muuntaa syöttö-RF:n matalemmalle impedanssille
• TR2: Isoloi LO signaalin syötön
• D1-D4: Pareittain mätsättyjä diodeja "anti-parallel" kytkennässä
• LO syöttö: 0.5 Vpp pitäisi riittää
• AF = RF - 2LO, 2LO - RF

Tämä kytkentä toimii erityisesti HF taajuuksilla ja LO on 1/2 tai joku muu aliharmooninen tarvittavasta taajuudesta.

Huono kytkentä

Ei näin:

Tässä kytkennässä on vikana liian korkea terminointi-impedanssi, jonka takia diodien yli vaikuttava oskillaattorisignaali ei ole kyllin korkeajännitteinen (yli n. 0.5 Vpp) avaamaan diodeja myötösuuntaan.

Kun kytkentää on sitten kokeiltu, sen suorituskyky on ollut huono ja se on antanut koko kytkennälle huonon maineen, mutta yleensä amatööreillä ei ole mitään mahdollisuutta päätellä, onko jokin rakenne hyvä vai huono...

Erittäin halpa 14/144MHz RA3AAE-tyyppinen bilateraalisekoitin

Kytkennän rakentaminen eri ole erityisen kriittinen. Tärkeää on lähinnä, että käytettävillä diodeilla on suhteellisen matala impedanssi kaikilla käytettävillä taajuuksilla. Olettakaamme että sekoittimelle syöttävä optimi-impedanssi on luokkaa $60-70\Omega$.

Kuvan oskillaattoria ei tässä selosteta, koska alkuperäinen oskillaattori tuotti käyttöjännitteen vaihdellessa erilaisia häiriöitä, eikä sitä pitäisi julkaista... Tämä on ensimmäinen tämän tyyppinen rakenne jota olen koettanut. Jotkin muutkin amatöörit ovat tutkineet tätä sekoitinrakennetta ja saaneet siitä huonoja tuloksia. Todennäköisimmin syynä on ollut sekoittimen näkemät liian korkeat pääteimpedanssit joillakin toimintataajuuksilla, mikä on pääteltävissä aiemmin julkaistujen rakenteiden käyttämistä varsin pienistä kytkentäkondensaattoreista. Lisäksi mielestäni tämä on väärä sovellus sekoitindiodien virran optimointia varten.

Kuten nimestä voi arvata, bilateraaliset sekoittimet on tarkoitettu toimimaan yhtä hyvin muuntamaan korkeataajuista signaalia matalalle taajuudelle, tai konfiguraatiota vaihtamalla, muuntamaan matalaa taajuutta korkeammalle.

Yllä olevassa kytkennässä on HF-suoramuunnosvastaanottimen 14/144 MHz kaksisuuntainen sekoitin käyttäen vastasuuntaisia diodeja harmoonisena sekoittimena, kuten RA3AAE sitä teki tunnetuksi.

Kytkennän muuntohäviö on noin 7 dB. Osat:

• L1: 5 mm läpimittainen ydin, 18+2 kierrosta 0.3 mm emaloitua kuparilankaa vieri viereen käämittynä
• L2: Amidon T25-2 core, 8+1 kierrosta 0.3 mm emaloitua kuparilankaa
• L3: 6 kierrosta 6 mm sisäläpimittainen 2 cm pitkä 18swg tinattua kuparilankaa välitot kohdissa 1.2 ja 1.5 kierrosta

Outputin BA182 (BA282) diodin ainoa tarkoitus tässä kytkennässä on suojella 144 MHz porttia, kun sitä käytetään 2m lähetinvastaanottimen kanssa, joskin silloin tarvitaan myös hieman muita osia joita tässä ei esitetä.

See Technical topics, Radcom August 1985 pp628-629

Suora-super vastaanotin 20/40 metrille

Halpa suoramuuntovastaanotin 40 m, 30 m, ja 20 m amatööribandeille käyttäen RA3AAE:n tyyppistä vastavuoroista aliharmoonista sekoitinta käyttäen kahta 1N4148 diodia.

Aliharmoonisen sekoittimen suurin etu on, että oskillaattorisignaali ei kulkeudu pitkin johtimia, tasasuuntausta tai sähkölinjoja ja näin vuoda antenniin, missä sellaiset häiriösignaalit voivat tuottaa jatkuvan huminamoduloidun signaalin tasavirtavastaanottimessa.

Aiempien hyvien kokemusten (14/144 MHz sekoitin kahdella 1N4148:lla) innoittamana päätin tutustua konseptin käytettävyyteen suoramuunnosvastaanottimessa.

Tarvittavat komponentit ovat halpoja, eikä mitään eksoottisia erikoisuuksia tarvita. Todennäköisesti nämä löytyvät romulaatikostasi.

Rakenteen herkkyys oli varsin hyvä, 0.1 µV signaali saadaan helposti kuuluville ja viritys 20/30/40 metrin bandeille sujuu helposti muutamalla kiinteällä kondensaattorilla + trimmerillä. Audion suodatus voisi olla parempaa, mutta

the use of an AF-interstage-transformer between the mixer and the audio with capacitive load for some sort of tuning to a cw filter may be a useful way. It was suggested in a Dutch construction, but I cannot find the article now. It is very important that the LO-input sees as low as possible impedance from the buffer, otherwise the mixer will have considerable high loss. Suppose the coils L3, L4 were 77 or 88mH, will check it up later, and write some more text

General purpose transistors used in the constructions:
BC547 (TUN) = BC238 = 2N2222 = 2N3904 = MPS3394 etc
BC557 (TUP) = 2N3906 = MPS3702 etc

Some notes on this construction was mentioned in Technical topics, Radcom April 1995

---

Muuta luettavaa

• http://gard04.mc2.chalmers.se/MEC/PDF/Lectures/Lecture11.pdf
• http://www.hittite.com/company_info/content_files/pdfs/appnotes/subharmonic_mixers_for_high_capacity_millimeterwave_radios.pdf