Technika Wysokich Częstotliwości Temat: Pomiar parametrów mieszacza kołowego.
Wydział: EAIiE Kierunek : EiT Rok: III Wykonał:
Paweł Zajdel Tomasz Janeczek Grupa: czwartek 11:00 Data wykonania ćwiczenia: 12.01.2012 r.
Cele ćwiczenia:
Celem ćwiczenia laboratoryjnego było zbadanie właściwości mieszacza kołowego takich jak:
nieliniowość trzeciego rzędu IP3, tłumienia heterodyny w kierunku L-I, tłumienia heterodyny w kierunku L-R, współczynnik strat przemiany A i zakres dynamiczny DR mieszacza.
Wyposażenie stanowiska pomiarowego.
Rys.1. Układ pomiarowy stosowany podczas ćwiczenia laboratoryjnego.
Elementy składowe układu z rysunku 1.:
- analizator widma HP 8560B (jest to odbiornik heterodynowy który śledzi pasmo i może być przestrajany w wybranym przez użytkownika paśmie)
- mieszacz ZAD-1H+ - mieszacz kołowy działający w paśmie od 0.5MHz do 500MHz - generator HP8640 – generator sygnału ustawiony na częstotliwość 2MHz
- generator heterodyny – generator sygnału heterodyny o częstotliwości 110 MHz i mocy 17 dBm Parametry badanego mieszacza ZAD-1H+ (wg producenta).
- straty przemiany : 5dB (jest to wielkość charakteryzująca dobry mieszacz) - izolacja pomiędzy wejściem lokalnego oscylatora a wejściem sygnału R: -42.5 dB - izolacja pomiędzy wejściem lokalnego oscylatora w wyjściem mieszacza I: -39.5 dB - współczynnik fali stojącej na wejściu : 1.12
- współczynnik fali stojącej na wyjściu : 2.57
- poziom lokalnego oscylatora : 17 dBm
Wyznaczanie parametrów badanego mieszacza.
Na samym początku ustawiliśmy moc lokalnego oscylatora na 17 dBm tak aby spełnić wymagania producenta mieszacza co do tego parametru.
Rys.2. Sposób podłączenia końcówek mieszacza w celu wyznaczenie przecieku lokalnego oscylatora na wejście sygnału R.
W celu zmierzenia przecieków lokalnego oscylatora na wejście sygnału do mieszacza podłączono generator sygnału heterodyny (lokalny oscylator), wyjście obciążono impedancją 50 Ω a wejście podpięto do analizatora widma. Na ekranie analizatora widma odczytaliśmy wartość tego przecieku tj.
-32 dB. Oznacza to że mieszacz posiada lepszą izolację między wejściem a wejściem sygnału lokalnego oscylatora niż to deklaruje producent.
W podobny sposób zbadano tłumienie heterodyny w kierunku L -> I.
Rys.3. Układ za pomocą którego wyznaczono tłumienie heterodyny w kierunku L -> I.
Wartość wyznaczonego w ten sposób przecieku wyniosła -30dB . Jest to lepsza wartość niż ta podawana przez producenta tego mieszacza.
Współczynnik strat przemiany obliczamy jako stosunek mocy sygnału wejściowego do mocy sygnału
wyjściowego tj. : A=Ps Pp .
W naszym przypadku moc sygnału wejściowego wynosi 0dBm a moc sygnału wyjściowego -4 dBm.
Po zamianie powyższych wartości na skalę liniową otrzymujemy wartość
A≈4 dB
Oznacza to iż moc sygnału w wyniku mieszania ulega pomniejszeniu około 316 w stosunku do mocy wejściowej. Producent podaje iż współczynnik strat wynosi 5 dB co jest wartością znacznie lepszą niż przez nas zmierzona. Jednak pomimo tego wartość 4dB charakteryzuje dobry mieszacz.
Wyznaczenie nieliniowości mieszacza 3-go rzędu.
Rys.4. Obraz analizatora spektralnego przedstawiający produkty przemiany mieszacza wraz z 3-cią harmoniczną.
Zmierzone wartości:
- „peak” normalny : -4 dBm
- „peak” trzeciego rzędu ; -55 dBm.
Nieliniowość mieszacz trzeciego rzędu wyznaczamy korzystając z prostego wzoru:
IP3=P
I+ M
2
gdzie M to różnica pomiędzy wartościami mocy dla częstotliwościω
h+ ω
s iω
h+3 ω
s .W naszym przypadku wynosi ona M = 51 dBm.
Stąd IP3 = 25.5 dBm.
Wyznaczenie zakresu dynamicznego mieszacza DR.
Zakres dynamiczny DR mieszacza wyznaczono zakładając że NF= -A . Przy wyznaczaniu tego zakresu możemy skorzystać ze wzoru
SFDR= 2
3 ( IP 3
idBm−NF−10 log Δf
kHz+144 )
∆f oznacza zakres pomiarowy który w naszym przypadku wynosił 20MHz czyli 20000 kHz.
SFDR≈87 dB
.Mieszacz nr 2.
Badaniom poddano także mieszacz innej firmy o nieznanych parametrach. Z powodu braku czasu udało się nam wyznaczyć tylko:
- przeciek heterodyny na wejście sygnału: -28 dB - przeciek heterodyny na wyjście: -11 dB - M = 38 dBm
- IP3 = 19 dBm
Podsumowanie i wnioski.
ZAD-1H+ (dane producenta)
ZAD-1H+ (wartości zmierzone)
Drugi badany mieszacz Tłumienie heterodyny
w kierunku L->R [dB]
-42.5 -32 -28
Tłumienie heterodyny w kierunku L->I [dB]
-39.5 -30 -11
A [dB] 5 4 nie zmierzono
M [dBm] - 51 38
IP3[dBm] nie podano 25.5 19
NF [dB] -5 -4 nie zmierzono
SFDR[dB] nie podano 87 nie zmierzono
Tab.1. Tabela porównująca parametry zmierzone mieszacza ZAD-1H+ z parametrami katalogowymi i z parametrami mieszacza nieznanego producenta.
Dla mieszacza ZAD-1H+ nie podano w nocie katalogowej wartości IP3 i SFDR. Zmierzone tłumienia heterodyny są lepsze niż podane przez producenta. Jest tak zapewne dlatego iż producent podał wartości krytyczne które są osiągane tylko w najgorszym możliwym scenariuszu działania mieszacza.
Punkt IP3 dla mieszacza ZAD-1H+ wynosi 25.5dBm. Jest to wartość mocy dla której teoretycznie intermodulacje trzeciego były by równe składowej użytecznej dlatego też ten punkt nazywa się
„punktem przechwycenia”. W praktyce do takiego zrównania nigdy nie dochodzi ze względu na ograniczenie mocy sygnału wejściowego. Im IP3 jest większe tym lepiej dla naszego wzmacniacza.
Ciężko jest nam jednoznacznie stwierdzić czy zmierzona przez nas wartość charakteryzuje dobry mieszacz gdyż nie mamy porównania z innymi układami tego typu. Drugi z badanych przez nas mieszaczy posiada lepszą izolacje między wejściem lokalnego oscylatora a wejściem sygnałowym i między wejściem lokalnego oscylatora a wyjściem niż mieszacz ZAD-1H+. Posiada on mniejszą wartość IP3 niż ZAD-1H+.
Bibliografia:
- wykłady z Technik Wysokich Częstotliwości [wykłady pt. „Zjawiska nieliniowe w układach mikrofalowych” i „Układy przemiany częstotliwości”]
- nota katalogowa producenta mieszacza ZAD-1H+ dostępna na stronie internetowej:
www.minicircuits.com/pdfs/ZAD-1H.pdf
