Mezcla / multiplicación de RF: Mezcladores de frecuencia

Compartir

Los mezcladores de RF o mezcladores de frecuencia y el proceso de mezcla o multiplicación de RF es clave para muchos circuitos de RF que permiten convertir la señal de una frecuencia a otra, además de proporcionar una comparación de fase.

Uno de los procesos de RF o radiofrecuencia más útiles es el de la mezcla. A diferencia de un mezclador de audio donde las señales simplemente se suman, cuando un ingeniero de radio o RF habla de mezclar, se refiere a un proceso completamente diferente. Aquí las señales se multiplican juntas y se generan señales de nuevas frecuencias.

El proceso de RF o mezcla o multiplicación no lineal se utiliza en prácticamente todos los equipos de radio en estos días y también en muchos otros circuitos al lado. Permite cambiar las señales de una frecuencia a otra para que el procesamiento de señales, por ejemplo, se pueda realizar en una frecuencia baja donde sea más fácil de realizar, pero la señal se puede cambiar a una de una frecuencia más alta donde la señal se va a transmitir o recibir.

¿Qué sucede cuando se mezclan las señales?

Se encuentra que si se pasan dos señales a través de un circuito no lineal, se forman señales adicionales en nuevas frecuencias. Estos aparecen en frecuencias iguales a la suma y la diferencia de frecuencias de las señales originales. En otras palabras, si las señales a frecuencias de f1 y f2 entran en el mezclador, entonces también se verán señales adicionales a frecuencias de (f1+f2) y (f1-f2) en la salida.

Para dar un ejemplo, si las dos señales originales están a frecuencias de 1 MHz y 0,75 MHz, entonces las dos señales resultantes aparecerán a 1,75 MHz y 0,25 MHz.

Mezcla de dos señales de RF
Mezcla de dos señales de RFPara entender un poco más sobre el proceso de mezcla o multiplicación de RF, es necesario ver exactamente cómo se produce el proceso de mezcla. Como se mencionó anteriormente, las dos señales se multiplican juntas, y esto ocurre como resultado de un elemento no lineal en el circuito. Esto puede ser un diodo, o dispositivos activos como transistores o FET que están adecuadamente sesgados.Las dos señales se pueden considerar como ondas senoidales. El nivel de salida instantáneo depende del nivel instantáneo de la señal A multiplicado por el nivel instantáneo de la señal B. Si se multiplican los puntos a lo largo de la curva, entonces la forma de onda de salida es más compleja como se muestra a continuación.

El proceso de mezcla o multiplicación de RF: dos formas de onda y la salida resultante.
Mezclar o multiplicar dos señales juntasLas frecuencias utilizadas para generar el ejemplo a continuación para las frecuencias mencionadas anteriormente, es decir. 0,75 MHz y 1,0 MHz. Se puede ver que en la salida hay un componente de baja frecuencia (la frecuencia de diferencia a 0,25 MHz) y un componente de alta frecuencia (la frecuencia de suma a 1,75 MHz).En funcionamiento, los mezcladores de RF utilizan uno de dos mecanismos para su funcionamiento:

  • Función de transferencia no lineal: Este enfoque utiliza las no linealidades del dispositivo creativamente de una manera que la intermodulación crea la frecuencia deseada y las frecuencias no deseadas.
  • Conmutación o muestreo Este es un proceso que varía en el tiempo en el que los elementos del mezclador son encendidos y apagados por el oscilador local. Este método se prefiere porque crea menos señales espurias y, por lo tanto, proporciona una mayor linealidad para las señales de salida requeridas.

Puertos mezcladores de RF / frecuencia

Los mezcladores de frecuencia de los mezcladores de RF vienen en una variedad de formatos, pero todos tienen las mismas conexiones básicas. Hay tres, y en muchos módulos mezcladores de frecuencia, están etiquetados como tales:

  • RF: Esta es la entrada utilizada para la señal cuya frecuencia se va a cambiar. Normalmente es la señal entrante o equivalente y normalmente está en un nivel relativamente bajo en comparación con la otra entrada.
  • LO: Esto es para la señal del oscilador local. El nivel de entrada de señal para este puerto es generalmente mucho mayor que el de la entrada de RF.
  • IF: Este es el puerto de salida para el mezclador. Es el puerto donde aparece la señal «mixta».

En un diseño o sistema de RF donde la señal se está convirtiendo en una banda donde las señales son de menor frecuencia que la señal entrante, el bloque de circuito se puede referir como un convertidor descendente o un proceso de conversión hacia abajo. Esto suele ocurrir en un receptor (aunque en algunas radios, las señales se pueden convertir en frecuencia antes de que se vuelvan a convertir).

Del mismo modo, cuando las señales se convierten en frecuencia, el proceso se puede denomina conversión ascendente. Esto ocurre típicamente en un transmisor y algunos otros sistemas de RF.

Dependiendo del mezclador de RF real y de la aplicación, la señal del oscilador local es típicamente bastante grande y puede ser una onda senoidal continua o una onda cuadrada. Esta señal del oscilador local a menudo actúa como una puerta al mezclador, cambiando el mezclador en línea con esta señal. El mezclador de RF se puede considerar ON cuando el voltaje LO lo enciende y OFF cuando la señal del oscilador local lo apaga. Esto luego actúa sobre la señal entrante en el puerto de RF para permitir que las dos señales se mezclen y proporcionen las dos señales de salida requeridas.

Tipos de mezclador de RF

Los mezcladores de RF o mezcladores de frecuencia están disponibles en muchas formas y hay varios tipos de terminología utilizada para categorizarlos. Obviamente están los mezcladores basados en diferentes formas de semiconductores u otra tecnología, pero también se clasifican de otras maneras.

Una forma en que se describen los mezcladores de RF es en términos del tipo de dispositivo utilizado en ellos:

  • Mezcladores pasivos: Los mezcladores pasivos suelen utilizar componentes pasivos en forma de diodos como elemento de conmutación dentro del circuito de RF. Como resultado, no pueden exhibir ninguna ganancia, pero muchas formas pueden proporcionar excelentes niveles de rendimiento.Los mezcladores pasivos utilizan principalmente diodos Schottky debido a su bajo voltaje de encendido, pero requieren el uso de un transformador balun / RF si se van a utilizar en un mezclador equilibrado o doble equilibrado. Esto puede limitar la respuesta de frecuencia.
  • Mezcladores activos: Como el nombre del mezclador Active RF contiene componentes electrónicos activos como un transistor bipolar, FET o incluso un tubo de vacío / válvula termiónica. Estos tipos de mezclador de RF son capaces de proporcionar ganancia, así como probar la capacidad de multiplicación o mezclador de RF.

Los mezcladores también se ven por si están equilibrados o no. Equilibrarlos requiere baluns, equilibrados a transformadores desequilibrados, pero esto proporciona mejoras en el rendimiento.

  • Mezclador desequilibrado: Un mezclador de RF desequilibrado es aquel en el que el mezclador simplemente mezcla las dos señales y la salida consiste en las señales de suma y diferencia, así como niveles significativos de la señal de RF original y el del oscilador local. En algunos casos esto puede no ser un problema, pero en otros realmente puede ayudar eliminarlos como parte del proceso de mezcla de frecuencias.
  • Mezclador equilibrado único: Un mezclador equilibrado único tiene un solo balun o circuito de equilibrio. Por lo general, los mezcladores de equilibrio simple consisten en dos diodos junto con un híbrido que actúa como balun. Aunque los híbridos de 90° y 180° se pueden utilizar para diseñar mezcladores de equilibrio único, la mayoría de los mezcladores de equilibrio simple incorporan un híbrido de 180°.
    • Los puertos de entrada de 180 ° del híbrido se aíslan mutuamente y esto permite aislar el puerto oscilador local del puerto de RF, lo que evita que la señal LO afecte a los circuitos de entrada de RF reduciendo el nivel de productos de intermodulación.El funcionamiento equilibrado también se puede lograr utilizando configuraciones equilibradas de transistor o FET.Estos suelen estar contenidos dentro de circuitos integrados donde se pueden lograr altos niveles de rendimiento.
    • Mezclador doble equilibrado: Los mezcladores tradicionales básicos de doble equilibrio suelen utilizar cuatro diodos Schottky en una configuración de anillo cuádruple. Los baluns o híbridos se colocan en los puertos RF y LO, mientras que la señal IF se aprovecha desde el balun RF.En funcionamiento, el mezclador doble equilibrado tiene un alto nivel de aislamiento LO-RF y aislamiento LO-IF y proporciona un nivel razonable de aislamiento RF-IF. El uso de mezcladores de doble equilibrio puede reducir el nivel de productos de intermodulación hasta en un 75% en comparación con un mezclador de RF desequilibrado de un solo diodo.
      • Mezclador triple equilibrado: Para mejorar aún más el rendimiento del mezclador, es posible utilizar un mezclador triple equilibrado.Un mezclador triple equilibrado está hecho efectivamente de dos mezcladores doblemente equilibrados y, como resultado, a veces se le llama un mezclador doblemente doblemente equilibrado. Utiliza muchos más componentes electrónicos que tienen dos puentes de diodos o quads, con un total de ocho cruces. El divisor de potencia en los baluns de microondas RF y LO alimenta la estructura del mezclador, y esto permite acoplar ambos quads de diodos. Esto permite que la señal IF esté disponible en dos terminales aislados separados, que normalmente exhiben anchos de banda muy grandes en comparación con otras arquitecturas de mezclador.El aislamiento mejorado proporcionado por el mezclador triple equilibrado proporciona niveles mucho más altos de señal espuria, supresión de distorsión de intermodulación.

        La mejora en el rendimiento debe compensarse con el hecho de que necesitan niveles más altos de unidad de LO y, por supuesto, el aumento de la complejidad y el recuento de componentes electrónicos dan lugar a un aumento del costo.

    • Símbolo del circuito del mezclador de RF

      El símbolo clave del circuito del mezclador de RF muestra las dos señales que entran en el bloque de circuito que consiste en un círculo con una cruz o «X» dentro de él. Esto se utiliza ampliamente en los esquemas de circuitos para muchos diseños de circuitos de RF. Normalmente se utiliza cuando se utiliza un módulo mezclador de RF.

      Este símbolo de circuito indica el aspecto de multiplicación del mezclador.

    • Símbolo del circuito del mezclador de RF.
      Símbolo del circuito del mezclador de RF que muestra el esquema de traducción de frecuencia que es el objetivo para los buenos mezcladores

      En algunos casos, los diferentes puertos al mezclador se etiquetarán adecuadamente: RF, LO, IF.

      Circuitos de mezcladores de RF

      Los mezcladores de RF o mezcladores de frecuencia se pueden realizar utilizando una variedad de diseños de circuitos de RF. También diferentes circuitos tienen diferentes niveles de complejidad y utilizan diferentes números y tipos de componentes electrónicos. En consecuencia, el costo, las especificaciones, la operación y otros aspectos significan que al realizar cualquier diseño de circuito de RF, los diferentes tipos de mezclador de frecuencia pueden ser más aplicables a una situación que a otra.

      Hay una enorme variedad de diferentes tipos de circuitos, incluyendo:

      • Mezclador de un solo diodo: Esta forma de mezclador de RF o mezclador de frecuencia es la forma más simple disponible, utilizando muy pocos componentes electrónicos. En consecuencia, el nivel de su rendimiento es mucho menor que el de algunos diseños más sofisticados que utilizan componentes electrónicos adicionales y a menudo más caros.
      • Mezclador de RF de transistor básico:Mezclador básico FET:Los FET son componentes electrónicos ideales para usarlos para mezclar. Teniendo una buena capacidad de conmutación y la capacidad de usar dos puertas si se utiliza un MOSFET de doble puerta, estos dispositivos proporcionan un excelente rendimiento.

         

        Hay muchos circuitos diferentes para mezcladores FET, cada uno con sus propias ventajas y desventajas.

      • Mezclador de diodo único equilibrado: El mezclador de diodo equilibrado único proporciona aislamiento del oscilador local de uno de los otros puertos. Es sencillo y funciona bien, aunque debido al aislamiento limitado entre puertos, dará lugar a niveles más altos de distorsión de la intermodulación.
      • Mezclador de diodos de doble equilibrio: El mezclador de diodos de doble equilibrio proporciona un mayor aislamiento, aislando los puertos LO-RF y LO-IF. Requiere dos baluns y cuatro diodos. Los diodos utilizados son normalmente diodos Schottky debido a su bajo voltaje de encendido. En vista del aumento de las capacidades de aislamiento, los niveles de distorsión de intermodulación son más bajos que los del mezclador equilibrado único.
        • Mezclador de celdas Gilbert: El mezclador de células Gilbert se utiliza a menudo dentro de circuitos integrados que se utilizan para receptores de radio y otras aplicaciones de diseño de RF. En vista del número de componentes electrónicos necesarios, no se ven tan a menudo construidos a partir de componentes electrónicos discretos. El mezclador de cel Gilbert funciona particularmente bien, pudiendo ofrecer un funcionamiento doblemente equilibrado utilizando las entradas diferenciales, etc. de los circuitos de transistores de par de cola larga o FET.
      • Aplicaciones de mezclador de RF

        Los mezcladores de RF o mezcladores de frecuencia se utilizan en todas las áreas del diseño y desarrollo de RF. Se utilizan en circuitos desde receptores de radio y transmisores hasta sistemas de radar, y de hecho en cualquier lugar donde se utilicen señales de radiofrecuencia.

        Estos mezcladores se pueden utilizar de una variedad de maneras diferentes:

        • Traducción de frecuencia: La aplicación más obvia para los mezcladores de RF es para la traducción de frecuencia. Esta técnica se utiliza en muchas áreas y en particular en receptores y transmisores para mover la frecuencia de una señal de una banda a otra. Utilizando el hecho de que las dos frecuencias de entrada generan frecuencias de suma y diferencia, es posible cambiar la entrada de señal a otra frecuencia tomando la suma o la señal de diferencia. Una de las primeras aplicaciones importantes de esto fue en el receptor de radio superheterodina.
        • Comparación de fases: Utilizando un mezclador es posible detectar la diferencia de fase entre dos señales. Esta aplicación de mezclador de RF se puede utilizar en muchas áreas, una de las cuales está dentro de bucles bloqueados por fase.

Los mezcladores de RF o mezcladores de frecuencia como se les llama a menudo, son uno de los principales bloques de construcción para el diseño de circuitos de RF. La traducción de frecuencia es una capacidad importante, utilizada en una serie de aplicaciones diferentes, y es un elemento clave de la tecnología de equipos de radiocomunicaciones: tanto para transmisores como para receptores. Además de esto, los mezcladores se pueden utilizar como detectores de fase para muchas aplicaciones, incluidos muchos diseños de RF de aspecto bloqueado por fase y sintetizador.

En consecuencia, entender el funcionamiento del mezclador de RF y los diferentes tipos y su uso, es esencial para cualquier persona involucrada en el diseño de RF, el desarrollo de sistemas o el funcionamiento de cualquier equipo de comunicaciones de RF o radio.

Deja una respuesta