KR830000419B1

KR830000419B1 - 평형 능동 혼합기회로

Info

Publication number: KR830000419B1
Application number: KR1019790002139A
Authority: KR
Inventors: 죠세프 서니 2세 프랭크; 더글라스 헤름 죠오지; 제라드 웨소로스키 로날드
Original assignee: 빈센트 죠세프 라우너; 모터로라 인코오포레이티드
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1979-06-29
Publication date: 1983-03-07

Abstract

내용 없음.

Description

평형 능동 혼합기회로

제1도는 본 발명을 구체화한 평형 능동 혼합기회로의 회로도.

제2도는 이동식 무전기에 사용할 수 있게 만든 제1도의 평형 능동 혼합기회로의 1실시예를 나타낸 도면.

본 발명은 무전기의 혼합기회로에 관한 것이며, 특히 광대역 선단(front-ent)선택도를 지닌 수신기가 내장된 무전기에 사용하도록 만든 평형 능동 혼합기에 관한 것이다.

종래 단일 평형 수동혼합기가 마이크로웨이브 장비에 사용되고 있는데, 이 장비에서는 1쌍의 혼합기 다이오드에 국부 발진신호의 평형성분이 대칭적으로 인입된다. 마이크로웨이브 신호 및 국부발진 신호를 혼합기 다이오드에 결합시키는 것은 하이브리드 회로 링에 의해 이루어지고 있는 바, 이러한 마이크로웨이브 장비는 미합중국에 특허 제3,659,206호에 설명되어 있다.

그러나, 평형 수동 혼합기의 변환손실이 6내지 6dB이기 때문에, 평형 수동 혼합기 전단에 고가의 RF증폭기를 구성하여야 했다.

이 RF증폭기는 수동소자 대신에 전계효과 트랜지스터 또는 바이포울러 트랜지스터 등과 같은 능동소자를 활용하므로써 배제할 수 있다. 단일 평형 능동 혼합기는 미합중국 특허 제3,831,097호 및 1976년 실리코닉스 사에서 발간한 에드옥스너(Ed oxner)씨의 응용 노우드 AN72-1에 언급되어 있다. 그러나, 종래의 단일 평형 능동 혼합기에는 전형적으로 LO(국부발진기)신호를 능동 소자에 결합시키기 위한 환성형 변압기 및 1차 권선의 중앙탭을 접지시킨 출력 변압기가 사용되고 있다. 출력변압기의 1차측 중앙탭을 접지시키는 것은 양호한 혼합기 평형을 설정하는데 중요한 요인이라고 생각되는 바, 이것은 스퓨리어스신호를 제거시키기 위해 필요하다. 따라서, IF(중간주파신호)와 관련된 스퓨리어스신호의 영향을 받지않게 하기 위해선, 종래의 평형 능동 혼합기는 국부발진신호를 능동소자로 결합시킬 수 있게 회로 구성을 하고 후속하는 중간주파단에 대한 출력 변압기의 평형을 유지시키는데 있어서 상당히 고려할 사항이 많기 때문에 코스트상승을 가져왔을 뿐만아니라 복잡하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 광대역 선단 RF선택도를 가진 수진기를 내장한 무전기에 사용할 수 있도록 개량되었으면서도 저렴한 단일 평형 능동혼합기 회로를 마련하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 실제적으로 국부발진 주파수와 동일한 송신기 주파수에 동작하는 광대역 라이드오에 사용할 수 있도록 개량된 단일 평형 능동 혼합기 회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른목적은 1/2IF 스퓨리어스 주파수에 기인하는 혼합기의 허위 출력을 크게 감쇄시킬필요성이 있는 광대역 무전기에 사용하도록 만든 단일 평형 능동 혼합기 회로를 제공하는 것이다.

본 발명을 실시함에 있어서, 고주파신호(RF)와 국부발진(LO)신호를 결합시켜 중간주파신호(IF)를 발생시키기위한 단일 평형 능동 혼합기 회로가 무선 송·수신기를 위해 마련된다. 무선수신기는 광대역 선단 선택도를 가지는데, 예를들어 수신기의 대역폭은 대략 그 중간주파수의 1/2과 같을 것이다.

국부발진신호의 주파수는 실질적으로 무선 송신기의 주파수와 같을 수도 있다. 이러한 평형 농도 혼합 기회로는 스트립 전송라인 링과 평형 능동혼합기를 포함한다. 이 스트립 전송라인은 고주파신호 및 국부발진신호에 결합되어 있고 평형 능동 혼합기에 제1 및 제2 출력 신호를 공급한다. 이 제1 및 제2 출력 신호는 실질적으로 국부발진 및 고주파 신호와 동일 성분으로 구성되어 있다. 국부발진신호의 동일 성분은 서로에 대해서 180°위상변이 되어있고, 고주파 신호의 동일성분은 서로 등상이다.

스트립 전송라인 링으로 부터 나온 제1,2출력 신호는 평형 능동 혼합기에 있는 1상의 능동소자에 결합되고, 이 능동소자는 출력변압기의 1차 권선의 대향 단부에 결합되는 제1,2혼합기 신호를 제공한다. 출력변압기의 1차측에는 규정된 위치에 탭을 구성하여 직류바이어스 회로망으로부터 능동소자들로 규정 바이어스 전압을 공급할 수 있게 되어있다. 제1,2혼합신호의 요망한 중간주파 성분들은 출력변압기의 1차 권선에서 동상으로 합성되고, 이 합성 중간 주파신호는 출력변압기의 2차 권선양단에 나타난다.

본 발명의 상세한 설명은 다음과 같다.

제1도는 상대적으로 높은 주파수 예를들어. 800MHz범위에 있는 복수의 채널에서 동작하는 FM무전기에서 유리하게 사용할 수 있도록 만든 단일 평형 능동 혼합기 회로를 도시하고 있다. 무선 수신기는 광대역 선단 RF선택도를 갖는다. 수신기 대역폭은 중간주파 신호의 1/2에 이르는데, 보통 순신기 대역폭은 중간주파신호이 1/4미만일 정도로 아주 좁다. 예를들어, 800MHz범위의 주파수에서 동작하는 무전기는 45MHz의 중간주파수 및 20MHz의 3dB고주파 선단 수신 대역폭을 가질 수 있다. 따라서, 20MHz의 수신대역폭은 중간주파 신호의 거의 1/2즉, 22.5MHz이다.

이 1/2중간주파 스퓨리어스 신호는 수신기 혼합기가 중간주파신호 관련스퓨리어스 신호의 영향을 받지 않게 하지 못한다면 수신 고주파 대역폭의 상단부 근처에 위치한 수신채널에서 동작할 때 심각한 문제점이 될 것이다. 본 발명의 평형 능동혼합기 회로는 20dB크와이팅 감도(quieting sensitity)와 관련된 1/2중간주파 스퓨리어스 신호에 대해 70dB이상의 감쇄를 제공한다.

평형 능동혼합기 회로는 스트립 전송라인링(100) 및 평형 능동 혼합기(101)를 포함한다. 스트립 전송라인링(100)은 4개의 1/4파장 세그먼트(segment)(102-105)와 1개의 1/2파장 세그먼트(106)를 가지고 있다. 수신된 고주파 신호는 매칭 세그먼트(107)를 경유해서 세그먼트(103)(104)의 공통접점에 가해진다. 고주파 신호는 세그먼트(103)(104)의 접점에서 똑같이 나누너져서, 전송라인 링(100)을 따라 국부발진신호(LD)의 입력 접점까지 세그먼트(104)(105)를 통해 총 1/2파장을, 그리고 세그먼트(103)(102)(106)를 통해 총 1파장을 여행하게되는데, 여기서 고주파 신호의 동일부분들은 180°의 위상차가 있으므로 상쇄된다. 마찬가지로, 국부발진신호는 세그먼트(105)(106)의 접점에서 동일 부분으로 나누어지고, 이것은 상술한 이유로 고주파 신호의 입력접점에서 상쇄된다.

부언하면, 고주파 신호의 동일 부분은 각기 세그먼트(103)(104) 및 메칭 세그먼트(109) 및 (110)를 경유해서 트랜지스터(120)(121)에 서로 동상으로 가해진다. 그러나, 국부발진신호의 동일부분은 트랜지스터(120)(121)에 서로 180°의 위상차를 가지고 가해진다.

바이포울러 트랜지스터(120)(121)로는 모터로라 MRF901등과 같이 상업상 이용가능한 적절한 어떤 트랜지스터로 사용할 수 있다. 바이포울러 트랜지스터(120)(121)는 공통 베이스 접지등과 같은 어떤 적당한 형태로 사용할 수 있지만 여기서는 공통 에미터형태로 접속하였다. 바이포울러 트랜지스터(120)(121)의 에미터는 고주파 신호와 국부발진신호를 바이패스 시키기 위해 각기 바이어스 저항기(161)(122) 및 커패시터(123)(124)에 접속하였다. 바이포울로 트랜지스터(120)(121)의 콜렉터는 직렬 페라이트 쵸우크(125)(126)를 경유해서 커패시터(127)(128)에 접속함과 동시에 출력기준 변압기(132)에 접촉하였다. 페라이트 쵸우크(125)(126)는 스퓨리어스발진을 방지할 수 있도록 바이포울러 트랜지스터(120)(121)의 콜렉터에 직렬 접속시킨 1/2회선 비이드(bead)인데, 이것들을 안 쓸 수도 있다.

출력변압기(132)로 4대 1의 비율의 페라이트 변압기를 사용할 수 있다. 변압기(132)는 평형 입력을 비평형 출력으로 변형시키는데, 이것의 2차권선은 2권이다. 이 변압기 2차축 권선은 무선수신기의 제1중간 주파단에 접속하였다. 직류전압 +V가 변압기(132)의 1차축에 걸려있어 트랜지스터(120)(121)에 적절한 콜렉터 바이어스 전압을 공급한다. 직류전압 +V는 저항기(138)를 통해 커패시터(142) 및 저항기(129)에 접속하였다.

트랜지스터(120)(121)에 대한 콜렉터 바이어스 전압은 쵸우크(134) 및 저항기(133)를 경유해서 변압기(132)의 1차측 권선의 중앙 탭에 공급된다. 종래 이 중앙탭을 통해 고주파신호를 바이패스시키는 대신, 고주파 분리 쵸우크를 통해 변압기(132)의 중앙 탭에 바이어스 전압을 인가함으로써, 변압기(132)의 중앙탭을 정밀하게 위치잡은 것은 평형 능동혼합기의 동작에 중요하지 않게 된다. 변압기(132)의 규격이 완화되어서 아주 저렴한 변압기를 사용할 수도 있다. 더우기, 변압기(150)의 1차측 권선의 탭은, 그 탭이 중간 주파수에서 접지로 바이패스되는 대신에 플로우링(floatint)하므로, 1차측 권선위의 적절한 위치라면 어떤 곳에도 위치시킬 수 있다.

트랜지스터(120)(121)의 베이스에 대한 바이어스 전압은 저항기(139)(140)에 의해 형성된 저항 분할기에 의해 공급된다. 베이스 바이어스 전압은 저항기(141)를 경유해서 세그먼트(104),(105), (110)의 접점까지 인가한후, 세그먼트(110)를 통해서는 트랜지스터(121)의 베이스에 인가되고, 세그먼트(104),(103)(109)를 통해서는 트랜지스터(120)의 베이스로 인가된다. 이 바이어스는 그것의 배치가 중요하지 않으므로 어떠한 세그먼트 접합점에 가해질 수 있다.

본 발명의 단일 평형 능동 혼합기 회로는 광대역 선단 고주파 선택도를 지닌 수신기가 내장된 어떤 무전기에서도 유를하게 사용할 수 있도록 구성하였다. 특히, 이러한 무전기가 중간 주파수의 1/2에 도달하는 수신 대역폭을 가질때, 중간주파수와 관련된 스퓨리어스 주파수에 기인되는 간섭이 일어날 수 있다. 그러나, 1/2중간주파 스퓨리어스 신호에 기인하는 간섭은 본 발명을 실시하는 평형 능동 혼합기회로를 활용하므로써 크게 감쇄시킬 수 있을 것이다. 1/2중간주파 스퓨리어스 신호의 상쇄를 위한 이론적인 토대는 트랜지스터(120)(121)의 콜렉터 전류를 고려하므로써 다음의 방정식으로 설명할 수 있다. 이 방정식은 미합중국 특허 제3,1716,730호에 있는 전계효과 트랜지스터의 드레인 전류 방정식을 따라 모델화하였다.

바이포울러 트랜지스터의 순방향 전달 특성은 이 소자의 어드미턴스나 y파라미터로 표현할 수 있다.

이러한 순방향 전달어드미턴스는 이 소자가 큰 입력 전압변동에 대해 선형성을 유지하지 않기 때문에 테일러 급수로 설명할 수 있다.

ie=Y₀+Y₁v_b+Y₂v_b ²+Y₃v_b ²+…+Y_av_b ^a(1)

여기서

ie=순시 콜렉터 전류

v_b=베이스와 에미터간의 순시 전압.

순방향 직류 바이어스 전압을 가함에 따라 이 트랜지스터에 정동작점이 선택되자마자, 테일러 급수는 이 바이어스 점들 중심으로 전개될 것이다.

i=y₀v_de+y₁v_b'¹+y₂v_b'²+y₃v_b'³+…+y_av_b ^a(2)

여기서,

v_b'=v_s+v_o

v_s=v_scos wst=w_s에서의 요망한 입력전압,

v_o=v_ocos wot=w_o에서의 국부발진기 전압,

v_dt=직류 베이스 순방향 바이어스 전압

위의 방정식(2)에서는, y₀,y₁,y₃,는 정동작점을 중심으로 신장되는 순방향 전달 어드미턴스에 대한 테일러 급수 계수이다.

항 "y_ov_de"는 국부발진신호가 인가되지 않을 시의 정동작 직류 콜렉터 전류이다. 기타 모든 짝수의 y계수는 동작하는 직류전류에 기여할 것이다.

중간주파수 w_IF는 다음과 같이 표현된다.

w_IF=｜W_s-W_o｜

채널이 "온"된 상태의 요망한 신호 에 반응한 혼합기 소자 각각의 요망 출력 i_c1,i_c2는 국부발진기신호가 제2혼합기에서 180°의 위상차가 있기 때문에 다음과 같다.

i_c ¹=y₂(v_s+v_o)²+y₄(v_s+v_o)⁴+ (2)

i_c ²=y₂(v_s-v_o)²+y₄(v_s-v_o4)⁴+

출력변압기(132)의 2차측 전류는 상술한 콜렉터 전류의 차에 비례할 것이다.

i_o=i_c ¹-i_c ²=y₂[(v_s+v_o)²-(v_s+v_o)²]+y₄(v_s+v_o)⁴-(v_s-v_o)⁴]+ (4)

방정식(4)은 다음과 같이 간단히 될 수 있다.

i_o=₂v_sv_o[y₂+3/2y₄(v_s ²+v_o ²)+…] cos｜w_s-w_o｜t (5)

이 방정식은 주파수 W_s에의 요망한 입력신호에 대해 중간 주파수에의 요망한 출력치를 제공한다. 1/2 중간주파 스퓨리어스신호 등과 같은 불필요한 "중간주파 스퓨리어스응답"은 전달함수 계수 y_n의 보다 높은 짝수항에 의해 발생된다. 4번째 항 계수 Y₄는 일차적으로 1/2중간주파 허위신호의 원인이 되는 항이다.

이러한 스퓨리어스 응답은 다음 상태일때 주파수 w_r에서 발생할 것이다.

2w_r-2w_o=w_s-w_o(6)

이때, w_IF=｜w_s-w_o｜이므로, 방정식(6)은 다음과 같이 줄일 수 있다.

｜w_r-w_o｜=w_IF/2(7)

이때 1/2중간주파 스퓨리어스응답은 요망한 신호 주파수 및 국부발진 주파수간의 주파수 중간점에서 발생한다.

주파수 w_r에서 스퓨리어스신호에 응답하는 혼합기 소자 각각의 불필요한 출력은 다음과 같이 주어진다.

i_c ¹=y₄(v_r+v_o)⁴+y_b(v_r+v_o)⁶+ (8)

i_c2=y₄(v_r-v_o)⁴+y_b(v_r-v_o)⁶+ (9)

이들 두 방정식은 관련항만 유지하면서 다음과 같이 간단히 할 수 있다.

i_c ¹=[3/4y₄+15/8y₆(v_s ²+v_o ²)+…]v_r ²v_o ²cos｜₂w_r-₂w_o｜t (10)

i_c ²=[3/4y₄-15/8y_b(v_r ²+v_o ²)+…]v_r ²v_o ²cos｜₂w_r-₂w_o｜t (11)

출력 변압기(132)의 2차측 전류는 상기 콜렉터 전류의 차에 비례할 것이다.

i_o ¹=i_c1-i_c2=[15/4y₆(v_r ²+v_o ²)+…]v_r ²v_o ²cos｜₂w_r-₂w_o｜t (12)

단일 평형 혼합기를 사용하므로써, 전달함수의 4차 비선형성에 의해 나온 항은 완전히 소거되나, y₆및 y₁₀등과 같은 보다 높은 차수의 비선형성에 의해 나은 2차 산물은 여전히 잔존한다. 이러한 보다 높은 차수의 계수는 매우 작기 때문에, 주파수 w_r근처의 신호에 대한 응답은 상술한 바와 같이 단일 평형 혼합기를 사용하므로써 크게 줄일 수 있다.

예를들면, 특수한 무전기 채널의 송신주파수는 835MHz이고, 수신주파수는 880MHz이다. 이러한 이중 무전기 채널에 대한 국부발진신호는 835MHz이고 중간 주파수는 45MHz이다. 835MHz의 국부발진신호 및 857.5MHz의 스퓨리어스 신호간의 4차항혼합산물 때문에 45MHz의 중간주파 신호에서 어떤 신호가 발생될 것이다. 그러나, 이 두 혼합기 콜렉터 전류의 위상차가 180°이기 때문에, 4차항 혼합적은 위에서 입증되었듯이 변압기(132)의 1차측에서 소거된다. 따라서, 1/2중간주파 스퓨리어스 신호는 본 발명의 평형 능동 혼합기 회로에 의해 크게 감쇄된다.

변압기(132)가 종래처럼 1차측 권선의 중앙탭이 접지되어 바이패스 된다면, 1차 권선의 중앙탭의 위치가 능동평형 능동 혼합기의 평행특성에 극히 크리티칼(critical)하기 때문에, 변압기(132)차측 권선상의 중압탭을 정밀하게 배치하지 못할경우 종래의 평형 혼합기의 스퓨리어스 신호 제거기능을 떨어뜨릴 것이다. 그러나, 1차 권선의 랩이 중간주파 신호전류에 대해 접지로 바이패스 되지 않으므로, 변압기(132)의 1차 권선위의 탭의 위치는 본 발명의 평형 능동 혼합기 회로에서 중요하지 않다.

제2도는 본 발명의 평형 능동 혼합기 회로의 다른 실시예를 도시한 것이다. 제1도의 소자에 대응하는 제2도의 소자는 동일한 참고번호로 표시하였다. 제2도의 평형 능동 혼합기 회로는 쵸우크(125)(126)와 출력 변압기(132)사이에 평형 파이(Π)회로망(129-131)을 삽입시키고 직류 바이어스회로망에 회로소자(135)(136)(137)를 부가시켰다는 점을 제외하고는 제1도의 능동 혼합기 회로와 본질적으로 동일하다. 파이 회로망은 트랜지스터와 다음의 중간주파단 사이의 임피던스 매칭과, 중간주파수를 중심으로 하는 필터작용을 제공한다. 중간 주파신호를 다음의 중간 주파단까지 접속시킨다는 것은 직류 전압원을 직류 바이어스 회로망에 접속시키는 기능을 한다.

직류전압 +V는 커패시터(135)양단에 나타나서, 쵸우크(136) 및 커패시터(137)를 경유해서 저항기(138)로 결합된다.

따라서 중간주파신호와 직류 전압 +V를 접속시키는데 단지 1개의 선이 필요하다.

중간주파단으로의 변압기 결합특징은 어떠한 단일 평등 능동 혼합기회로에도 유용하게 활용될 수 있다.

더우기, 본 발명의 평형 능동 혼합기 회로의 능동소자는 전계효과 트랜지스터나 또는 기타 어떠한 적절한 능동소자를 사용할 수 있다.

Claims

파장 세그먼트(102)(103)(104)(105) 및 1/2파장 세그먼트(106)를 링으로 접속하고, 상기 1/4 세그먼트(103)(104)의 접점과 고주파 신호입력 단자사이에 1/4파장 세그먼트(107)를 접속하며, 1/4파장 세그먼트(105) 및 1/2파장 세그먼트(106)간의 접점과 국부발진신호 입력단 사이에 세그먼트(108)를 접속하며, 상기 파장 세그먼트(102)(103)간의 접점 및 (104)(105)간의 접점과 혼합기(101)의 트랜지스터(120)(121)의 베이스간에 각기 매칭 세그먼트(109)(110)를 연결하여서된 스트립 전송선 링(100)과, 스트립 전송선 링(100)의 매칭 세그먼트(109)(110)에 각기 병렬 연결된 저항기(161), 커패시터(123) 및 저항기(122)커패시터(124)를 통해 공통 에미터 접지된 트랜지스터(120)(121)의 베이스를 접속시키고, 트랜지스터(120)의 콜렉터는 페라이트 쵸우크(125), 변압기(132)의 1차측(150), 페라이트 쵸우크(126)를 경유해서 트랜지스터(121)의 콜렉터에 접속하며, 직류 V+단자는 질류 바이어스 회로망(138-142)을 거쳐트랜지스터(120)(121)의 베이스에 연결함과 동시에 저항기(138), 커패시터(142), 인덕터(134), 저항기(133)를 경유해서 변압기(132)의 1차측(150)에 연결하며, 커패시터(127)(128)를 변압기 1차측(150)양단과 접지점 사이에 연결하여서된 능동단일 평형 회로망으로 구성된 단일 평형 능동혼합기회로.