Christian Couderc

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Étude d’un mixer commercial radiofréquences

SYM-4350

Introduction
Mesures de ROS
Mesures d'isolation
Mesures de mélanges
Mauvais choix de fréquences
Hors spécifications
Utilisation en bande amateur
Conclusion
Liens

Maj : 10/03/10

Abstract :
Evaluation of a small industrial mixer, in the specified conditions of the datasheet and in enlarged ranges.

Résumé :
Évaluation d'un petit mélangeur industriel, dans les conditions spécifiées par de la datasheet et dans des gammes élargies.

Introduction

Cette page décrit l’étude d’un mélangeur (mixer) commercial radiofréquences, faible coût, de chez Minicircuits.
Le datasheet incomplet de ce SYM-4350 est disponible sur le site de François F1CHF : f1chf.free.fr/PDF/sym-4350.pdf

Pour faire très simple, sans rentrer dans les détails, un mixer basique est constitué par deux transformateurs quasi identiques.

Le primaire du premier transformateur, RF (Radio Frequency), reçoit le signal à convertir d'un niveau quelconque (dans la limite des spécifications).
Le primaire du deuxième transformateur, LO (Local oscillator), reçoit le puissant signal (dans la limite des spécifications) du "pilote", c'est à dire la référence qui sera ajoutée/ retranchée au signal d'entrée RF.

Les secondaires des deux transformateurs sont reliés à un pont de diodes Schottky très rapides, le signal de sortie IF (Intermediate Frequency) étant récupéré entre les points milieux.
C'est ce signal qui contient tous les produits de mélange des deux entrées.

Les bobines de RF et LO sont généralement de constructions presque identiques et sont permutables à quelques écarts près sur la sortie IF.

Pour des applications particulières à très faibles niveaux, mais non garanties par la datasheet, il est parfois intéressant de permuter RF et IF sous réserve de tests spécifiques préalables (voir le dernier chapitre mixer).

mixer
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Le principe de base est d’injecter deux signaux, l’un très fort LO (7 dBm) pour faire travailler les diodes dans leur zone linéaire, et un faible RF (de 0 à -100 dBm).
La sortie IF donnera les produits de ce mélange :
Les raies utiles, au niveau du RF à la perte près (de l’ordre de 5 dB dans la meilleure plage, beaucoup plus en s’éloignant)
Raie supradyne= LO + RF et la raie infradyne = valeur absolue (LO - RF).
Suivant les choix des fréquences, des raies « parasites » indésirables vont s’ajouter, nous en verrons divers exemples plus loin. Cela ne doit rien au hasard, chacune des raies se calcule.

Voici un exemple d'utilisation d'un mixer, décrit dans cette page : Générateur de tracking
Les ROS d’entrée de ces matériels sont très mauvais, c’est pour cela qu’il est préférable d’intercaler des circulateurs afin de rattraper les impédances inadaptées à des sorties traditionnelles en 50 Ohms.

Exemple d'utilisation d'un mixer

Mesures de ROS

Sur la large plage 0 à 10 GHz

Cette mesure est faite à l'analyseur de réseau sur l'entrée RF à 10 dBm et LO = 0 (chargé sur 50 ohms).

L'affichage est de 5 dB/carreau de 0 à 10 GHz

La courbe verte est celle du réfléchi S21 : Nous voyons un ROS affreux !

5 dB de retour vers 1 GHz
12 dB de retour vers 2 GHz
18 dB de retour vers 4 GHz, c'est la meilleure plage

La courbe bleue est celle du direct S11. Comme LO est nul, c'est la courbe d'isolation.
Nous trouvons -25 dBm vers 1 GHz, ce que nous vérifierons par une approche différente au chapitre suivant.

L'isolation est partout correcte, particulièrement bonne entre 2.5 et 5 GHz.
La meilleure plage pour le RF est donc de 3 à 3.5 GHz, mais nous le pousserons bien au-delà.
Il faut faire la même mesure sur RF et IF pour déterminer chaque plage optimale, mais en fonction de l’application désirée, il faudra se contenter du ROS existant.

Mesures d'isolation

La majorité des mesures suivantes est faite sur la sortie normale IF au niveau nominal RF de 0 dBm avec LO de +7 dBm : Wiltron 68147A + 561 (scalaire page 3)

Isolation LO

Pour cette mesure :

LO = 1 GHz 7 dBm (spécification)

RF = 0 (pas de signal = seule exception au niveau nominal)

Le marqueur est sur la fuite du LO à -34 dBm

L'isolation du LO est donc de 41 dB ce qui est excellent
La spécification est de 30 dB min, 11 dB de mieux

Notons les harmoniques parasites :
Harmonique 2 à - 21 dBm soit à -31 dB de la porteuse
Harmonique 3 et suivants, -38 dBm et mieux

Mais il n'est spécifié qu'en IF > 500 MHz, donc ce n'est pas considéré gênant.

Isolation RF

Pour cette mesure :

LO = 0 (pas de signal)
RF = 1.1 GHz 0 dBm

Le marqueur est sur la fuite du RF à -40.5 dBm

L'isolation du RF est donc de -40.5 dB ce qui est excellent
(non spécifié)

Notons les faibles harmoniques parasites non gênants :
Harmonique 2 à - 32 dBm
Harmonique 3 et suivants, -43 dBm et mieux

Les isolations sont donc satisfaisantes

Mesures de mélanges

Mélange à large bande (10 GHz)

Pour cette mesure :

LO = 1 GHz 7 dBm
RF = 1.1 GHz 0 dBm

La mesure est faite du continu à 10 GHz (max hold)

Nous voyons une multitude de raies indésirables, multiples de la différence de deux signaux d'entrée de 100 kHz.

Ce spectre est destiné à montrer que le mélange produit des raies de mélange bien au-delà de la plage d’usage spécifiée par le constructeur (0-500 MHz)
Il faudra filtrer la raie désirée car elle est encadrée par deux autres à +/- (LO-IF).
Si l’écart des deux porteuses est faible ce sera difficile.

Idem dans la bande préconisée par le constructeur

Conditions identiques, du continu à 500 MHz

LO = 1 GHz 7 dBm
RF = 1.1 GHz 0 dBm

Le marqueur est sur la raie utile à RF-LO = 100 MHz à -5 dBm

Remarquez les très petites raies parasites harmoniques, produites par les inévitables intermodulations.
Par exemple 1.1 GHz – 1 GHz > 100 MHz
Mais cette raie à 100 MHz va se mélanger avec le 1 GHz, donnant aussi du 900 MHz
Cette raie 900 MHz se mélange aussi avec le 1.1 GHz donnant du 200 MHz, etc.…

Raie 200 MHz à -40 dB , raie 300 MHz -35 dB de la raie utile. Pas d'harmonique 4.

Il faudra bien choisir le jeu de fréquences pour ne pas avoir de surprises.

LO = 1 GHz 7 dBm
RF = 1.2 GHz 0 dBm

Le marqueur est sur la raie utile à RF-LO = 200 MHz à -5 dBm

La raie utile (dans la bande spécifiée par le constructeur) est la différence en valeur absolue entre LO et IF

Harmonique 2, 33 dB en dessous.

Le résultat est le même pour LO > IF ou bien LO < IF, à une symétrie près, qu’il ne faudra pas oublier en cas de modulation.

Nous verrons plus tard la relation entre la valeur de la sortie RF en fonction de l'entrée LO pour divers IF.

Attention à la dispersion importante dans ces produits « low cost »
D’un échantillon à l’autre, les différences de niveaux sont notables, si vous avez un montage critique, triez le meilleur pour le couple de fréquences cherché.

LO = 1 GHz 7 dBm
RF = 1.3 GHz 0 dBm

Le marqueur est sur la raie utile à RF-LO = 300 MHz à -5 dBm

Mesure de linéarité en niveau
(LO = 1 GHz 7 dBm et RF 1.4 GHz niveau variable)

Nous sommes en plein dans la bande spécifiée

RF = 0 dBm > IF = -5.33 dBm, perte de conversion 5.33 dB

Cette perte teste remarquablement constante en baissant le niveau jusqu'aux limites de la mesure vers -100 dBm

En augmentant le niveau au delà de 0 dBm, rien ne va plus, saturation !

Pour :
RF = 5 dBm > IF = -1 dBm, perte de conversion 6 dB
RF = 10 dBm > IF = 1 dBm, perte de conversion 9 dB
Le niveau ne bouge plus pour des valeurs supérieures

Il ne sera donc utilisable qu'à moins de 0 dBm, avec une perte seulement de 5.33 dB

Vérification de la linéarité en fréquence

Nous avons vérifié expérimentalement (voir quelques exemples au-dessus) que nous obtenions une raie propre en mélangeant un LO 1 GHz avec un RF croissant de 1.050 GHz à 2 GHz, sans aucune raie parasite gênante dans la sortie IF infradyne (de 50 KHz à 1 GHz)

Pour s'assurer de la réponse en fréquence, nouvelle mesure en modulant en fréquence le LO entre 1050 et 2450 GHz (fréquences choisies pour éviter les multiples indésirables comme au chapitre suivant.jus qu'à 1 GHz, ensuite décroissance lente.

Attention cet affichage est à 2 dBm par carreau (du continu à 2 GHz) !

Nous voyons une régularité parfaite de la réponse en fréquence :
Jusqu'à 1 GHz, -5 dB environ de perte de conversion.
Après 1 GHz décroissance régulière de 8 dB par GHz.

Les petites ondulations viennent de l'adaptation médiocre (voir premier chapitre)

Le pic à 1 GHz complexe, fuite d'isolation du LO qui s'ajoute au battement GR 2 GHz, qui se remélange avec le 1 GHz ( 2 GHz = mauvais choix !)...

Exemple de mauvais choix de fréquences

Avec un mélangeur, il faut soigneusement choisir ses fréquences.
Si par exemple, une fréquence est proche de l’harmonique d’une autre, des raies parasites seront trop proches de la raie utile que l’on ne pourra pas isoler.
Voici un exemple de très mauvais choix, 1 GHz et 0.49 GHz dont l’harmonique 2 est beaucoup trop proche à 20 kHz.

Mélange à large bande (5 GHz)

Pour cette mesure :

LO = 1 GHz 7 dBm
RF = 0.49 GHz 0 dBm

La mesure est faite du continu à 5 GHz (au-delà de la plage d’usage spécifiée par le constructeur 0-500 MHz)

Nous voyons des groupements de raies indésirables, autour des harmoniques de 0.49 et 1 GHz

Autour de LO-IF = 510 MHz recherché

Prenons le premier paquet de raies en détail

Plage 460 à 560 MHz (à peine au-delà de la plage d’usage spécifiée par le constructeur 0-500 MHz)

Nous voyons notre raie utile, 510 MHz à -35 dBm, et deux raies parasites, séparées de 20 MHz comme expliqué en début de ce chapitre, 490 MHz à -7 dBm (fuite RF) et la 530 MHz à -45 dBm, plus complexe.

C'est inexploitable, non pas à cause du mixer, qui fait bien son travail, mais du choix très inapproprié des fréquences, car il faudrait isoler ces deux raies perturbatrices !

Les niveaux de toutes les raies se calculent facilement, mais le développement mathématique ne sera pas fait ici pour garder la page légère.

Mesures hors spécifications

Mélange 500 MHz (LO 10 GHz et RF 10.5 GHz)

Pour cette mesure faite du continu à 20 GHz (volontairement complètement hors de la plage spécifiée de 0 à 2.5 GHz, mais IF dans la bande) :

LO = 10 GHz 7 dBm
RF = 10.5 GHz 0 dBm

La fuite LO de 10 GHz, -15 dBm. Isolation est de 22 dB.
La fuite RF de 10.5 GHz, -18 dBm. Isolation de 18 dB
Ces isolations sont excellentes aussi loin des spécifications.

La raie utile RF-LO = 0.5 GHz de -56 dBm. La perte de conversion de 56 dB semble énorme, mais comme nous sommes totalement hors spécification, c'est correct et exploitable. Le spectre est très propre.

Remarquez la raie parasite à 5 GHz.

Mélange 321.4 MHz (LO 3.6 et RF 3.9214 GHz)

Cette application est destinée à réaliser un tracking sur analyseur de spectre, décrit dans cette page : Générateur de tracking

Pour cette mesure faite du continu à 10 GHz (volontairement complètement hors de la plage spécifiée de 0 à 2.5 GHz, mais IF dans la bande) :

LO = 3.6 GHz 7 dBm
RF = 3.9214 GHz 0 dBm

Nous retrouvons les blocs de raies autour des signaux d'entrée et leurs mélanges avec les raies basses ainsi que leurs harmoniques.

Aucune de ces raies parasites ne nous intéresse pas pour l'application, la seule que nous voulons exploiter est RF-LO = 321.4 MHz

Elle est parfaitement exploitable à -21.5 dBm
Les harmoniques 2 et 3 , à mieux que 32 dB au-dessous, ne sont absolument pas génants. Il n'y a aucune raie parasite proche.

Application très particulière pour un tracking

Un des besoins est de créer une raie à 3.9214 GHz en mélangeant un pilote 3.6 GHz et une raie à 321.4 MHz.

Premier essai :
LO = 321.4 MHz 7 dBm
RF = 3.6 GHz 0 dBm

Résultat épouvantable, la raie utile à 3.9214 GHz à -17.5 dBm est faible et beaucoup trop encadrée de parasites !

Deuxième essai en inversant les signaux :
LO = 3.6 GHz 7 dBm
RF = 321.4 MHz 0 dBm

Le spectre est un peu plus propre, la raie utile monte à -3.8 dBm, ce qui montre que les bobines ne sont pas vraiment symétriques.

Utilisation atypique du mixer : Inversion des fonctions

Traditionnellement le mélangeur est utilisé en injectant les deux signaux à mélanger sur les bobines simples RF et LOo et en récupérant le produit de mélange sur les secondaires reliés au pont de diodes.
Dans le cas d’une application hors spécifications, si l’essai classique s’avère déplorable comme ci-dessus, il faut utiliser une autre stratégie et tester ce que donne l’injection d’un des signaux sur les diodes en récupérant le mélange sur une bobine simple.

Il existe six possibilités pour combiner 3 éléments (factorielle 3 = 3*2*1 = 6) : 123, 132, 213, 231, 312, 321
Cela nous donne six possibilités de branchement du mélangeur, troutes fonctionnent plus ou moins bien, en donnant toutes des résultats différents !

123, combinaison normale de la spécification RF (0 dBm ) injecté sur l’entrée normale RF LO (7 dBm ) injecté sur l’entrée normale LO IF sortie du signal normale sur IF	132, inversion LO/IF RF (0 dBm ) injecté sur l’entrée normale RF LO (7 dBm ) injecté sur l’entrée IF IF sortie du signal sur LO	213, permutation RF/LO RF (0 dBm ) injecté sur l’entrée LO LO (7 dBm ) injecté sur l’entrée RF IF sortie du signal normale sur IF
231, permutation RF/LO/IF RF (0 dBm ) injecté sur l’entrée LO LO (7 dBm ) injecté sur l’entrée IF IF sortie du signal sur RF	312, permutation RF/LO/IF RF (0 dBm ) injecté sur l’entrée IF LO (7 dBm ) injecté sur l’entrée RF IF sortie du signal sur LO	321, permutation RF/LO/IF RF (0 dBm ) injecté sur l’entrée IF LO (7 dBm ) injecté sur l’entrée normale LO IF sortie du signal sur RF

Meilleur cas particulier ici (le cinquième de la liste)

Attention, cette configuration n'a rien de magique !
Elle s’avère la meilleure pour ce mixer particulier et seulement pour ce couple de fréquences exotiques (hors de la spécification).
Attention cette configuration ne vaut absolument rien si une des porteuses est modulée en fréquence, le résultat pourrait être inattendu…
Pour un cas normal, c’est toujours le montage normal qui donnera les meilleurs résultats.

Dans ce cas :

RF (0 dBm 321.4 MHz) injecté sur l’entrée IF
LO (7 dBm 3.6 GHz ) injecté sur l’entrée RF
IF sortie du signal sur LO ( -17.5 dBm 3.9214 GHz ). Ce n'est pas plus fort qu'en combinaison basique, mais le spectre devient très propre.

C'est le résultat recherché, par rapport au spectre nominal, cette combinaison est excellente !

Explications des diverses raies de ce spectre

La première, à 321.4 MHz est la fuite RF à -10 dBm, c’est beaucoup mais nous entrons sur la sortie !
Les deux petites suivantes sont ses deux harmoniques à -50 dBm.
Les deux paires de trois petites raies sont les mélanges des trois raies basses et des trois fréquences autour de 3.6 GHz. Chaque raie est séparée de sa voisine de 321.4 MHz.
La raie 3.6 GHz à -26 dBm est la fuite LO. La raie inférieure est son produit de mélange avec la 3.9214 GHz de sortie.

Utilisation en bande amateur

Noua allons utiliser ce mixer en bande amateur, par exemple pour faite de la télévision

Nous partons d'un Comtech réglé sur 1.1 GHz. Ce n’est pas le meilleur matériel, et de loin, mais c'est un bon rapport qualité prix, très répandu. Tout autre émetteur ferait l’affaire, en phonie ou vidéo analogique ou numérique. Cela est identique en émission ou réception.

Nous allons explorer les bandes 2.4, 5.7 et 10 GHz, par une simple translation de fréquence en utilisant ce petit mélangeur.
Le mélange sera supradyne (LO+RF pour ne pas inverser la bande). La fréquence peut varier au choix en bougeant légèrement le pilote 1.1 GHz ou la référence, c’est indifférent sur le résultat en sortie.

Premier cas : Bande 2.4 GHz avec une référence LO = 1.3 GHz (ce spectre >)

La raie utile en 2.4 est à -7 dBm, très proprec à -7 dBm

Nous constatons, comme expliqué au-dessus qu'elle est plus faible que la raie infradyne à 200 MHz
Les images à 200 MHz sont issues des battements avec la raie infradyne 1.3-1.1 = .2 GHz, ce qui donne 2.4+0.6 = 2.6 et 2.4 -0.2 = 2.2 GHz.
de plus, la raie 2.2 s'ajoute à l'harmonique 2 de la fuite RF
et la raie 2.6 s'ajoute à l'harmonique 2 de la fuite LO

Deuxième cas : Bande 5.7 GHz (pas de spectre, il est semblable au précédent)

La référence LO est à 4.6 GHz

La raie utile supradyne est à 1.1 + 1.6 = 5.7 GHz, niveau -18 dBm

Nous avons vu pourquoi sur la réponse en fréquence

Troisième cas : Bande 10 GHz (ce spectre >)

La raie utile supradyne est à 1.1 + 1.6 = 5.7 GHz, niveau -30 dBm, avec les valeurs habituelles

On peut toutefois faire mieux, simplement en trichant sur les niveaux, les raies parasites qui seront induites sont hors bande.
En poussant le LO de 7 à 11 dBm et le RF de 0 à 10 dBm, la sortie monte à -18.5 dBm (On ne gagne rien en poussant plus).
Ce gain de 11.5 dB est très intéressant !

On peut encore faire mieux en permutant les fonctions (voir les 6 cas expliqués au-dessus) et en trafiquant les niveaux dans cette zone ignorée de la datasheeyt.

À vous d'explorer !

Conclusion

Les mesures montrent que ce petit mélangeur SYM-4350 est opérationnel bien au delà de la spécification restrictive de la datasheet.
En choisissant astucieusement les fréquences et en maintenant un LO à 7 dBm, il sera très utilisable pour de nombreuses applications amateur, mais si la IF est trop élevée, il faudra accepter une atténuation plus forte.
Nous voyons que ce mixer ne supporte qu’une RF inférieure à 0 dBm. Il fonctionne très bien jusqu’aux niveaux les plus faibles.

Il y avait un défaut dans l’ensemble de mes premières mesures. Pour garder la cohérence, j’avais voulu maintenir tout le long une RF de 10 dBm. Les résultats ont montré que c’était un mauvais choix. J'ai repris les mesures avec 0 dBm pour rester dans la zone linéaire. La RF doit être très inférieure au LO.

En demandant poliment à monsieur Google, vous trouverez des pages décrivant la complexe théorie des mélangeurs.
Les pages des constructeurs contiennent des notes d’applications très instructives, les mélangeurs sont bien plus complexes que cette page édulcorée ne le laisserait croire.

Liens