تستطيع (FETs) توفير مكون أساسي ممتاز لتصميم وبناء خلاطات (RF) حيث لا يمكن استخدام (FETs) أحادية البوابة فقط كخلاطات (RF)، ولكن تستخدم أيضاً خلاطات (FET) ذات البوابة المزدوجة على نطاق واسع ويمكن أن تقدم دائرة بسيطة مع توفير أداء جيد، واعتماداً على نوع خلاط (FET) المستخدم حيث يمكن لهذه الدوائر أن تقدم كسباً وأداءاً محسّنًا للضوضاء ومستويات إشارة زائفة أقل.
أنواع خلاط FET RF:
هناك فئتان عريضتان لخلاطات (FET RF) حيث يتم التمييز وفقاً لطريقة عمل الخلاط، بينما يمكن شراء أنواع أخرى من الخلاطات، خاصةً خلاطات الصمام الثنائي ككتل مكونة ونادراً ما يتم الحصول على خلاطات (FET) في هذا الشكل ويتم بناؤها عموماً داخل الدائرة الشاملة التي يتم تصميمها.
1. خلاط FET السلبي – Passive FET mixer:
في هذا الشكل من خلاط الترددات اللاسلكية، يتم استخدام (FET) كمفتاح محض ويعمل بطريقة مشابهة لخلاط الصمام الثنائي، وفي هذا الوضع لن يوفر الخلاط أي ربح، وعند استخدامه في الوضع الخامل حيث يعمل خلاط (FET) بشكل فعال على مفتاح، وفي هذا الدور تتصرف مقاومة مصدر التصريف كمقاوم متغير للجهد حيث يتم ضبط مقاومة القناة بواسطة جهد مصدر البوابة.
عند استخدامه كمفتاح يكون (FET) متحيزاً مع الصرف والمصدر عند صفر فولت تيار مستمر، كما يتم بعد ذلك تحيز البوابة بين (0 فولت وقرص) وعند تعيينه عند نقطة المنتصف فيسمح للمذبذب المحلي بالعمل كإشارة تبديل وتشغيل عنصر خلاط (FET) وإيقافه، حيث يعد اختيار قيمة المقاوم للبوابة أمراً مهماً، حيث عند الترددات المنخفضة تتمتع (FETs) بمقاومة عالية حيث أنّ المستوى الصغير من السعة له تأثير ضئيل نسبياً وتهيمن مقاومة التيار المستمر العالية جداً للبوابة، أمّا عند الترددات العالية يكون لسعة البوابة تأثير متزايد، كما يمكن استخدام مقاومة بوابة تتراوح من (200 إلى 300 أوم) بشكل نموذجي.
2. خلاط FET النشط – Active FET RF Mixer:
في هذا الشكل من خلاط (FET) حيث يتم تشغيل الدائرة كخلاط ناقل حركة، وفي هذا الوضع يمكن أن يوفر خلاط (FET RF) بعض المكاسب، خلاطات (FET RF) النشطة هي ما تُعرف باسم خلاطات التحويل، وفي هذا النوع من الخلاط يتم استخدام المذبذب المحلي وإشارة (LO) لتغيير الموصلية التحويلية لـ (FET) حيث تتمتع خلاطات (FET RF) هذه بميزة أنّها يمكن أن توفر مكاسب ولديها مستويات أقل من الضوضاء عند مقارنتها بالتصميمات السلبية.
هناك عدد من طبولوجيا الدوائر التي يمكن استخدامها لخلاطات (FET)، وأبسط دارة خلاط (FET) هي تطبيق كلا الإشارتين على بوابة الجهاز، ومع ذلك في هذا الإدراك لخلاط (FET) يلزم وجود طريقة لتوفير مُحول ثنائي عند الإدخال لعزل مصادر (LO وRF) عن بعضها البعض.
آلية عمل خلاط FET RF:
في دارة خلاط ناقل الحركة القائم على (FET) يزيل المرشح الموجود عند النواتج إشارات دخل (LO وRF) حيث يضمن ذلك عدم نقل قيمة جهد مصدر التصريف (Vds) بشكل كبير من نقطة انحياز التيار المستمر نتيجة لإشارة المذبذب المحلي، وهذا يزيد من كسب التحويل أمّا في الممارسة العملية ستعطي الدائرة المضبوطة المتوازية المضبوطة على تردد النواتج دائرة قصر فعالة.
يمكن تحقيق دارة فائقة باستخدام اثنين من (FETs) مع قنواتهما في سلسلة حيث يمكن بعد ذلك استخدام البوابتين أحدهما لإشارة المذبذب المحلي والآخر لمدخل التردد اللاسلكي، كما يوفر هذا عزلاً بين إشارتي الدخل، والطريقة المثالية لتحقيق هذه الدائرة هي استخدام بوابة مزدوجة (FET مثل MOSFET) ذات البوابة المزدوجة.
دائرة خلاط (MOSFET) ذات البوابة المزدوجة الموضحة أعلاه هي نموذجية للتنسيق المستخدم على نطاق واسع في العديد من المعدات المحلية والمهنية، ومن الممكن استخدام (FETs) منخفض الضوضاء للغاية لتمكين تحقيق مستويات عالية جداً من الأداء.
مزايا وعيوب خلاط FET RF:
تتمثل ميزة خلاطات (FET) النشطة في أنّها توفر ربح تحويل بدلاً من خسارة تحويل، أمّا العيب هو أنّ خطيتها ليست عالية مثل تلك الخاصة بدائرة الخلط المنفعلة أو التبديل وهذا يؤدي إلى مستويات أعلى من التشكيل البيني وإشارات زائفة أخرى.
ترانزستورات التأثير الميداني قادرة على توفير أداء ممتاز في العديد من دوائر الخلاط، وعند استخدامها في الوضعين النشط أو الخامل يمكنها تقديم وصف جيد لأنفسهم، وغالباً ما يتم استخدامها في الدوائر حيث يمكن تحقيق مستويات عالية من الأداء، وعلى الرغم من أنّه في الدوائر لم يتم إثبات استخدامها في دوائر خلاط مزدوجة متوازنة حيث يكون المذبذب المحلي ومدخل التردد اللاسلكي متوازنين، كما يمكن استخدامها في هذا الوضع عند استخدام (FETs) كمفاتيح في ما يسمى الوضع السلبي من تشغيل خلاط الترددات اللاسلكية.
خلاط مزدوج متوازن – Double Balanced Mixer:
الخلاطات المزدوجة المتوازنة قادرة على توفير مستويات عالية جداً من الأداء في تطبيقات الترددات اللاسلكية أو تطبيقات خلط التردد، حيث يعني عمل الخلاط المزدوج المتوازن أنّ إشارات التردد الراديوي (RF) وإشارات التذبذب المحلية متوازنة وأنّ مستواها ينخفض بشكل كبير عند النواتج من خلال وجود دوائر تفاضلية على مدخلاتها، كما يقلل من الحاجة إلى إزالة إشارات التردد الراديوي غير المرغوب فيها وإشارات التذبذب المحلية عند النواتج ويقلل من تأثير إشارات الإدخال التي تسبب تشوه التشكيل البيني.
الحاجة لخلاطات متوازنة:
العديد من أشكال الخلاط غير متوازنة ونتيجة لذلك تسمح بمستويات كبيرة من المذبذب المحلي وإشارات التردد اللاسلكي، وعادةً ما تكون غير مرغوب فيها وعادةً ما يجب إزالتها عن طريق التصفية التي غالباً ما تكون غير مريحة ومكلفة، والحل هو موازنة الخلاط لإزالة إشارات الإدخال حيث هناك نوعان من خلاطات (RF) متوازنة:
- خلاط واحد متوازن: غالباً ما يُطلق عليه مجرد خلاط متوازن، فإنّ هذا النوع من الخلاط سوف يقمع إمّا إشارة (LO أو RF) ولكن ليس كلاهما.
- الخلاط المزدوج المتوازن: على عكس الخلاط الفردي المتوازن، فإنّ الخلاط المتوازن المزدوج يمنع كلا من إشارات الدخل.
مزايا الخلاط المزدوج المتوازن:
بينما تقدم الخلاطات الفردية المتوازنة العديد من المزايا مقارنة بالتصميمات الأبسط، حيث يتم استخدام الخلاط المزدوج المتوازن على نطاق واسع، ومع ذلك هناك عدد من المزايا والعيوب على خلاط واحد متوازن يجب مراعاتها:
- زيادة الخطية.
- قمع أفضل للمنتجات الزائفة حيث يتم منع جميع المنتجات ذات الطلبات المتساوية لمدخلات (LO وRF).
- العزلة بين جميع المنافذ.
عيوب الخلاط المزدوج المتوازن:
- غالباً ما يكون مستوى محرك الأقراص (LO) الأعلى مطلوباً.
- مطلوب على الأقل اثنين من البالات داخل التصميم، وهذه إضافة التكلفة والتعقيد.
منافذ RF خلاط التردد:
مثل جميع خلاطات (RF) تحتوي الخلاطات المتوازنة المزدوجة على نفس المنافذ أو التوصيلات الثلاثة.
- مدخلات الترددات اللاسلكية: هذا المنفذ الموجود على الخلاط متصل بالإشارة الواردة التي سيتم تحويل ترددها.
- المذبذب المحلي أو إدخال (LO): يأخذ هذا المنفذ إشارة المذبذب المحلية الداخلية المستخدمة لتحويل إشارة التردد اللاسلكي إلى التردد الجديد.
- ناتج (IF): يُشار عادةً إلى المنفذ الثالث للخلاط المزدوج المتوازن باسم (IF) أو ناتج التردد المتوسط، كما يجب أن تحتوي الإشارة الموجودة على ناتج خلاط (RF) المثالي فقط على منتجات الخلاط أي مجموع ترددات الفرق وإشارات الإدخال.
أنواع الخلاط المزدوج المتوازن:
- الخلاط المزدوج المتوازن ذو القاعدة الهجينة: هذا النوع من الخلاط المزدوج المتوازن هو الخلاط المزدوج المتوازن للصور النمطية، حيث يستخدم مكونين إلكترونيين رئيسيين هما حلقة من أربعة صمامات ثنائية والتي تكون عادةً ثنائيات (Schottky وbaluns) على منفذين أو أكثر، وهذه الثنائيات هي التي تضيف التكلفة بشكل أساسي وتحد أيضاً من استجابة التردد لخلاط الترددات اللاسلكية.
- الخلاط المتوازن المزدوج النشط القائم على الهجين: هذا الشكل من الخلاط المزدوج المتوازن يستبدل الثنائيات بجهاز نشط للعمل كعناصر تبديل داخل الدائرة الحلقية، كما يتم استخدام (baluns) الهجين في كلتا دائرتي الإدخال، ولكن التنسيق هو نفسه مرة أخرى حيث تشمل المكونات الإلكترونية مكابس القطع باهظة الثمن بالإضافة إلى الأجهزة النشطة، فعلى سبيل المثال (FETs) التي تتمتع بأداء تحويل جيد.
- الخلاط النشط المتوازن المزدوج: باستخدام دوائر مكبر الصوت التفاضلي النشطة، فمن الممكن تحقيق التشغيل المتوازن لخلاط الترددات اللاسلكية حيث يتيح ذلك تصنيع دائرة الخلاط الكاملة على شريحة واحدة من أشباه الموصلات، كما تستخدم معظم خلاطات (RF) عالية الأداء بالإضافة إلى العديد من الخلاطات ذات الأداء المنخفة، وتكلفة الخلاطات المتوازنة المزدوجة النشطة عالية الأداء أقل بكثير من تلك التي تستخدم مكونات ملفوفة وتوفر نطاقاً ترددياً أوسع بكثير.
نظراً للأداء الأفضل للترددات اللاسلكية وانخفاض تكلفة الخلاطات المتوازنة المزدوجة النشطة التي لا تستخدم الهجينة يتم استخدام هذا النوع من الخلاطات في معظم تطبيقات تصميم دوائر التردد اللاسلكي هذه الأيام، حيث تتوفر الخلاطات في حزم تقنية مثبتة على السطح القياسية للعديد من التطبيقات ولأغراض أكثر دقة، كما تتوفر الدوائر المتكاملة الخاصة بالميكروويف المتجانسة و(MMIC) لخلاطات التردد اللاسلكي.
الجوانب العملية للخلاطات المزدوجة المتوازنة:
- استخدم مستوى محرك الأقراص الصحيح: لضمان التشغيل الصحيح للخلاط فمن الضروري التأكد من استخدام مستوى محرك الأقراص المحدد الصحيح، وبهذه الطريقة سيتم تبديل الثنائيات الموجودة في جهاز مزج التردد اللاسلكي بشكل صحيح.
- اختر الخلاط المناسب لتصميم الترددات اللاسلكية: يجب اختيار خلاط التردد اللاسلكي الخاص بحيث يكون مستوى المحرك مرتفعاً بدرجة كافية لتصميم التردد اللاسلكي المحدد، وعادةً يجب أن يكون محرك (LO) أعلى بمقدار (20 ديسيبل) على الأقل من أعلى إشارة (RF أو IF) متوقعة، كما سيضمن هذا النطاق الأمثل (IMD) والديناميكي.
- تأكد من مطابقة المنافذ بدقة: تعتبر الخلاطات المتوازنة المزدوجة ذات الصمام الثنائي حساسة لمقاومة الإنهاء، كما يجب إنهاؤها بالحمل المقاوم الصحيح أو بمقاومة المصدر وعادةً (50 أوم)، أمّا الناتج المقاوم عريض النطاق مهم بشكل خاص إذا كان لتحقيق أعلى نطاق ديناميكي، وعلى الرغم من أنّه يمكن استخدام هذا لمنفذ (LO)، إلّا أنّ هذا النهج لا يناسب عادةً منفذي (RF وIF) لأنّه قد يضعف عامل الضوضاء، وبدلاً من ذلك فإنّ المطابقة الدقيقة لمراحل مكبر الصوت التي تسبق الخلاط وتتبعه هي أحد الحلول.
- الاستفادة من (IF) من (balloon RF): من خلال النقر على ناتج (IF) من إدخال (RF) فمن الممكن تحقيق مستوى أعلى بكثير من رفض (LO) وعادةً (20 ديسيبل).
