خلط الترددات اللاسلكية وخلاطات التردد - RF Mixing

تُعد خلاطات الترددات الراديوية أو خلاطات التردد وعملية خلط أو مضاعفة الترددات الراديوية مفتاحاً للعديد من دارات التردد الراديوي التي تتيح تحويل الإشارة من تردد إلى آخر بالإضافة إلى توفير مقارنة الطور، وواحدة من أكثر عمليات الترددات الراديوية فائدةً هي عملية الخلط، وعلى عكس خالط الصوت حيث يتم إضافة الإشارات معاً ببساطة حيث تتضاعف الإشارات معاً وتتولد إشارات بترددات جديدة.

ما هي خلاطات التردد – RF Mixing؟

خلاطات التردد (RF Mixing): هي دائرة كهربائية غير خطية يمكنها إنتاج ترددات جديدة من إشارتين مطبقتين، حيث يأخذ خلاط التردد في أنقى صوره إشارتين مطبقتين وينشئ إشارات جديدة تساوي الفرق ومجموع الترددات الأصلية، وعلاوة على ذلك من الممكن توليد مكونات تردد أخرى في خلاط تردد قياسي.

تُستخدم عملية الخلط (RF) أو غير الخطي في كل جهاز راديو تقريباً وأيضاً في العديد من الدوائر الأخرى بجانبها، حيث إنّه يتيح تغيير الإشارات من تردد إلى آخر بحيث يمكن إجراء معالجة الإشارة، فعلى سبيل المثال على تردد منخفض حيث يسهل تنفيذها، ولكن يمكن تغيير الإشارة من تردد أعلى حيث يتم إرسال الإشارة أو تلقى.

ماذا يحدث عندما تختلط الإشارات؟

لقد وجد أنّه إذا تم تمرير إشارتين عبر دائرة غير خطية، فإن إشارات إضافية تتشكل على ترددات جديدة حيث تظهر هذه بترددات مساوية لمجموع وفرق ترددات الإشارات الأصلية أي إذا دخلت الإشارات على ترددات (f1 وf2) إلى الخلاط، فسيتم رؤية إشارات إضافية بترددات (f1 + f2) و(f1-f2) عند النواتج، فمثلاً إذا كانت الإشارتان الأصليتان بترددات (1 ميجاهرتز و0.75 ميجاهرتز)، فستظهر الإشارتان الناتجتان عند (1.75 ميجاهرتز و0.25 ميجاهرتز).

لماذا يعمل خلط RF؟

لفهم المزيد حول عملية الخلط (RF) فمن الضروري النظر في كيفية حدوث عملية الخلط بالضبط، كما يتم ضرب الإشارتين معاً، وهذا يحدث نتيجة وجود عنصر غير خطي في الدائرة وقد يكون هذا الصمام الثنائي أو الأجهزة النشطة مثل الترانزستورات أو (FETs) المنحازة بشكل مناسب.

يمكن اعتبار الإشارتين كموجات جيبية حيث يعتمد مستوى الناتج اللحظي على المستوى اللحظي للإشارة (A) مضروباً في المستوى اللحظي للإشارة (B)، وإذا تم مضاعفة النقاط الموجودة على طول المنحنى، فإنّ شكل الموجة الناتج يكون أكثر تعقيداً حيث أنّ الترددات المستخدمة لتوليد للترددات (0.75 ميجاهرتز و1.0 ميجاهرتز) حيث يمكن ملاحظة أنّه يوجد في النواتج مكون منخفض التردد أي تردد الفرق عند 0.25 ميجاهرتز ومكون عالي التردد أي مجموع التردد عند 1.75 ميجاهرتز.

آلية عمل خلاطات التردد اللاسلكي:

• وظيفة النقل غير الخطي حيث يستخدم هذا الأسلوب العناصر اللاخطية للجهاز بشكل إبداعي بطريقة تخلق التضمين البيني التردد المطلوب والترددات غير المرغوب فيها.

• التبديل أو أخذ العينات وهي عملية متغيرة بمرور الوقت حيث يتم فيها تشغيل وإيقاف عناصر الخلاط بواسطة مذبذب محلي، كما تنشئ إشارات زائفة أقل وبالتالي توفر خطية أعلى لإشارات النواتج المطلوبة.

منافذ خلاط التردد RF:

• منفذ RF: هذا هو الإدخال المستخدم للإشارة المراد تغيير ترددها، وعادةً ما تكون الإشارة الواردة أو ما يعادلها وتكون عادةً عند مستوى منخفض نسبياً حيث يتم مقارنتها مع المدخلات الأخرى.

• منفذ LO: هذا لإشارة مذبذب محلي حيث يكون مستوى إدخال الإشارة لهذا المنفذ بشكل عام أكبر بكثير من مستوى إدخال التردد اللاسلكي.

• منفذ IF: هو منفذ النواتج للخلاط حيث إنّه المنفذ الذي تظهر فيه الإشارة المختلطة.

في تصميم نظام (RF) يتم تحويل الإشارة إلى نطاق حيث تكون الإشارات أقل في التردد من الإشارة الواردة، كما يمكن الإشارة إلى كتلة الدائرة على أنّها محول خفض أو عملية تحويل لأسفل حيث يحدث هذا في جهاز استقبال، وعلى الرغم من أنّه في بعض أجهزة الراديو يمكن تحويل الإشارات إلى أعلى في التردد قبل أن يتم تحويلها إلى أسفل مرة أخرى، وبالمثل عندما يتم تحويل الإشارات بتردد أعلى يمكن الإشارة إلى العملية بالتحويل الأعلى، كما يحدث هذا عادةً في جهاز الإرسال وبعض أنظمة التردد اللاسلكي الأخرى.

تكون إشارة المذبذب المحلية كبيرة جداً عادةً وقد تكون موجة جيبية مستمرة أو موجة مربعة، وغالباً ما تعمل إشارة المذبذب المحلية هذه كبوابة للخلاط حيث تقوم بتبديل الخلاط وفقاً للإشارة، كما يمكن اعتبار جهاز مزج التردد اللاسلكي قيد التشغيل عندما يقوم جهد (LO) بتشغيله وإيقافه عندما تقوم إشارة المذبذب المحلي بإيقاف تشغيله، كما يعمل بعد ذلك على الإشارة الواردة على منفذ التردد اللاسلكي لتمكين الإشارتين من المزج.

أنواع خلاط RF:

1. الخلاطات السلبية:

تستخدم الخلاطات السلبية عادةً مكونات سلبية في شكل صمامات ثنائية كعنصر تبديل داخل دائرة التردد اللاسلكي حيث لا يمكن أن تظهر أي مكاسب، ولكن العديد من الأشكال يمكن أن توفر مستويات ممتازة من الأداء، وتستخدم الخلاطات السلبية بشكل أساسي ثنائيات (Schottky) بسبب جهد التشغيل المنخفض، ولكنها تتطلب استخدام محول (balun / RF) إذا كان سيتم استخدامها في خلاط متوازن أو مزدوج وهذا يمكن أن يحد من استجابة التردد.

2. الخلاطات النشطة:

يحتوي على مكونات إلكترونية نشطة مثل الترانزستور ثنائي القطب أو (FET) أو حتى أنبوب مفرغ أو صمام حراري، وهذه الأنواع من خلاطات الترددات اللاسلكية قادرة على توفير الكسب بالإضافة إلى إثبات إمكانية الضرب أو خلاط التردد اللاسلكي، حيث يتم النظر في الخلاطات من خلال ما إذا كانت متوازنة أم لا، كما تتطلب موازنة هذه الموازين متوازنة مع المحولات غير المتوازنة ولكن هذا يوفر تحسينات في الأداء.

3. خلاط غير متوازن:

خالط (RF) غير متوازن: هو الذي يخلط فيه الخلاط ببساطة الإشارتين معاً ويتكون النواتج من إشارات المجموع والفرق بالإضافة إلى المستويات المهمة لإشارة التردد اللاسلكي الأصلية وإشارة المذبذب المحلي ولكن في حالات أخرى يمكن أن تساعد في إزالتها كجزء من عملية خلط التردد.

4. الخلاط الأحادي المتوازن:

خلاط متوازن لديه دائرة موازنة حيث تتكون الخلاطات أحادية التوازن عادةً من صمامين ثنائيين جنباً إلى جنب مع هجين يعمل بمثابة (balun)، وعلى الرغم من أنّه يمكن استخدام كلا النوعين الهجينين بزاوية (90 درجة و180 درجة) لتصميم خلاطات أحادية متوازنة، إلّا أنّ غالبية الخلاطات الفردية المتوازنة تشتمل على هجين (180 درجة).

يتم عزل منافذ الإدخال (180 درجة) الخاصة بالهجين بشكل متبادل وهذا يتيح عزل منفذ المذبذب المحلي عن منفذ التردد اللاسلكي ممّا يمنع إشارة (LO) من التأثير على دوائر إدخال التردد اللاسلكي وممّا يقلل من مستوى منتجات التضمين البيني، حيث يمكن تحقيق التشغيل المتوازن باستخدام ترانزستور متوازن أو تكوينات (FET)، كما يتم احتوائها داخل دوائر متكاملة حيث يمكن تحقيق مستويات عالية من الأداء.

5. الخلاط المزدوج المتوازن:

تستخدم الخلاطات التقليدية المزدوجة المتوازنة عادةً أربعة صمامات ثنائية (Schottky) في تكوين حلقة رباعية حيث يتم وضع (baluns) أو الهجينة في كل من منافذ (RF وLO)، بينما يتم إنتاج إشارة (IF) من (balun RF).

أثناء التشغيل يتمتع الخلاط المزدوج المتوازن بمستوى عالٍ من عزل (LO-RF) وعزل (LO-IF) ويوفر مستوى معقول من عزل (RF-IF)، كما يمكن أن يؤدي استخدام الخلاطات المزدوجة المتوازنة إلى تقليل مستوى منتجات التضمين البيني بنسبة تصل إلى (75%) مقارنة بخلاط (RF) غير المتوازن ذو الصمام الثنائي الواحد، ومثل الخلاط الفردي المتواز.

يمكن تكرار الخلاط المزدوج المتوازن باستخدام أوضاع تشغيل متوازنة داخل تصميمات دوائر الترانزستور أو (FET)، وعند احتوائها داخل الدوائر المتكاملة غالباً ما تستخدم هذه الدائرة تكوين خلاط مزدوج متوازن حيث يمكن دمج الدوائر الإضافية المطلوبة في (OC) لزيادة التكلفة.

6. خلاط ثلاثي متوازن:

لتحسين أداء الخلاط بشكل أكبر، من الممكن استخدام خلاط ثلاثي متوازن حيث يتم صنع الخلاط الثلاثي المتوازن بشكل فعال من خلاطين مزدوجين متوازنين ونتيجة لذلك يطلق عليه خلاط مزدوج التوازن، كما يستخدم العديد من المكونات الإلكترونية التي تحتوي على جسرين أو كواد ثنائية الصمام، بإجمالي ثمانية تقاطعات حيث يقوم مقسم الطاقة في بلونات الميكروويف (RF وLO) بتغذية هيكل الخلاط، وهذا يسمح بإقران كواد الصمام الثنائي.

يسمح ذلك بإتاحة إشارة (IF) في مطرافين منفصلين معزولين والتي تعرض عادةً نطاقات كبيرة جداً مقارنة بمعماريات الخلاط الأخرى حيث توفر العزلة المحسنة التي يوفرها الخلاط الثلاثي المتوازن مستويات أعلى بكثير من الإشارات الزائفة وقمع تشويه التضمين البيني، كما يجب تعويض التحسن في الأداء مقابل حقيقة الحاجة إلى مستويات أعلى من محرك (LO) ويؤدي التعقيد المتزايد وعدد المكونات الإلكترونية إلى زيادة التكلفة.

دوائر خلاط الترددات اللاسلكية:

• الخلاط ذو الصمام الثنائي الأحادي: هذا النوع من خلاطات الترددات اللاسلكية أو خالط التردد هو أبسط شكل متاح باستخدام عدد قليل جداً من المكونات الإلكترونية، فإنّ مستوى أدائها أقل بكثير من أداء بعض التصميمات الأكثر تطوراً باستخدام مكونات إلكترونية إضافية وغالباً ما تكون أكثر تكلفة.

• خلاط (RF) الترانزستور الأساسي.

• خلاط أساسي (FET) حيث أنّ (FET) هي مكونات إلكترونية مثالية لاستخدامها في الخلط، كما تتمتع هذه الأجهزة بقدرة تحويل جيدة وقدرة على استخدام بوابتين في حالة استخدام بوابة (MOSFET) مزدوجة البوابة وتوفر أداءً ممتازاً.

دوائر خلاطات FET:

• خلاط الصمام الأحادي المتوازن: يوفر خلاط الصمام الثنائي المتوازن عزل المذبذب المحلي عن أحد المنافذ الأخرى، كما إنّه مباشر ويعمل بشكل جيد وعلى الرغم من أنّه بسبب العزلة المحدودة بين المنافذ، فإنّه سيؤدي إلى مستويات أعلى من تشويه التضمين البيني.

• خلاط الصمام الثنائي المتوازن: يوفر خلاط الصمام الثنائي المتوازن عزلاً متزايداً أي عزل منفذي (LO-RF وLO-IF)، كما يتطلب اثنين (baluns) وأربعة صمامات ثنائية وعادةً ما تكون الثنائيات المستخدمة عبارة عن ثنائيات (Schottky) بسبب انخفاض جهدها، ونظراً لقدرات العزل المتزايدة تكون مستويات تشوه التضمين البيني أقل من تلك الموجودة في الخلاط الواحد المتوازن.

• خلاط خلية جيلبرت: غالبًا ما يستخدم خلاط جيلبرت الخلوي داخل الدوائر المتكاملة التي تُستخدم لمستقبل الراديو وتطبيقات تصميم الترددات الراديوية الأخرى، ونظراً لعدد المكونات الإلكترونية المطلوبة لا يتم رؤيتها في كثير من الأحيان حيث يتم إنشاؤها من مكونات إلكترونية منفصلة، كما يعمل خلاط (Gilbert cel) بشكل خاص حيث يكون قادراً على تقديم عملية مزدوجة متوازنة باستخدام المدخلات التفاضلية وما إلى ذلك من الترانزستور ذي الذيل الطويل أو دوائر (FET).

تطبيقات RF Mixer:

تستخدم خلاطات الترددات اللاسلكية أو خلاطات التردد في جميع مجالات تصميم وتطوير الترددات الراديوية حيث يتم استخدامها في الدوائر من مستقبلات الراديو وأجهزة الإرسال إلى أنظمة الرادار، وفي الواقع في أي مكان تستخدم فيه إشارات التردد اللاسلكي، كما يمكن استخدام هذه الخلاطات بعدة طرق مختلفة:

• ترجمة التردد: التطبيق الأكثر وضوحاً لخلاطات التردد اللاسلكي هو ترجمة التردد حيث تُستخدم هذه التقنية في العديد من المجالات وخاصةً في أجهزة الاستقبال والمرسلات لنقل تردد الإشارة من نطاق إلى آخر، وباستخدام حقيقة أن ترددي الإدخال يولدان ترددات الجمع والفرق، فمن الممكن تغيير إدخال الإشارة إلى تردد آخر عن طريق أخذ إشارة المجموع أو الفرق حبق كان أحد التطبيقات الرئيسية الأولى لهذا في مستقبل الراديو فائقة التغاير.

• مقارنة المرحلة: باستخدام الخلاط من الممكن اكتشاف فرق الطور بين إشارتين، كما يمكن استخدام تطبيق خلاط الترددات الراديوية هذا في العديد من المجالات، أحدها ضمن الحلقات المغلقة الطورية (PLL).

تُعد خلاطات الترددات اللاسلكية أو خلاطات التردد كما يطلق عليها واحدة من اللبنات الأساسية لتصميم دوائر التردد اللاسلكي حيث تُعد ترجمة التردد قدرة رئيسية، كما تُستخدم في مجموعة من التطبيقات المختلفة وهي عنصر أساسي في تكنولوجيا معدات الاتصالات اللاسلكية لكل من أجهزة الإرسال والاستقبال.

بالإضافة إلى ذلك يمكن استخدام الخلاطات ككاشفات طور للعديد من التطبيقات بما في ذلك العديد من المظهر المغلق الطوري وتصميمات التردد اللاسلكي، كما يًعد فهم تشغيل خلاط (RF) وأنواعه المختلفة واستخدامه أمراً ضرورياً لأي شخص يشارك في تصميم (RF) أو تطوير الأنظمة أو تشغيل أي معدات اتصالات لاسلكية أو (RF).