Simulation eines Empfängereingangsteils - BAUSCH

Simulation eines Empfängereingangsteils
Hans Gall, BAUSCH-GALL GmbH, München
[email protected]
Zusammenfassung
Der Bericht behandelt die Simulation des Eingangsteils eines Kurzwellenempfängers.
Die Eigenschaften der Schaltung sollen vor dem Versuchsaufbau untersucht werden und es
soll festgestellt werden, ob der Simulator WinSpice für die Berechnung einer solchen Hochfrequenzschaltung geeignet ist. Ein besondere Anforderung für den Simulator ergibt sich
daraus, daß die Eingangsspannung am HF-Eingang des Mischers nur etwa 50 nV beträgt,
am Oszillator-Eingang aber 2.2 V anliegen. Es muß also eine Dynamik von etwa 44·106 (=
2.2 V / 50 nV) im Zeitbereich numerisch richtig verarbeitet werden. Alle Simulationen und
Berechnungen für diesen Bericht werden mit kostenlos verfügbarer Software durchgeführt.
Schaltung
3
+
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38
B6
6
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Abbildung 1: Schaltung des Eingangsteils
'
Ausführliche Hinweise zur Schaltungstechnik solcher Eingangsteile findet man in [1], [2] und
[3]. Die Schaltung für eine Zwischenfrequenz von 9 MHz weist keine Besonderheiten auf. Nach
dem passiven Diodenmischer SRA-3H [4] folgt eine passive Weiche als breitbandiger Mischerabschluß (Diplexer) [5]. Ein gegengekoppelter Klasse-A-Verstärker mit Bipolartransistor nach
[2] verstärkt das 9 MHz-ZF-Signal nach dem Diplexer um etwa 23 dB. Um die drei Teilschaltungen des Eingangsteils einzeln messen zu können, sind die Buchsen BU1 bis BU7 vorgesehen.
Für den Betrieb des Eingangsteils im Empfänger werden die Buchsen BU3 mit BU4 und BU5
mit BU6 verbunden.
2
Simulation im Zeitbereich
Eine ausführliche Beschreibung der Eigenschaften von passiven Diodenmischern findet man in
[6]. Da es für den Mischer SRA-3H vom Hersteller kein SPICE-Modell gibt, wird das in [4]
angegebene Schaltbild des Mischers für SPICE nachgebildet. Da der LO-Pegel für den SRA3H mit +17 dBm (P = 50 mW) angegeben ist, werden je Diodenzweig zwei Dioden in Reihe
geschaltet. Da für die im SRA-3H eingebauten Dioden keine Angaben vorliegen, werden die
Modellparameter für die Schottky-Diode HSCH1001 (1N6263) [7] ersatzweise verwendet. Für
eine prinzipielle Simulation des Mischerverhaltens sollte dieses Diodenmodell ausreichen. Die
beiden Übertrager mit je drei Wicklungen werden für WinSpice als lineare, fest gekoppelte Induktivitäten modelliert. Eine Messung der Induktivität zwischen Anschluß 1 (RF) und Anschluß
2 (Case Gnd) des SRA-3H mit dem HAMEG-L/C-Meter HM 8018 ergab den Wert L = 121 μH.
Für optimales Großsignalverhalten müßte der SRA-3H mit einer steilflankigen Rechteckspannung am LO-Eingang versorgt werden. Da aber noch keine Angaben für die LO-Aufbereitung
vorliegen, wird zunächst für die Simulation eine Sinusspannung mit fLO = 16 MHz und einem
√
√
√
√
Scheitelwert ÛLO = 2·2· PLO · R = 2·2· 50 mW · 50Ω = 4.472 V verwendet. Die Werte
der Parasitärinduktivitäten Lpar1, LPar2 sind vom Layout abhängig und noch nicht bekannt.
Trotzdem werden diese beiden Induktivitäten eingesetzt, damit deren Einfluß nicht vergessen
wird. Das Simulationsschaltbild wurde mit dem Programm Microsim Schematics gezeichnet,
das die Dateien v7.cir und v7.net erzeugt, die von WinSpice gelesen werden.
U1 SRA-3H
1
RILO
D4a
2
50
VLO
+
L1
-
121uH
L2
K
D4b
3
D3b
121uH
45
L3
121uH
53
5
HSCH1001
6
37
L5
D1b
74
4
D2b
RIRF
+
121uH
-
0.7pF
CL8
LPar2
10nH
RDIPLa
100
L8
RL8
100
55k
C2b
7.82pF
C2a
56pF
L1T1
L2T1
42uH
42uH
13
10nF
RH
R1
470
15
56
LPar1
4nH
12
C1a
C1b
1.4k
1nF
1nF
Abbildung 2: Simulierte Schaltung
10nF
Q1
Q2N5109
R3
156nH
C6
14
C3
11
1MEG
RL7
19
+
-
17
R2
1k
21
L7
100
VUB
12V
T1 FT-50-43
10
4.9uH
22
RDIPLb
R5
18
10nF
VRF
121uH
7
C5
COUPLING=1
L1T1
L2T1
L6
D2a
K1
K_Linear
9
50
121uH
D1a
D3a
8
L4
C4
16
10nF
R4
5.6
20
RL
50
nV
tran1: * D:\rx\MISCHER\sp\mischer\v7.sch
v(8)
60.0
40.0
20.0
0.0
-20.0
-40.0
-60.0
-80.0
14.80
14.82
14.84
14.86
14.88
14.90
time
14.92
14.94
14.96
14.98
15.00
uS
Abbildung 3: Knoten 8: Spannung am RF-Eingang des Mischers
nV
v(6)
tran1: * D:\rx\MISCHER\sp\mischer\v7.sch
30.0
20.0
10.0
0.0
-10.0
-20.0
-30.0
14.80
14.85
14.90
time
14.95
15.00
uS
Abbildung 4: Knoten 6: Spannung am ZF-Ausgang des Mischers
nV
v(11)
tran1: * D:\rx\MISCHER\sp\mischer\v7.sch
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
-5.0
-10.0
-15.0
-20.0
14.80
14.85
14.90
time
14.95
15.00
uS
Abbildung 5: Knoten 11: Spannung nach dem Diplexer
nV
v(20)
tran1: * D:\rx\MISCHER\sp\mischer\v7.sch
300.0
200.0
100.0
0.0
-100.0
-200.0
-300.0
14.80
14.85
14.90
time
14.95
15.00
uS
Abbildung 6: Knoten 20: Spannung nach dem Verstärker an RL = 50 Ω
3
Zusammenfassung
Die Simulationsergebnisse zeigen, daß WinSpice zu Simulation einer solchen klassischen HFSchaltung gut geeignet ist. Die extrem hohe Dynamik der Knotenspannungen wird korrekt verarbeitet.
Im Vortrag beim ASIM-Workshop 2009 sollen die Baugruppe als Hardware und Meßergebnisse
gezeigt werden.
Folgende kostenlose Software wurde für diese Projekt verwendet:
SciLab 4.1, PSpice V8 Demo, WinSpice v1.06.00 (www.winspice.com), eps2pdf,
pdfTeX (MiKTeX 2.7).
Folgende weitere Simulationen wären sinnvoll:
LO-Rechteckspannung mit hoher Flankensteilheit, IM-Simulation, Blocking-Simulation.
Ein ausführlicher Bericht und alle Dateien zu diesem Projekt werden nach dem ASIM-Workshop
2009 bei www.Bausch-Gall.de/simrxet1.zip bereitgestellt.
Literatur
[1] Michael Martin, DJ7VY: Empfängereingangsteil mit großem Dynamikbereich
und sehr geringen Intermodulationsverzerrungen, Clubzeitschrift des Deutschen
Amateur-Radio-Club (DARC) e.V., cq DL Heft 6/1975, S. 326 - 336, web:
www.darc-c12.de/system/files/CQDL 1975 06 DJ7VY.pdf
[2] Dana G. Reed, W1LC (Ed.): The ARRL Handbook for Radio Communications (2005),
Eighty-Second Edition, ISBN 0-87259-929-9, S. 11.16 - 11.24. web: www.arrl.org
[3] John B. Stephensen, KD6OZH: Reducing IMD in High-Level Mixers, QEX, May/June
2001, S. 45 - 50, web: www.arrl.org/qex/
[4] Mini-Circuits: Plug-In Frequency Mixer SRA-3H+, REV. A, M98898, SRA-3H,
DJ/TD/CP/AM, 061211, web: www.minicircuits.com/pdfs/SRA-3H+.pdf
[5] Joachim Kestler, DK1OF: ANPASS-SCHALTUNGEN FÜR DIODENRINGMISCHER, UKW-Berichte, Heft 4/1975, S. 218 - 223, web:
www.darc-c12.de/system/files/UKW-Ber 1975 4 DK1OF.pdf
[6] Shanker Joshi, Chief Engineer, Synergy Microwave: Taking the Mystery Out
of Diode Double-Balanced Mixers, QST, December 1993, S. 32 - 36, web:
www.darc-c12.de/system/files/QST 1993 12 Joshi.pdf
[7] HEWLETT PACKARD: Microwave Semiconductor Diode and Transistor Designer’s
Catalog, 1984-85, S. 141 - 145