Hochfrequente Mischung

Bei der Mischung in der HF-Technik werden zwei oder mehr Frequenzen addiert oder multipliziert um neue Frequenzen zu erzeugen. Dieser Prozess wird in Empfangs- und Sendesystemen verwendet um Signale von einer Frequenz auf eine andere zu verschieben. Ein Beispiel ist die Modulation, bei der ein niederfrequentes Signal mit einer hochfrequenten Trägerschwingung kombiniert wird.

Es gibt zwei Arten der Mischung: die additive und die multiplikative. Bei der additiven Mischung werden die Signale addiert, während sie bei der multiplikativen Mischung die Signale miteinander multipliziert werden.
In Funkempfangsanlagen erfolgt die Mischung oder auch Frequenzumsetzung, um das empfangene Signale auf eine niedrigere Zwischenfrequenz z zu wandeln, weil hier die Signalverarbeitung einfacher ist und verbessert werden kann.

Die HF-Mischung erfordert immer ein nicht lineares Bauelemente wie Dioden oder Transistoren, früher Röhren, um neue Frequenzen zu erhalten.

Die Art der Nichtlinearität ist entscheidend bei der Erzeugung der Mischprodukte und deren Amplitude und Phase. Als nicht lineares Elemente kommen heute Schottky- und Kapazitätsdioden zur Anwendung, wobei bei Schottky Dioden der nicht lineare Zusammenhang U/I bzw. I/U – je nachdem ob Spannungs- oder Stromsteuerung der Vorrang gegeben und zur Aussteuerung der nicht linearen Kennlinie verwendet wird.

Der Mischvorgang von zwei Frequenzen p+z und p führt zu Mischprodukten wie p-z und z und Vielfache davon, wobei die unerwünschten Vielfachen durch Filter oder Resonanzkreise, d.h. Ströme und Spannungen bei diesen Frequenzen unterdrückt, werden.

Bei p+z spricht man vom oberen Seitenband, bei p-z dem unteren mit p als Oszillator- oder auch Pumpfrequenz. Die Leistungsverteilung auf die verschiedenen Frequenzen kann durch die Manley-Rowe Gleichungen leicht übersehen werden.

Obwohl die HF-Mischung immer nicht linear ist, kann das Superposition Prinzip auf das Mischsignal angewendet werden. Das Eingangssignal p+z ist die Summe von Oszillator- und Zwischenfrequenz.

Durch die Mischung wird das Signal p+z auf z abgebildet und es entsteht immer das untere Seitenband p-z, das in der Phasen um 180 grad gegenüber dem Original gedreht ist, d.h. die hohen Frequenzen liegen am unteren Ende, die niederen am hohen Ende des Bandes – bekannt als USB bzw. OSB.
Diese Phasendrehung des unteren Seitenbandes und die Rückmischung auf die z Ebene führt immer zu einer Entdämpfung des z Kanals, die beim Schottky Mischer durch den hohen reellen, nichtlinearen Widerstand meistens nicht bemerkt wird, bei parametrischen Mischern zum Mischgewinn führt, wobei die Oszillatorleistung den Mischgewinn verursacht.

Der Mischgewinn ist das Verhältnis der verfügbaren Leistungen auf der p+z und der z – Ebene.

In vielen Anwendungen wird das Eingangssignal auf eine Zwischenfrequenz gemischt, die unterhalb der Ausgangsfrequenz liegt und damit einfacher zu verarbeiten ist. In manchen Anwendungen wird auch eine Aufwärtsmischung, verbunden mit einer Phasendrehung von 180 Grad bevorzugt, weil auch ein Signal auf der p-z Frequenz zu einem Mischprodukt auf der z Ebenen führt. Ein Mischer ist ein 4 Tor System mit den Frequenzen p+z, p-z, p und z, wobei die Oszillatorfrequenz der Energielieferant ist und einige Mühe bei der Berechnung macht.

Die Zwischenfrequenz z liegt immer symmetrisch zwischen Eingangs- und Spiegelfrequenz, d.h. p+z – 2 z = p-z, bzw. p-z + z = p usw.

Im Signalzweig werden dem Mischer meistens Filter und ZF-Verstärker nachgeschaltet, um unerwünschte Mischfrequenzen zu entfernen und das gewünschte Signal zu verstärken. Da Signale bei p+z und p-z durch den Mischvorgang auf die ZF- Ebenen nahezu gleichwertige Signale hervorrufen, wird die Spiegelfrequenz durch Resonanzkreise oder Vorverstärker möglichst unterdrückt.

Schottky Mischer mit einem reellen, nicht linearen Mischelement haben im ungekühlten Zustand einen Mischverlust von 6 dB, der identisch ist mit der auf die Normaltemperatur bezogenen Rauchzahl von ebenfalls 6 dB, unabhängig vom Anpassungszustand am Eingang des Vierpols.
Rausch- und Leistungsanpassungen sind nicht identisch, es sei denn, man verwendet besondere Schaltungstricks wie Bootstrap.

Da die Rauschzahl das Verhältnis von S/N – der Störabstand SNR – am Ausgang eines Vierpols zum S/N am Eingangstor ist, vergrößert sich die bei Normaltemperatur gemessene Rauchzahl, wenn der Innenwiderstand der Quelle gekühlt wird oder im Falle der Satelliten Technik die Schüssel in den freien Raum „sieht“, der bei etwa 50 Kelvin liegt.

Die Nachteile des Schottky Mischers können durch parametrische Mischer umgangen werden, weil hier Kapazitätsdioden mit hoher Grenzfrequenz im Sperrbereich betrieben werden und daher weniger rauschen.
Bei hohem Umsetzungsverhältnissen p+z / z liegt die Spiegelfrequenz nahe der Eingangsfrequenz p+z und führt bei Satelliten zu adaptiven Systemen mit konstanter Rauschzahl, unabhängig von der Stellung der Satelliten Schüssel mit dem Nachteil, das Signale bei der Spiegelfrequenz ebenfalls zu Signalen auf der ZF-Ebene führen und sich das Eingangsrauschen nahezu verdoppelt. Das führt zur Definition der Einseitenband- und Zweiseitenband Rauschzahl, was bei der Messung der Rauschgrößen beachtet werden muss.
Meisten wird eine höhere Frequenz in einer niedere verschoben, manchmal auch umgekehrt. Dann liegt das Oszillator Signal oberhalb der Nutzfrequenz im Abstand der ZF und hat bei Schottky Mischern einen verkleinerten Mischverlust zur Folge, was bei der Kettenschaltung rauchenden Vierpole von Vorteil ist, denn die Rauchzahl der Folgestufe nach der rauschenden Eingangsstufe wird mit dem Mischverlust vergrößert bzw. bei einem Mischgewinn verkleinert, wie beim parametrischen Mischer, wenn der Spiegel reell beschaltet wird, d.h. Ströme bei der Spiegelfrequenz zugelassen werden.

Wer mehr wissen will, sei auf meinen Beitrag über „Rauschmessungen“ und der „Parametrische Abwärtsmischer“ verwiesen. Dort kann man die exakte Berechnung rauschender Systeme studieren, was für das Verständnis des Rauschens im UKW- Bereich und höher unerlässlich ist.

Dr. Walter Schau, DL3LH