دیود مخلوط کننده (Mixer Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود مخلوط کننده (Mixer Diode) :
دیود مخلوط کننده (Mixer Diode) یک نوع دیود فرکانس بالا است که در مدارات میکسر (Mixer Circuits) برای تبدیل فرکانس (Frequency Conversion) استفاده می شود. میکسرها یکی از اجزای اصلی گیرنده های سوپرهترودین (Superheterodyne Receivers) و فرستنده های مخابراتی هستند. وظیفه میکسر، ضرب دو سیگنال (معمولا سیگنال دریافتی RF و سیگنال نوسان ساز محلی - LO) و تولید فرکانس های جمع و تفاضل (IF) است.
میکسرهای دیودی بر اساس خاصیت غیرخطی (Nonlinearity) مشخصه جریان-ولتاژ دیود کار می کنند. هنگامی که دو سیگنال با فرکانس های
\[ f_{RF} \]و
\[ f_{LO} \]به یک دیود غیرخطی اعمال می شوند، خروجی شامل فرکانس های اصلی، هارمونیک ها، و فرکانس های حاصل از جمع و تفاضل (
\[ f_{LO} \pm f_{RF} \]) است. با فیلتر کردن، می توان فرکانس مورد نظر (معمولا
\[ f_{IF} = |f_{LO} - f_{RF}| \]) را استخراج کرد.
انواع مختلفی از دیودها به عنوان میکسر استفاده می شوند. دیودهای شاتکی (Schottky Diodes) رایج ترین نوع هستند، زیرا سرعت بالا، نویز کم، و تلفات تبدیل (Conversion Loss) نسبتا پایینی دارند. دیودهای شاتکی با بسته بندی مخصوص RF (مانند بسته های Beam-Lead یا تراشه) برای فرکانس های تا چند صد گیگاهرتز موجود هستند. دیودهای ژرمانیومی نیز در فرکانس های پایین تر استفاده می شوند.
پارامترهای مهم یک دیود میکسر عبارتند از: تلفات تبدیل (Conversion Loss) که نسبت توان IF خروجی به توان RF ورودی است (هرچه کمتر بهتر)، رقم نویز (Noise Figure) که باید بسیار کم باشد (به ویژه برای گیرنده های حساس)، فرکانس قطع (Cutoff Frequency) که باید بالاتر از فرکانس کاری باشد، و توان تحمل RF (Power Handling).
کاربرد اصلی دیود میکسر در گیرنده های مخابراتی (RF Receivers) مانند گیرنده های رادیویی، تلویزیونی، تلفن های همراه، و گیرنده های ماهواره ای است. در این گیرنده ها، سیگنال RF با فرکانس بالا به یک فرکانس میانی (IF) پایین تر تبدیل می شود تا پردازش آن (تقویت، فیلتر کردن) آسان تر و ارزان تر باشد. میکسرهای دیودی در فرکانس های مایکروویو و میلی متری نیز کاربرد دارند.
کاربرد دیگر در فرستنده های مخابراتی برای مدولاسیون و تبدیل فرکانس به باند فرکانسی مورد نظر است. همچنین در تحلیل گرهای طیف (Spectrum Analyzers) برای تبدیل فرکانس سیگنال ورودی به فرکانس میانی استفاده می شوند. در رادارها و سیستم های جنگ الکترونیک نیز میکسرهای دیودی نقش حیاتی دارند.
سری معروف دیودهای میکسر شامل دیودهای شاتکی خانواده HSMS-286x (از Avago/Broadcom) برای کاربردهای تا ۵ گیگاهرتز، خانواده BAT15 (از Infineon) برای کاربردهای مایکروویو، و دیودهای شاتکی با قابلیت تحمل توان بالاتر مانند سری MA4E (از MACOM) است. برای فرکانس های بسیار بالا (باند W و بالاتر)، از دیودهای شاتکی با ساختار Beam-Lead یا تراشه استفاده می شود.
میکسرهای دیودی می توانند به صورت تک دیود (Single-Ended)، متعادل (Balanced)، و یا دوگانه متعادل (Double-Balanced) پیکربندی شوند. میکسرهای دوگانه متعادل که از چهار دیود در یک پل استفاده می کنند، مزایایی مانند حذف فرکانس های LO و RF از خروجی، ایزولاسیون بهتر، و کاهش اعوجاج دارند. این میکسرها در بسته های ماژول یا به صورت مدارات مجتمع موجود هستند.
یکی از چالش های میکسرهای دیودی، تطبیق امپدانس (Impedance Matching) در فرکانس های مختلف است. میکسر باید در هر سه پورت (RF، LO، IF) با امپدانس ۵۰ اهم تطبیق داشته باشد تا تلفات بازتاب (Return Loss) حداقل شود. این تطبیق معمولا با استفاده از شبکه های تطبیق (Matching Networks) و فیلترها انجام می شود.
توان نوسان ساز محلی (LO Power) نیز یک پارامتر مهم است. میکسرهای دیودی برای کار بهینه نیاز به سطح توان خاصی از LO دارند (معمولا ۰ تا +۱۰ dBm). توان LO بسیار کم باعث افزایش تلفات تبدیل و توان بسیار بالا می تواند باعث افزایش نویز و غیرخطی شدگی شود. انتخاب توان LO مناسب بر اساس دیتاشیت دیود انجام می شود.
در نهایت، دیود مخلوط کننده یک قطعه حیاتی در تمام سیستم های مخابراتی فرکانس بالا است. با افزایش فرکانس و پهنای باند در نسل های جدید مخابرات (5G و 6G)، اهمیت میکسرهای دیودی با عملکرد بالا (نویز کم، تلفات کم، پهنای باند زیاد) روزافزون است. پیشرفت در مواد نیمه هادی و تکنولوژی ساخت، امکان ساخت میکسرهای دیودی تا فرکانس های تراهرتز را فراهم کرده است.
