Преобразование частоты радиосигналов в телекоммуникационных системах

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

А. Н. ЗИКИЙ

А. В. ПОМАЗАНОВ

А. П. ПЛЁНКИН

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ

РАДИОСИГНАЛОВ В 

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2022

Содержание

2

УДК 621.396.62
ББК 32.842

З-601

Печатается по решению кафедры информационной безопасности

телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий
и информационной безопасности Южного федерального университета

(протокол № 19 от 16 марта 2022 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, 

профессор Южного федерального университета К. Е. Румянцев

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, 

начальник лаборатории АО «ТНИИС» С. В. Крикотин

Зикий, А. Н.

З-601 
Преобразование частоты радиосигналов в телекоммуникационных 
системах : учебное пособие / А. Н. Зикий, А. В. Помазанов, 
А. П. Плёнкин ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-
Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2022. – 195 с.

ISBN 978-5-9275-4207-9
Изложены принципы построения и основы проектирования преобразователей 
частоты радиосигналов, применяемых в телекоммуникационных 
системах. Рассматриваются вопросы схемотехники и конструкции смесителей, 
умножителей частоты. Приводятся многочисленные результаты разработки 
и экспериментальных исследований преобразователей различных диапазонов 
длин волн. Учебное пособие написано на основе оригинальных работ 
авторов, опубликованных в научных журналах. 

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 
10.05.02 – Информационная безопасность телекоммуникационных 
систем и изучающих дисциплину «Устройства телекоммуникационных 
систем», может быть полезно при курсовом и дипломном проектировании.

УДК 621.396.62

ББК 32.842

ISBN 978-5-9275-4207-9

© Южный федеральный университет, 2022
© Зикий А. Н., Помазанов А. В., 

Плёнкин А. П., 2022

© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2022

Содержание

3

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………
5

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СМЕСИТЕЛЕЙ И ВЫБОР 
ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ……………………………………………….
6

1.1. Классификация транзисторных смесителей …………………..
6

1.2. Выбор диодов для смесителей СВЧ ……………………………
10

2. СМЕСИТЕЛИ ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ……………..
12

2.1. Экспериментальное исследование смесителя на микросхеме 
К174ПС4 ……………………………………………………………..
12

2.2. Экспериментальное исследование смесителя на микросхеме 
IAM81008 ……………………………………………………………
16

2.3. Смеситель дециметрового диапазона на комбинации линий 
передачи ……………………………………………………………..
19

2.4. Экспериментальное исследование однодиодного микропо-
лоскового смесителя ………………………………………………...
23

2.5. Моделирование и экспериментальное исследование субгар-
монического смесителя ……………………………………………..
26

2.6. Смеситель с большим динамическим диапазоном ……………
36

2.7. Исследование динамического диапазона смесителя по комби-
национным составляющим …………………………………………
43

2.8. Экспериментальное исследование монолитного смесителя …
50

2.9. Двойной балансный смеситель дециметрового диапазона волн
56

2.10. Узкополосный балансный смеситель ………………………...
62

3. СМЕСИТЕЛИ САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА …………...
68

3.1. Двойной балансный смеситель на симметрирующих транс-
форматорах …………………………………………………………..
68

3.2. Смеситель 10-сантиметрового диапазона ……………………..
73

3.3. Ортомодовый смеситель ……………………………………….
79

3.4. Балансный смеситель с двумя мостами Ланге ………………...
83

3.5. Моделирование балансного смесителя с мостом Ланге ……...
88

Содержание

4

3.6. Экспериментальное исследование смесителя на микросхеме 
LTC5553 ……………………………………………………………...
93

4. СМЕСИТЕЛИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА …………..
101

4.1. Экспериментальное исследование субгармонического смеси-
теля …………………………………………………………………...
101

4.2. Однодиодный смеситель миллиметрового диапазона ……….
105

5. УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ ………………………………………
112

5.1. Типы умножителей частоты, основные характеристики ……..
112

5.2. Генератор четырёх частот ……………………………………...
119

5.3. Варакторный умножитель частоты на 170 МГц ………………
126

5.4. Варакторный умножитель частоты 400 МГц ………………….
130

5.5. Генератор гармоник …………………………………………….
135

5.6. Диодный генератор гармоник ………………………………….
135

5.7. Экспериментальное исследование микросхемы LTC 5553 в 
режиме умножения частоты ………………………………………...
139

5.8. Экспериментальное исследование микросхемы LTC 5553 в 
режиме умножения частоты с направленным ответвителем ……...
146

5.9. Гетеродин сантиметрового диапазона для защищенной си-
стемы связи …………………………………………………………..
150

5.10. Умножитель частоты миллиметрового диапазона …………..
153

5.11. Умножитель частоты высокой кратности ……………………
159

5.12. Экспериментальные исследования кварцевого калибратора [88]
165

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………..
176

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………….
177

ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………….
190

Приложение А. Фотографии смесителей ………………………….
190

Приложение Б. Фотографии умножителей ………………………..
192

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ …………………………………………..
196

1.1. Классификация транзисторных смесителей

5

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем учебном пособии изложены принципы построения и 

основы проектирования преобразователей частоты радиосигналов, приме-
няемых в телекоммуникационных системах. Рассматриваются вопросы 
схемотехники и конструкции смесителей, умножителей частоты. Приво-
дятся многочисленные результаты разработки и экспериментальных иссле-
дований преобразователей различных диапазонов длин волн. 

Учебное пособие состоит из пяти разделов. В первом разделе рассмат-

риваются теоретические вопросы построения диодных и транзисторных сме-
сителей. Приводится классификация смесителей. Второй раздел учебного 
пособия посвящён проектированию смесителей дециметрового диапазона 
длин волн, приводятся методики и результаты моделирования и эксперимен-
тальных исследований смесителей. В третьем разделе рассматриваются во-
просы проектирования и экспериментальных исследований смесителей сан-
тиметрового диапазона. В четвёртом разделе рассматриваются смесители 
миллиметрового диапазона длин волн. В пятом разделе рассматриваются во-
просы построения и приводятся результаты экспериментальных исследова-
ний умножителей частоты.

Учебное пособие написано на основе оригинальных работ авторов, 

опубликованных в научных журналах. Приводится обширный список ли-
тературных источников. 

Учебное пособие предназначено для студентов специалитета, обуча-

ющихся по специальности 10.05.02 – Информационная безопасность теле-
коммуникационных систем и изучающих дисциплину «Устройства теле-
коммуникационных систем». 

Учебное пособие может быть полезно при курсовом и дипломном 

проектировании.

Авторы выражают благодарность студентам И. О. Брагину и 

Д. Н. Гомонову за помощь в оформлении рукописи данного учебного 
пособия.

1. Классификация смесителей и выбор элементной базы

6

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СМЕСИТЕЛЕЙ

И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

1.1. Классификация 

транзисторных смесителей [15]

В настоящее время в литературе известно огромное количество схем 

транзисторных смесителей, и поэтому классификация их по топологиче-
скому признаку затруднительна. Однако авторам известно всего лишь 
4 типа транзисторных смесителей, отличающихся по спектральному со-
ставу продуктов выходного тока, поэтому предлагается ввести классифи-
кацию именно по этому признаку.С точки зрения условий передачи энер-
гии гетеродинного колебания в нагрузку необходимо различать схемы 
транзисторных преобразователей частоты на небалансные, балансные, 
чётно-балансные и нечётно-балансные. В небалансных схемах преобразо-
вателей частоты (ПЧ) все гармоники гетеродинного тока просачиваются в 
нагрузку, а в балансных схемах ПЧ все гармоники гетеродинного колеба-
ния балансируются в нагрузке. В чётно-балансных и нечётно-балансных 
схемах ПЧ балансируются соответственно только чётные или только нечёт-
ные гармоники гетеродинного тока.

Поясним примерами сказанное выше. На рис. 1.1 приведена схема 

смесителя на одном транзисторе. Спектр выходного тока имеет все гармо-
ники гетеродинного колебания

г
c
вых
hω
sω
ω

=
,   
(1.1)

где с – частота сигнала; г – частота гетеродина; s, h = 0, 1, 2, 3…

Такой смеситель предлагается называть небалансным.
На рис. 1.2 приведена схема смесителя на трёх транзисторах с сим-

метричным выходом. При этом спектр выходного тока имеет только нечёт-
ные гармоники гетеродинного колебания 

г
c
пч
ω
'h
ω
's
ω

=
и 
г
c
пч
ω
'h
ω
''s
ω

=
,                       (1.2)

где s', h' = 1, 3, 5, 7… и s'' = 0, 2, 4, 6…

Такой смеситель предлагается называть чётно-балансным.

1.1. Классификация транзисторных смесителей

7

Рис. 1.1. Небалансный смеситель и смеситель на трех транзисторах с 

несимметричным выходом

Рис. 1.2. Четно-балансный смеситель

На рис. 1.3 приведена схема смесителя на двух транзисторах. При 

этом спектр выходного тока имеет только чётные гармоники гетеродин-
ного колебания:

1. Классификация смесителей и выбор элементной базы

8

г
c
пч
ω
''h
ω
's
ω

=
и 
г
c
пч
ω
''h
ω
''s
ω

=
,                          (1.3)

где s' = 1, 3, 5, 7… и s'', h'' = 0, 2, 4, 6…

Рис. 1.3. Нечетно-балансный смеситель

Такой смеситель предлагается называть нечётно-балансным.
На рис. 1.4 приведены схемы смесителей на трёх и более транзисто-

рах. Спектр выходного тока этих смесителей не имеет гармоник гетеродин-
ного колебания:

1.1. Классификация транзисторных смесителей

9

а
б

в

Рис. 1.4. Балансные преобразователи частоты: а – с симметричным выходом на 

трех транзисторах; б – с несимметричным выходом на трех транзисторах;

в – с симметричным выходом на семи транзисторах

(вверху – с емкостной связью, внизу – с гальванической)

1. Классификация смесителей и выбор элементной базы

10

г
c
пч
ω
'h
ω
's
ω

=
и 
г
c
пч
ω
''h
ω
's
ω

=
(1.4)

для схем на рис. 1.4, а, б;

г
c
пч
ω
'h
ω
's
ω

=
;
(1.5)

для схемы на рис. 1,4 в. Эти смесители предлагается называть балансными.

1.2. Выбор диодов для смесителей СВЧ [61]

Подавление паразитных продуктов преобразования существенно за-

висит от идентичности диодов в балансном и двойном балансном смесителе.

Такие диоды серийно выпускаются нескольких разновидностей:

•
подобранные пары;

•
двойки;

•
подобранные четверки;

•
кольцо из четырех диодов;

•
мост из четырех диодов;

•
восьмерка.

К первой разновидности относятся диоды – 2А105АР, 2А106АР, 

2А107АР, 2А108АР, 2А109АР, 2А110АР, 3А111АР, 3А112АР, 3А121АР, 
2А134АР-6, 2А137АР.

К двойкам относятся диоды – 3АС122А-4, 3А130АС-3, 3А143АС-3.
К подобранным четверкам относятся –
2А108АГ, 3А112АГ, 

2А134АГ-6, 2А137АГ.

Кольцо из четырех диодов имеют 3АС127А-4, 2А139АС-4.
Мостом из четырех диодов является 3А135А-3.
2А146АС-4 представляет собой восьмерку диодов, соединенных в 

кольцо по два диода в каждом плече.

Перечисленные выше сведения позволяют более обоснованно выби-

рать отечественные диоды для балансных и двойных балансных смесителей.

В табл. 1.1 приведены основные параметры диодов для балансных и 

двойных балансных смесителей [61].

1.2. Выбор диодов для смесителей СВЧ

11

Таблица 1.1

Справочные данные СВЧ-диодов для смесителей

Рабочая 

частота

ГГц

12

12 (4)

0,3-12

0,3-12

30

300

0,3-3

Непре-

рывная 

рассеив. 

мощность

40 мВт

40

150

150

150

150

30

30

75

Неидентичность 

общей 

емкости, пФ

0,03…0,05

0,04…0,1

0…0,03…0,05

0,01…0,05

0,05-0,1

0,05-0,1

0,02-0,1

Общая емкость 

диода, пФ

0,15…0,21...0,35

0,15…0,4...0,5

0,15…0,22…0,35

0,15…0,22…0,45

0,05…0,09…0,15

0,1…0,15…0,2

0,05-0,1-0,15

0,05

0,17-0,4-0,5

0,17-0,4-0,45

0,017-0,022-0,04

0,017-0,019-0,035

0,011-0,015-0,025

0,07-0,08-0,025

0,08-0,09-0,3

Неидентичность

постоянного                 

прямого                     

напряжения, В

0,015…0,02

0,02…0,04

0,002…0,01…0,02

0,01…0,022…0,03

0,006…0,02

0,008…0,03

0,005-0,012-0,03

0,01-0,032-0,04

0,025

0,015

0,015

0,015

0,02

Постоянное              

обратное  

напряжение, В

(Iобр=10 мкА)

4…9…20

0,5…0,7…0,75

3,5-10-17

3-5,5-6,8

3-5,5-6,8

3-5,5-6,8

Постоянное 

прямое 

напряжение, В

(Iпр=1 мА)

0,6…0,67…0,75

5,6…6,4…7,5

0,55…0,68…0,8

0,65-0,77-0,95

0,28-0,41-0,43

0,28-0,4-0,45

0,65-0,77-0,8

0,65-0,75-0,85

0,7-0,76-0,9

0,7-0,85-1,1

0,7-1,2

Кш, дБ

4,9…5,5…6,5

4,9…6,1…8

5,3…6…6,5

5,2…6,3…7

6,25…6,8…8

5-6,5-7,5

5,9-7,3-8,5

6

6

4,5-5-5,5

4,5-5-6

Последова-

тельное 

сопротив-

ление по-

терь, Ом

(Iпр = 10 

мА)

3…7…12

4…6…12

4…8…15

5…8…12

5…9…15

5-7-12

6-10-15

4-5

7

1,6-3,6-8

2,8-5,1-10

4-6,3-12

5-8-14

5-8-16

Тип

3АС122А-4

3АС122Б-4

3АС127А-4

3АС127Б-4

3А130АС-3

3А130БС-3

3А135А-3

3А135Б-3

2А139АС-4

2А139БС-4

3А143АС-3

3А143БС-3

3А143ВС-3

2А146АС-4

2А146БС-4

2. Смесители дециметрового диапазона

12

2. СМЕСИТЕЛИ ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

2.1. Экспериментальное исследование смесителя 

на микросхеме К174ПС4 [16]

Объектом исследования явился смеситель на микросхеме 174ПС4. 

Его принципиальная схема приведена на рис. 2.1.

Целью исследования является определение коэффициента передачи 

смесителя и спектра его комбинационных частот при преобразовании “вверх”. 
В известной авторам литературе такое исследование не производилось.

Структурная схема измерительной установки приведена на рис. 2.2. 

В качестве источника сигнала использовался генератор высокочастотный 
Г4-102 при Pc = 10–6 Вт, Fс = 12,5 МГц. 

В качестве источника гетеродинной мощности использовался генера-

тор сигналов высокочастотный Г4-107 при Pг = 10–3 Вт, Fг = 50…250 МГц.
В качестве измерителя выходного сигнала использовался анализатор спек-
тра типа С4-60, который в каждой точке измерения калибровался от ГСС 
Г4-107 (метод замещения).

Результаты экспериментального исследования приведены на 

рис. 2.3–2.6. 

На рис. 2.3 приведены результаты измерения коэффициента преоб-

разования при fпч = fг– fс. На рис. 2.4 показаны результаты измерения коэф-
фициента преобразования при fпч = fг+ fс. На рис. 2.5 изображен спектр сиг-
налов на выходе смесителя при Fс = 12,5 МГц, Fг = 50 МГц. При этом за 
уровень 0 дБ принята амплитуда сигнала промежуточной частоты с часто-
той Fпч = Fс + Fг = 62,5 МГц.

Рис. 2.6 иллюстрирует спектр сигналов на выходе смесителя при 

Fс = 12,5 МГц, Fг = 237,5 МГц. За уровень 0 дБ принята амплитуда сигнала 
промежуточной частоты с частотой Fпч = Fс + Fг = 250 МГц.

На этой же измерительной установке измерялась развязка между 

входами сигнала и гетеродина. Условия измерения: Fс = 12,5 МГц; 
Fпч = 60–250 МГц. Результат измерения составил не менее 33 дБ.

По результатам исследования можно сделать следующие выводы.

1. Коэффициент преобразования составляет 4–5 дБ и остается посто-

янным при мощности гетеродина от 0,5 до 2 мВт.