ทำความเข้าใจข้อมูลจำเพาะของ RF Mixer: วิธีการระบุรายละเอียด

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับข้อกำหนดต่างๆ ของมิกเซอร์ RF หรือมิกเซอร์ความถี่ และความหมายของแต่ละข้อกำหนด เพื่อให้คุณสามารถเลือกมิกเซอร์ที่ต้องการได้อย่างถูกต้อง

ทำความเข้าใจข้อมูลจำเพาะของ RF Mixer: วิธีการระบุรายละเอียด

ประสิทธิภาพของมิกเซอร์ RF ถือเป็นองค์ประกอบสำคัญต่อการทำงานโดยรวมของการออกแบบวงจรหรือระบบ RF ดังนั้น การเลือกมิกเซอร์ที่เหมาะสมจึงเป็นกุญแจสำคัญในการออกแบบ

แม้ว่าการออกแบบจำนวนมากจะใช้มิกเซอร์แบบแอคทีฟขนาดเล็กภายในวงจรโดยรวมที่สร้างจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกชิ้น แต่สำหรับการออกแบบอื่นๆ อีกมากมาย โมดูลมิกเซอร์ประสิทธิภาพสูงหรือวงจรรวมคือคำตอบ

ไม่ว่าจะเป็นมิกเซอร์ที่ออกแบบจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกชิ้น หรือโมดูลหรือวงจรรวมที่ซื้อมา คุณสมบัติและประสิทธิภาพของมิกเซอร์ล้วนมีความสำคัญ

หากระบุสเปกของมิกเซอร์ต่ำเกินไป ประสิทธิภาพของวงจร RF โดยรวมอาจลดลง ในทางกลับกัน หากระบุสเปกสูงเกินไป ต้นทุนก็จะเพิ่มขึ้น หากเลือกประเภทผิด แม้ว่าจะเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง ก็อาจทำงานไม่ตรงตามที่ต้องการ หรือทำให้ประสิทธิภาพบางด้านไม่เป็นไปตามที่คาดหวัง

การเลือกมิกเซอร์ RF ที่เหมาะสมเป็นขั้นตอนสำคัญในการออกแบบวงจร RF โดยรวม เนื่องจากมีมิกเซอร์ให้เลือกหลายร้อยหรือหลายพันรุ่นจากผู้ผลิตหลายราย กระบวนการเลือกอย่างเป็นระบบจึงเป็นสิ่งจำเป็น

พื้นฐานของมิกเซอร์ RF

เมื่อพิจารณามิกเซอร์ RF ในการออกแบบวงจร RF ใดๆ จะมีคำจำกัดความหลายประการที่น่าสนใจ

แง่มุมต่างๆ เช่น พอร์ต รูปแบบของมิกเซอร์ และอื่นๆ ล้วนมีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติเฉพาะ

อุปกรณ์ผสมสัญญาณ RF หรืออุปกรณ์ผสมความถี่ทุกตัวจะมีพอร์ตอยู่ 3 พอร์ต:

  • RF: นี่คือพอร์ตสัญญาณ RF ที่ใช้สำหรับการแปลงความถี่ โดยทั่วไปจะเป็นสัญญาณระดับต่ำ
  • LO: นี่คือสัญญาณออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ (Local Oscillator) ซึ่งมีระดับสัญญาณตามที่กำหนด โดยทั่วไปจะสูงกว่าระดับสัญญาณอินพุต RF
  • IF: นี่คือพอร์ตเอาต์พุตของมิกเซอร์
สัญลักษณ์วงจรมิกเซอร์ RF แสดงพอร์ต RF, LO และ IF

นอกจากนี้ยังมีมิกเซอร์ RF หลายรูปแบบที่จำเป็นต้องทำความเข้าใจ หนึ่งในประเด็นแรกเกี่ยวข้องกับประเภทของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หรืออุปกรณ์ภายในมิกเซอร์:

✦ มิกเซอร์แบบพาสซีฟ: มิกเซอร์แบบพาสซีฟโดยทั่วไปใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบพาสซีฟ เช่น ไดโอด เป็นองค์ประกอบสวิตชิ่ง ดังนั้นจึงไม่สามารถให้กำลังขยายได้ แต่หลายรูปแบบก็สามารถให้ประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมได้

วงจรผสมสัญญาณแบบพาสซีฟส่วนใหญ่ใช้ไดโอด Schottky เนื่องจากมีแรงดันเปิดต่ำ แต่การออกแบบประสิทธิภาพสูงส่วนใหญ่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงแบบบาลันซ์ ซึ่งอาจจำกัดย่านความถี่ที่สามารถทำงานได้

ลักษณะสำคัญประการหนึ่งของมิกเซอร์แบบพาสซีฟคือ จะทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า การสูญเสียการแปลง (Conversion Loss) ซึ่งจะอธิบายในภายหลัง และสิ่งนี้อาจส่งผลกระทบต่อการออกแบบวงจร RF ได้

✦ มิกเซอร์แบบแอคทีฟ: ดังที่ชื่อบ่งบอก มิกเซอร์ RF แบบแอคทีฟประกอบด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแอคทีฟ เช่น ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์, FET หรือแม้แต่หลอดสุญญากาศ/วาล์วเทอร์มิโอนิก มิกเซอร์ RF ประเภทนี้สามารถให้กำลังขยายได้ รวมถึงสามารถคูณหรือผสมสัญญาณ RF ได้

แตกต่างจากมิกเซอร์แบบพาสซีฟ มิกเซอร์แบบแอคทีฟสามารถมี อัตราขยายการแปลง (Conversion Gain) ได้ และสิ่งนี้จะมีผลต่อการออกแบบ RF ของอุปกรณ์นั้น

มิกเซอร์ RF หรือเครื่องผสมความถี่สามารถแบ่งประเภทได้ตามว่าเป็นแบบบาลันซ์หรือไม่บาลันซ์ ซึ่งเป็นการตัดสินใจที่สำคัญมาก

✦ แบบไม่บาลันซ์ (Unbalanced): มิกเซอร์ RF แบบไม่บาลันซ์เป็นรูปแบบพื้นฐานของมิกเซอร์ RF ซึ่งทำหน้าที่ผสมสัญญาณสองสัญญาณเข้าด้วยกัน และเอาต์พุตประกอบด้วยสัญญาณผลรวมและผลต่าง รวมถึงระดับของสัญญาณ RF ดั้งเดิมและสัญญาณ LO ในปริมาณมาก เนื่องจากมีการแยกตัวระหว่างพอร์ตน้อย จึงอาจทำให้เกิดการบิดเบือนแบบอินเตอร์โมดูเลชันในระดับสูงขึ้น นอกจากนี้ สัญญาณ LO และ RF ก็ยังคงปรากฏอยู่ที่เอาต์พุตด้วย

✦ มิกเซอร์แบบบาลันซ์ (Balanced): มิกเซอร์แบบบาลันซ์คือมิกเซอร์ที่มีพอร์ตต่างๆ ใช้โครงสร้างแบบบาลันซ์หรือแบบดิฟเฟอเรนเชียล ขึ้นอยู่กับชนิดที่ใช้งานจริง อาจมีการแยกตัวระหว่างพอร์ตต่างๆ และสัญญาณ LO และ RF อาจถูกหักล้างที่พอร์ต IF มิกเซอร์แบบบาลันซ์มีหลายประเภท ได้แก่ แบบบาลันซ์เดี่ยว (Single-balanced), แบบบาลันซ์คู่ (Double-balanced) และแบบบาลันซ์สามชั้น (Triple-balanced)

การเลือกประเภทของมิกเซอร์ RF ที่เหมาะสมกับความต้องการของการออกแบบวงจรถือเป็นหนึ่งในทางเลือกที่สำคัญที่สุด

ข้อกำหนดด้านแพ็กเกจของมิกเซอร์

การตัดสินใจนี้เป็นหนึ่งในขั้นตอนแรกๆ ที่สามารถทำได้ เทคโนโลยีการเชื่อมต่อและข้อกำหนดต่างๆ จะสามารถกำหนดได้ตั้งแต่ช่วงต้นของการออกแบบ โดยทั่วไปแล้วจะมีแพ็กเกจอยู่สามประเภท:

✦ เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (Surface Mount Technology): มิกเซอร์ RF ที่ใช้เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิวมีขนาดเล็กที่สุดในแง่ของพื้นที่ และสามารถติดตั้งลงบนแผ่นวงจรพิมพ์ได้โดยตรง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรหรือระบบทั้งหมดที่ใช้แผ่นวงจรพิมพ์ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องตระหนักถึงข้อจำกัดพิเศษในการบัดกรี โดยเฉพาะในแง่ของอุณหภูมิการหลอมของตะกั่วบัดกรี เป็นต้น

✦ ส่วนประกอบแบบมีขา (Leaded Components): มิกเซอร์ RF บางรุ่นมีจำหน่ายในรูปแบบที่มีขาแบบดั้งเดิม โดยปกติแล้วจะใช้สำหรับการผลิตในปริมาณน้อยและการติดตั้งแบบเจาะรูบนแผ่นวงจรพิมพ์

✦ ตัวเชื่อมต่อ (Connectors): ในบางกรณี อาจจำเป็นต้องใช้มิกเซอร์ RF ที่มีตัวเชื่อมต่อ โดยทั่วไปแล้วจะมีขั้วต่อแบบ BNC หรือ SMA แต่บางครั้งอาจมีตัวเชื่อมต่อแบบอื่น เช่น N หรือ TNC อย่างไรก็ตาม ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้มักไม่ค่อยพบเห็น หรืออาจต้องสั่งซื้อเป็นสินค้าพิเศษ

มิกเซอร์เหล่านี้มักใช้ในระบบแร็กขนาดใหญ่ การพิจารณาขนาดและประเภทของขั้วต่อเป็นสิ่งจำเป็นเมื่อเลือกใช้งาน นอกจากนี้ควรพิจารณาวิธีการติดตั้งมิกเซอร์เหล่านี้ทางกลไกด้วย เนื่องจากผู้ผลิตมิกเซอร์หลายรายมีตัวเลือกการติดตั้งที่หลากหลาย

✦ แบบเสียบปลั๊ก (Plug-in): มิกเซอร์เหล่านี้เป็นแบบติดตั้งผ่านรูและมีขาอย่างน้อยสี่ขา ทำให้สามารถเชื่อมต่อได้อย่างแน่นหนาทั้งทางไฟฟ้าและทางกล สามารถใช้กับแผ่นวงจรพิมพ์แบบผ่านรูได้ โดยทั่วไป มิกเซอร์เหล่านี้จะมีขาอย่างน้อยสี่ขา โดยหนึ่งขาสำหรับสายสัญญาณแต่ละเส้นจากสามเส้น และอีกหนึ่งขาสำหรับกราวด์ แม้ว่าหลายรุ่นอาจมีขากราวด์หรือการเชื่อมต่อกราวด์เพิ่มเติมสำหรับแต่ละพอร์ตสัญญาณด้วยก็ตาม

ระดับสัญญาณออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ของมิกเซอร์

ระดับสัญญาณอินพุตของออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ (LO) เป็นอีกพารามิเตอร์สำคัญที่ต้องพิจารณา และอาจเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกชุดมิกเซอร์หรือตัวมิกเซอร์เอง

ยิ่งระดับสัญญาณ LO สูงเท่าไร ก็ยิ่งสามารถรองรับระดับสัญญาณ RF ที่สูงขึ้นได้โดยไม่เกิดปัญหาเรื่องการบิดเบือน โดยทั่วไปแล้ว ระดับสัญญาณ LO ควรสูงกว่าสัญญาณ RF สูงสุดที่คาดการณ์ไว้ประมาณ 10 dB เพื่อให้มิกเซอร์ทำงานอยู่ในช่วงการทำงานเชิงเส้น

โดยทั่วไปแล้ว โมดูลมิกเซอร์มักถูกกำหนดระดับสัญญาณ LO ไว้หลายระดับ เช่น 7 dBm, 10 dBm, 17 dBm เป็นต้น ซึ่งบางครั้งอาจเรียกว่ามิกเซอร์ระดับ 7, ระดับ 10 หรือระดับ 17 ก็ได้ อาจมีค่าอื่นๆ ให้เลือกใช้สำหรับมิกเซอร์เหล่านี้ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน แต่ระดับเหล่านี้เป็นค่าที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

น่าเสียดายที่มิกเซอร์ที่ต้องการระดับ LO สูงมักจะมีราคาแพงกว่า และการขยายสัญญาณ LO ให้สูงขึ้นก็มักจะทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุน การรักษาระดับสัญญาณ LO ให้ต่ำที่สุดไม่เพียงแต่จะช่วยลดต้นทุน แต่ยังส่งผลให้มีการรั่วไหลของสัญญาณ LO ภายในระบบน้อยลงด้วย

ควรใช้งานมิกเซอร์เหล่านี้ที่ระดับ LO ใกล้เคียงกับกำลังขับที่ต้องการ หากใช้ระดับสูงกว่านี้ จะทำให้เกิดการรั่วไหลของสัญญาณ LO มากขึ้น และพารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพอื่นๆ อาจลดลง

หากระดับ LO ต่ำกว่าระดับที่ต้องการ ประสิทธิภาพก็จะลดลงอีก โดยทั่วไปแล้วจะทำให้เกิดการสูญเสียการแปลงเพิ่มขึ้น การใช้งานมิกเซอร์ที่มีระดับ LO ต่ำกว่าระดับที่ต้องการประมาณ 3 dB อาจทำให้การสูญเสียการแปลงเพิ่มขึ้นประมาณ 0.5 dB นอกจากนี้ ประสิทธิภาพด้านการบิดเบือนอินเตอร์โมดูเลชันลำดับที่สามอาจลดลงเล็กน้อย ซึ่งไม่น่าแปลกใจนัก เนื่องจากไดโอดจะไม่ถูกขับให้สวิตช์อย่างเต็มที่เท่าที่ควร

ข้อมูลจำเพาะจุดบีบอัด 1 dB ของมิกเซอร์

จุดบีบอัด 1 dB ของมิกเซอร์เป็นข้อกำหนดที่สำคัญมากเมื่อเกี่ยวข้องกับสัญญาณระดับสูง

มิกเซอร์ในอุดมคติจะทำงานแบบเชิงเส้น กล่าวคือ ทุกๆ การเพิ่มขึ้น 1 dB ของระดับสัญญาณ RF ขาเข้า สัญญาณขาออกจากพอร์ต IF ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย อย่างไรก็ตาม จะถึงจุดหนึ่งที่สัญญาณขาออกไม่สามารถเพิ่มขึ้นตามความสัมพันธ์เชิงเส้นได้ และเริ่มเกิดการอิ่มตัว จุดบีบอัด 1 dB คือจุดที่สัญญาณขาออกเบี่ยงเบนจากเส้นโค้งเชิงเส้นไป 1 dB กล่าวคือ ต่ำกว่าเส้นเชิงเส้นที่คาดการณ์ไว้ 1 dB โดยปกติแล้ว ข้อกำหนดจะระบุระดับกำลังไฟฟ้า RF ขาเข้าที่เกิดการบีบอัดนี้

จุดบีบอัด 1 dB นั้นวัดได้ง่าย และช่วยให้สามารถเปรียบเทียบประสิทธิภาพการทำงานในระดับสูงของมิกเซอร์แต่ละตัวได้อย่างมีประโยชน์ แน่นอนว่าสำหรับสัญญาณระดับสูง ยิ่งจุดบีบอัด 1 dB สูงเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น

จุดบีบอัด 1 dB นั้นเชื่อมโยงกับพารามิเตอร์อื่นๆ ของมิกเซอร์ด้วยเช่นกัน

ข้อมูลจำเพาะกำลังส่งสูงสุดของพอร์ต RF

ในการออกแบบวงจร RF ใดๆ อาจมีการจัดทำงบประมาณกำลังไฟฟ้าเพื่อแสดงระดับกำลังไฟฟ้าในแต่ละขั้นตอนของวงจร การทราบว่าระดับกำลังไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงอย่างไร มักจะทำให้สามารถกำหนดระดับกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่เข้าสู่พอร์ต RF ของมิกเซอร์ได้อย่างแม่นยำ

เมื่อทราบค่าตัวเลขนี้แล้ว การเลือกมิกเซอร์ที่ต้องการจึงทำได้ง่ายๆ โดยการเลือกมิกเซอร์ที่มีจุดบีบอัด 1 dB สูงกว่าค่านี้

สำหรับสัญญาณขาเข้าที่มีระดับสัญญาณผันผวนในช่วงกว้างมาก สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือต้องแน่ใจว่าระดับสัญญาณไม่เกินค่าที่ปลอดภัย ตัวอย่างเช่น ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งในเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมรุ่นเก่าบางรุ่นที่ไม่มีระบบป้องกันสัญญาณขาเข้าอัตโนมัติ คือ ความเสียหายของมิกเซอร์อินพุตเมื่อป้อนสัญญาณระดับสูงเข้ามา เนื่องจากวิศวกรลืมติดตั้งตัวลดทอนสัญญาณในวงจร

อัตราขยายหรือการสูญเสียจากการแปลง

อัตราขยายการแปลงสัญญาณของมิกเซอร์มีความสำคัญมากในการออกแบบวงจร RF สำหรับโครงการต่างๆ เนื่องจากจะเป็นตัวกำหนดระดับสัญญาณหลังจากผ่านมิกเซอร์ RF

อัตราขยายหรือการสูญเสียจากการแปลง หมายถึง อัตราส่วนระหว่างระดับสัญญาณเอาต์พุตที่ต้องการกับระดับสัญญาณอินพุต RF

จากภาพนี้จะเห็นได้ว่าระดับสัญญาณ LO ไม่ได้ปรากฏในรูปนี้ อัตราขยายการแปลงสัญญาณพิจารณาเฉพาะระดับสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่ต้องการเท่านั้น

อย่างที่คาดไว้ มิกเซอร์แบบพาสซีฟจะมีค่าการสูญเสียจากการแปลง ซึ่งขึ้นอยู่กับมิกเซอร์แต่ละรุ่น ค่าการสูญเสียอาจอยู่ที่ประมาณ 7 dB หรือมากกว่านั้น แต่ก็ขึ้นอยู่กับตัวมิกเซอร์เองเป็นอย่างมาก

โดยปกติแล้ว มิกเซอร์ RF แบบแอคทีฟจะมีอัตราขยายจากการแปลง และระดับของอัตราขยายนั้นขึ้นอยู่กับตัวมิกเซอร์เองเป็นอย่างมาก

ประเด็นหลักคือต้องทราบระดับของอัตราขยายหรือการสูญเสียจากการแปลง เพื่อที่จะสามารถดำเนินการที่เหมาะสมได้ตั้งแต่ขั้นตอนแรกสุดของการออกแบบวงจร RF

ช่วงความถี่

แม้ว่ามิกเซอร์ RF มักจะรองรับการทำงานแบบบรอดแบนด์ แต่ช่วงความถี่ที่ใช้งานจริงจะต้องครอบคลุมโดยมิกเซอร์นั้นด้วย เช่นเดียวกัน หากมิกเซอร์มีสเปกสูงเกินไปในแง่ของแบนด์วิดท์และ/หรือความถี่สูงสุด ต้นทุนอาจสูงกว่าที่ควรจะเป็น

โดยทั่วไปแล้ว แนวทางปฏิบัติที่ดีในการออกแบบวงจร RF ใดๆ ก็คือการเลือกมิกเซอร์ที่มีช่วงความถี่ครอบคลุมช่วงการทำงานที่ต้องการ

ถึงกระนั้น มิกเซอร์หลายตัวก็สามารถทำงานได้นอกเหนือช่วงความถี่ที่กำหนดไว้ แม้ว่าประสิทธิภาพจะลดลงบ้างเมื่อความถี่อยู่นอกช่วงการทำงานมากขึ้นก็ตาม

การแยกตัว

ระดับการแยกตัวระหว่างพอร์ตมักมีความสำคัญ และบ่งบอกถึงระดับการรั่วไหลระหว่างพอร์ตต่างๆ โดยปกติแล้วไม่จำเป็นต้องให้สัญญาณ RF และ LO รั่วไหลไปยังพอร์ต IF และหากสัญญาณ LO รั่วไหลไปยังพอร์ต RF ตัวอย่างเช่น อาจทำให้เกิดการบิดเบือนแบบอินเตอร์โมดูเลชันได้

อย่างที่คาดไว้ การแยกตัวจะวัดในหน่วยเดซิเบล โดยเปรียบเทียบสัญญาณที่ป้อนเข้าพอร์ตหนึ่งกับระดับสัญญาณเดียวกันที่ปรากฏที่อีกพอร์ตหนึ่ง

พบว่าการแยกตัวของมิกเซอร์มีแนวโน้มเสื่อมลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น เนื่องจากรีแอกแตนซ์ของความจุไฟฟ้าแฝงลดลง และความไม่สมดุลของวงจรก็ปรากฏชัดเจนมากขึ้นด้วย

จุดตัดลำดับที่สาม (IP3) และการบิดเบือนอินเตอร์โมดูเลชันลำดับที่สาม

ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งของมิกเซอร์ RF ใดๆ ก็คือระดับของสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ที่เกิดขึ้นในกระบวนการผสมสัญญาณ ความไม่เป็นเชิงเส้นภายในมิกเซอร์ทำให้เกิดสัญญาณเพิ่มเติม และสัญญาณเหล่านี้อาจก่อให้เกิดปัญหาได้หลายวิธี ขึ้นอยู่กับการออกแบบวงจรหรือระบบที่ใช้งาน

จุดตัดลำดับที่สามของมิกเซอร์ (หรือแอมพลิฟายเออร์) คือจุดสมมุติฐานที่กำลังของผลคูณลำดับที่สามจะมีระดับเท่ากับกำลังของสัญญาณพื้นฐาน

จุดตัดลำดับที่สามของมิกเซอร์หรืออุปกรณ์อื่นๆ นั้นเป็นเพียงทฤษฎี เนื่องจากอยู่สูงเกินระดับความอิ่มตัวของอุปกรณ์ และในหลายกรณีจะอยู่ไกลเกินจุดที่เกิดความเสียหาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของมิกเซอร์

เหตุผลที่ค่า IP3 มีประโยชน์ก็คือ มันเป็นตัวชี้วัดคุณภาพที่ดีสำหรับการบิดเบือนที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์เมื่อระดับกำลังเพิ่มสูงขึ้น

สามารถกำหนดจุด IP3 สำหรับพอร์ตอินพุตหรือพอร์ตเอาต์พุตก็ได้

มีสองวิธีหลักในการกำหนดจุดตัด:

✦ โดยพิจารณาจากผลิตภัณฑ์อินเตอร์โมดูเลชัน: วิธีที่ใช้กันทั่วไปในการกำหนดค่า IP3 ของมิกเซอร์ RF คือการป้อนสัญญาณคลื่นไซน์สองสัญญาณที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อยเข้าไปในมิกเซอร์

ผลิตภัณฑ์การบิดเบือนอินเตอร์โมดูเลชันที่เห็นได้จากเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม

สเปกตรัมของผลิตภัณฑ์อินเตอร์โมดูเลชันจากสองสัญญาณ

ผลิตภัณฑ์อินเตอร์โมดูเลชันจะปรากฏขึ้นที่ระยะห่างจากสัญญาณอินพุต และสามารถวัดระดับได้ ส่วนผลิตภัณฑ์ลำดับที่สามจะปรากฏขึ้นที่ระยะห่างจากสัญญาณทั้งสองเป็นสามเท่าของระยะห่างความถี่ระหว่างสัญญาณทั้งสอง

✦ โดยอาศัยฮาร์มอนิกส์: วิธีการทางเลือกอีกวิธีหนึ่งคือการใช้สัญญาณเดียว จากนั้นผลิตภัณฑ์จะปรากฏที่ค่าทวีคูณของความถี่อินพุต ผลิตภัณฑ์ลำดับที่สามจะอยู่ที่สามเท่าของความถี่พื้นฐาน

จุดตัดลำดับที่สามของสัญญาณขาเข้ามักถูกกำหนดให้เป็น IIP3 และจุดตัดลำดับที่สามของสัญญาณขาออกจะถูกกำหนดให้เป็น OIP3 จุดตัดเหล่านี้มีระดับแตกต่างกันในปริมาณที่เท่ากับอัตราขยาย (หรือการสูญเสีย) ของสัญญาณขนาดเล็กของมิกเซอร์

การเลือกใช้มิกเซอร์ RF สำหรับการออกแบบวงจร RF ใดๆ ก็ตาม สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำงาน ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของมิกเซอร์นั้นตรงกับความต้องการของการออกแบบ RF นั้นๆ ในแง่ของประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม พารามิเตอร์ทางกลและตัวเชื่อมต่อ ตลอดจนแง่มุมต่างๆ เช่น รูปแบบเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิวสำหรับการติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์และการผลิตขนาดใหญ่ เป็นต้น

โดยปกติแล้ว การเลือกมิกเซอร์ที่เหมาะสมนั้นต้องพิจารณาถึงความสมดุลระหว่างแง่มุมต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า แง่มุมทางกล และต้นทุน ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป แต่หากเข้าใจถึงข้อกำหนดและผลกระทบที่มีต่อประสิทธิภาพโดยรวมของการออกแบบวงจร RF แล้ว ก็จะสามารถเลือกจุดลงตัวที่เหมาะสมได้

บทความที่เกี่ยวข้อง

ผลิตภัณฑ์
September 23, 2026

ทำความเข้าใจข้อมูลจำเพาะของ RF Mixer: วิธีการระบุรายละเอียด

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับข้อกำหนดต่างๆ ของมิกเซอร์ RF หรือมิกเซอร์ความถี่ และความหมายของแต่ละข้อกำหนด เพื่อให้คุณสามารถเลือกมิกเซอร์ที่ต้องการได้อย่างถูกต้อง

นักเขียนบทความ
by 
นักเขียนบทความ
ทำความเข้าใจข้อมูลจำเพาะของ RF Mixer: วิธีการระบุรายละเอียด

ทำความเข้าใจข้อมูลจำเพาะของ RF Mixer: วิธีการระบุรายละเอียด

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับข้อกำหนดต่างๆ ของมิกเซอร์ RF หรือมิกเซอร์ความถี่ และความหมายของแต่ละข้อกำหนด เพื่อให้คุณสามารถเลือกมิกเซอร์ที่ต้องการได้อย่างถูกต้อง

ประสิทธิภาพของมิกเซอร์ RF ถือเป็นองค์ประกอบสำคัญต่อการทำงานโดยรวมของการออกแบบวงจรหรือระบบ RF ดังนั้น การเลือกมิกเซอร์ที่เหมาะสมจึงเป็นกุญแจสำคัญในการออกแบบ

แม้ว่าการออกแบบจำนวนมากจะใช้มิกเซอร์แบบแอคทีฟขนาดเล็กภายในวงจรโดยรวมที่สร้างจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกชิ้น แต่สำหรับการออกแบบอื่นๆ อีกมากมาย โมดูลมิกเซอร์ประสิทธิภาพสูงหรือวงจรรวมคือคำตอบ

ไม่ว่าจะเป็นมิกเซอร์ที่ออกแบบจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกชิ้น หรือโมดูลหรือวงจรรวมที่ซื้อมา คุณสมบัติและประสิทธิภาพของมิกเซอร์ล้วนมีความสำคัญ

หากระบุสเปกของมิกเซอร์ต่ำเกินไป ประสิทธิภาพของวงจร RF โดยรวมอาจลดลง ในทางกลับกัน หากระบุสเปกสูงเกินไป ต้นทุนก็จะเพิ่มขึ้น หากเลือกประเภทผิด แม้ว่าจะเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง ก็อาจทำงานไม่ตรงตามที่ต้องการ หรือทำให้ประสิทธิภาพบางด้านไม่เป็นไปตามที่คาดหวัง

การเลือกมิกเซอร์ RF ที่เหมาะสมเป็นขั้นตอนสำคัญในการออกแบบวงจร RF โดยรวม เนื่องจากมีมิกเซอร์ให้เลือกหลายร้อยหรือหลายพันรุ่นจากผู้ผลิตหลายราย กระบวนการเลือกอย่างเป็นระบบจึงเป็นสิ่งจำเป็น

พื้นฐานของมิกเซอร์ RF

เมื่อพิจารณามิกเซอร์ RF ในการออกแบบวงจร RF ใดๆ จะมีคำจำกัดความหลายประการที่น่าสนใจ

แง่มุมต่างๆ เช่น พอร์ต รูปแบบของมิกเซอร์ และอื่นๆ ล้วนมีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติเฉพาะ

อุปกรณ์ผสมสัญญาณ RF หรืออุปกรณ์ผสมความถี่ทุกตัวจะมีพอร์ตอยู่ 3 พอร์ต:

  • RF: นี่คือพอร์ตสัญญาณ RF ที่ใช้สำหรับการแปลงความถี่ โดยทั่วไปจะเป็นสัญญาณระดับต่ำ
  • LO: นี่คือสัญญาณออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ (Local Oscillator) ซึ่งมีระดับสัญญาณตามที่กำหนด โดยทั่วไปจะสูงกว่าระดับสัญญาณอินพุต RF
  • IF: นี่คือพอร์ตเอาต์พุตของมิกเซอร์
สัญลักษณ์วงจรมิกเซอร์ RF แสดงพอร์ต RF, LO และ IF

นอกจากนี้ยังมีมิกเซอร์ RF หลายรูปแบบที่จำเป็นต้องทำความเข้าใจ หนึ่งในประเด็นแรกเกี่ยวข้องกับประเภทของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หรืออุปกรณ์ภายในมิกเซอร์:

✦ มิกเซอร์แบบพาสซีฟ: มิกเซอร์แบบพาสซีฟโดยทั่วไปใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบพาสซีฟ เช่น ไดโอด เป็นองค์ประกอบสวิตชิ่ง ดังนั้นจึงไม่สามารถให้กำลังขยายได้ แต่หลายรูปแบบก็สามารถให้ประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมได้

วงจรผสมสัญญาณแบบพาสซีฟส่วนใหญ่ใช้ไดโอด Schottky เนื่องจากมีแรงดันเปิดต่ำ แต่การออกแบบประสิทธิภาพสูงส่วนใหญ่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงแบบบาลันซ์ ซึ่งอาจจำกัดย่านความถี่ที่สามารถทำงานได้

ลักษณะสำคัญประการหนึ่งของมิกเซอร์แบบพาสซีฟคือ จะทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า การสูญเสียการแปลง (Conversion Loss) ซึ่งจะอธิบายในภายหลัง และสิ่งนี้อาจส่งผลกระทบต่อการออกแบบวงจร RF ได้

✦ มิกเซอร์แบบแอคทีฟ: ดังที่ชื่อบ่งบอก มิกเซอร์ RF แบบแอคทีฟประกอบด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแอคทีฟ เช่น ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์, FET หรือแม้แต่หลอดสุญญากาศ/วาล์วเทอร์มิโอนิก มิกเซอร์ RF ประเภทนี้สามารถให้กำลังขยายได้ รวมถึงสามารถคูณหรือผสมสัญญาณ RF ได้

แตกต่างจากมิกเซอร์แบบพาสซีฟ มิกเซอร์แบบแอคทีฟสามารถมี อัตราขยายการแปลง (Conversion Gain) ได้ และสิ่งนี้จะมีผลต่อการออกแบบ RF ของอุปกรณ์นั้น

มิกเซอร์ RF หรือเครื่องผสมความถี่สามารถแบ่งประเภทได้ตามว่าเป็นแบบบาลันซ์หรือไม่บาลันซ์ ซึ่งเป็นการตัดสินใจที่สำคัญมาก

✦ แบบไม่บาลันซ์ (Unbalanced): มิกเซอร์ RF แบบไม่บาลันซ์เป็นรูปแบบพื้นฐานของมิกเซอร์ RF ซึ่งทำหน้าที่ผสมสัญญาณสองสัญญาณเข้าด้วยกัน และเอาต์พุตประกอบด้วยสัญญาณผลรวมและผลต่าง รวมถึงระดับของสัญญาณ RF ดั้งเดิมและสัญญาณ LO ในปริมาณมาก เนื่องจากมีการแยกตัวระหว่างพอร์ตน้อย จึงอาจทำให้เกิดการบิดเบือนแบบอินเตอร์โมดูเลชันในระดับสูงขึ้น นอกจากนี้ สัญญาณ LO และ RF ก็ยังคงปรากฏอยู่ที่เอาต์พุตด้วย

✦ มิกเซอร์แบบบาลันซ์ (Balanced): มิกเซอร์แบบบาลันซ์คือมิกเซอร์ที่มีพอร์ตต่างๆ ใช้โครงสร้างแบบบาลันซ์หรือแบบดิฟเฟอเรนเชียล ขึ้นอยู่กับชนิดที่ใช้งานจริง อาจมีการแยกตัวระหว่างพอร์ตต่างๆ และสัญญาณ LO และ RF อาจถูกหักล้างที่พอร์ต IF มิกเซอร์แบบบาลันซ์มีหลายประเภท ได้แก่ แบบบาลันซ์เดี่ยว (Single-balanced), แบบบาลันซ์คู่ (Double-balanced) และแบบบาลันซ์สามชั้น (Triple-balanced)

การเลือกประเภทของมิกเซอร์ RF ที่เหมาะสมกับความต้องการของการออกแบบวงจรถือเป็นหนึ่งในทางเลือกที่สำคัญที่สุด

ข้อกำหนดด้านแพ็กเกจของมิกเซอร์

การตัดสินใจนี้เป็นหนึ่งในขั้นตอนแรกๆ ที่สามารถทำได้ เทคโนโลยีการเชื่อมต่อและข้อกำหนดต่างๆ จะสามารถกำหนดได้ตั้งแต่ช่วงต้นของการออกแบบ โดยทั่วไปแล้วจะมีแพ็กเกจอยู่สามประเภท:

✦ เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (Surface Mount Technology): มิกเซอร์ RF ที่ใช้เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิวมีขนาดเล็กที่สุดในแง่ของพื้นที่ และสามารถติดตั้งลงบนแผ่นวงจรพิมพ์ได้โดยตรง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรหรือระบบทั้งหมดที่ใช้แผ่นวงจรพิมพ์ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องตระหนักถึงข้อจำกัดพิเศษในการบัดกรี โดยเฉพาะในแง่ของอุณหภูมิการหลอมของตะกั่วบัดกรี เป็นต้น

✦ ส่วนประกอบแบบมีขา (Leaded Components): มิกเซอร์ RF บางรุ่นมีจำหน่ายในรูปแบบที่มีขาแบบดั้งเดิม โดยปกติแล้วจะใช้สำหรับการผลิตในปริมาณน้อยและการติดตั้งแบบเจาะรูบนแผ่นวงจรพิมพ์

✦ ตัวเชื่อมต่อ (Connectors): ในบางกรณี อาจจำเป็นต้องใช้มิกเซอร์ RF ที่มีตัวเชื่อมต่อ โดยทั่วไปแล้วจะมีขั้วต่อแบบ BNC หรือ SMA แต่บางครั้งอาจมีตัวเชื่อมต่อแบบอื่น เช่น N หรือ TNC อย่างไรก็ตาม ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้มักไม่ค่อยพบเห็น หรืออาจต้องสั่งซื้อเป็นสินค้าพิเศษ

มิกเซอร์เหล่านี้มักใช้ในระบบแร็กขนาดใหญ่ การพิจารณาขนาดและประเภทของขั้วต่อเป็นสิ่งจำเป็นเมื่อเลือกใช้งาน นอกจากนี้ควรพิจารณาวิธีการติดตั้งมิกเซอร์เหล่านี้ทางกลไกด้วย เนื่องจากผู้ผลิตมิกเซอร์หลายรายมีตัวเลือกการติดตั้งที่หลากหลาย

✦ แบบเสียบปลั๊ก (Plug-in): มิกเซอร์เหล่านี้เป็นแบบติดตั้งผ่านรูและมีขาอย่างน้อยสี่ขา ทำให้สามารถเชื่อมต่อได้อย่างแน่นหนาทั้งทางไฟฟ้าและทางกล สามารถใช้กับแผ่นวงจรพิมพ์แบบผ่านรูได้ โดยทั่วไป มิกเซอร์เหล่านี้จะมีขาอย่างน้อยสี่ขา โดยหนึ่งขาสำหรับสายสัญญาณแต่ละเส้นจากสามเส้น และอีกหนึ่งขาสำหรับกราวด์ แม้ว่าหลายรุ่นอาจมีขากราวด์หรือการเชื่อมต่อกราวด์เพิ่มเติมสำหรับแต่ละพอร์ตสัญญาณด้วยก็ตาม

ระดับสัญญาณออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ของมิกเซอร์

ระดับสัญญาณอินพุตของออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ (LO) เป็นอีกพารามิเตอร์สำคัญที่ต้องพิจารณา และอาจเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกชุดมิกเซอร์หรือตัวมิกเซอร์เอง

ยิ่งระดับสัญญาณ LO สูงเท่าไร ก็ยิ่งสามารถรองรับระดับสัญญาณ RF ที่สูงขึ้นได้โดยไม่เกิดปัญหาเรื่องการบิดเบือน โดยทั่วไปแล้ว ระดับสัญญาณ LO ควรสูงกว่าสัญญาณ RF สูงสุดที่คาดการณ์ไว้ประมาณ 10 dB เพื่อให้มิกเซอร์ทำงานอยู่ในช่วงการทำงานเชิงเส้น

โดยทั่วไปแล้ว โมดูลมิกเซอร์มักถูกกำหนดระดับสัญญาณ LO ไว้หลายระดับ เช่น 7 dBm, 10 dBm, 17 dBm เป็นต้น ซึ่งบางครั้งอาจเรียกว่ามิกเซอร์ระดับ 7, ระดับ 10 หรือระดับ 17 ก็ได้ อาจมีค่าอื่นๆ ให้เลือกใช้สำหรับมิกเซอร์เหล่านี้ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน แต่ระดับเหล่านี้เป็นค่าที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

น่าเสียดายที่มิกเซอร์ที่ต้องการระดับ LO สูงมักจะมีราคาแพงกว่า และการขยายสัญญาณ LO ให้สูงขึ้นก็มักจะทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุน การรักษาระดับสัญญาณ LO ให้ต่ำที่สุดไม่เพียงแต่จะช่วยลดต้นทุน แต่ยังส่งผลให้มีการรั่วไหลของสัญญาณ LO ภายในระบบน้อยลงด้วย

ควรใช้งานมิกเซอร์เหล่านี้ที่ระดับ LO ใกล้เคียงกับกำลังขับที่ต้องการ หากใช้ระดับสูงกว่านี้ จะทำให้เกิดการรั่วไหลของสัญญาณ LO มากขึ้น และพารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพอื่นๆ อาจลดลง

หากระดับ LO ต่ำกว่าระดับที่ต้องการ ประสิทธิภาพก็จะลดลงอีก โดยทั่วไปแล้วจะทำให้เกิดการสูญเสียการแปลงเพิ่มขึ้น การใช้งานมิกเซอร์ที่มีระดับ LO ต่ำกว่าระดับที่ต้องการประมาณ 3 dB อาจทำให้การสูญเสียการแปลงเพิ่มขึ้นประมาณ 0.5 dB นอกจากนี้ ประสิทธิภาพด้านการบิดเบือนอินเตอร์โมดูเลชันลำดับที่สามอาจลดลงเล็กน้อย ซึ่งไม่น่าแปลกใจนัก เนื่องจากไดโอดจะไม่ถูกขับให้สวิตช์อย่างเต็มที่เท่าที่ควร

ข้อมูลจำเพาะจุดบีบอัด 1 dB ของมิกเซอร์

จุดบีบอัด 1 dB ของมิกเซอร์เป็นข้อกำหนดที่สำคัญมากเมื่อเกี่ยวข้องกับสัญญาณระดับสูง

มิกเซอร์ในอุดมคติจะทำงานแบบเชิงเส้น กล่าวคือ ทุกๆ การเพิ่มขึ้น 1 dB ของระดับสัญญาณ RF ขาเข้า สัญญาณขาออกจากพอร์ต IF ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย อย่างไรก็ตาม จะถึงจุดหนึ่งที่สัญญาณขาออกไม่สามารถเพิ่มขึ้นตามความสัมพันธ์เชิงเส้นได้ และเริ่มเกิดการอิ่มตัว จุดบีบอัด 1 dB คือจุดที่สัญญาณขาออกเบี่ยงเบนจากเส้นโค้งเชิงเส้นไป 1 dB กล่าวคือ ต่ำกว่าเส้นเชิงเส้นที่คาดการณ์ไว้ 1 dB โดยปกติแล้ว ข้อกำหนดจะระบุระดับกำลังไฟฟ้า RF ขาเข้าที่เกิดการบีบอัดนี้

จุดบีบอัด 1 dB นั้นวัดได้ง่าย และช่วยให้สามารถเปรียบเทียบประสิทธิภาพการทำงานในระดับสูงของมิกเซอร์แต่ละตัวได้อย่างมีประโยชน์ แน่นอนว่าสำหรับสัญญาณระดับสูง ยิ่งจุดบีบอัด 1 dB สูงเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น

จุดบีบอัด 1 dB นั้นเชื่อมโยงกับพารามิเตอร์อื่นๆ ของมิกเซอร์ด้วยเช่นกัน

ข้อมูลจำเพาะกำลังส่งสูงสุดของพอร์ต RF

ในการออกแบบวงจร RF ใดๆ อาจมีการจัดทำงบประมาณกำลังไฟฟ้าเพื่อแสดงระดับกำลังไฟฟ้าในแต่ละขั้นตอนของวงจร การทราบว่าระดับกำลังไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงอย่างไร มักจะทำให้สามารถกำหนดระดับกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่เข้าสู่พอร์ต RF ของมิกเซอร์ได้อย่างแม่นยำ

เมื่อทราบค่าตัวเลขนี้แล้ว การเลือกมิกเซอร์ที่ต้องการจึงทำได้ง่ายๆ โดยการเลือกมิกเซอร์ที่มีจุดบีบอัด 1 dB สูงกว่าค่านี้

สำหรับสัญญาณขาเข้าที่มีระดับสัญญาณผันผวนในช่วงกว้างมาก สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือต้องแน่ใจว่าระดับสัญญาณไม่เกินค่าที่ปลอดภัย ตัวอย่างเช่น ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งในเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมรุ่นเก่าบางรุ่นที่ไม่มีระบบป้องกันสัญญาณขาเข้าอัตโนมัติ คือ ความเสียหายของมิกเซอร์อินพุตเมื่อป้อนสัญญาณระดับสูงเข้ามา เนื่องจากวิศวกรลืมติดตั้งตัวลดทอนสัญญาณในวงจร

อัตราขยายหรือการสูญเสียจากการแปลง

อัตราขยายการแปลงสัญญาณของมิกเซอร์มีความสำคัญมากในการออกแบบวงจร RF สำหรับโครงการต่างๆ เนื่องจากจะเป็นตัวกำหนดระดับสัญญาณหลังจากผ่านมิกเซอร์ RF

อัตราขยายหรือการสูญเสียจากการแปลง หมายถึง อัตราส่วนระหว่างระดับสัญญาณเอาต์พุตที่ต้องการกับระดับสัญญาณอินพุต RF

จากภาพนี้จะเห็นได้ว่าระดับสัญญาณ LO ไม่ได้ปรากฏในรูปนี้ อัตราขยายการแปลงสัญญาณพิจารณาเฉพาะระดับสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่ต้องการเท่านั้น

อย่างที่คาดไว้ มิกเซอร์แบบพาสซีฟจะมีค่าการสูญเสียจากการแปลง ซึ่งขึ้นอยู่กับมิกเซอร์แต่ละรุ่น ค่าการสูญเสียอาจอยู่ที่ประมาณ 7 dB หรือมากกว่านั้น แต่ก็ขึ้นอยู่กับตัวมิกเซอร์เองเป็นอย่างมาก

โดยปกติแล้ว มิกเซอร์ RF แบบแอคทีฟจะมีอัตราขยายจากการแปลง และระดับของอัตราขยายนั้นขึ้นอยู่กับตัวมิกเซอร์เองเป็นอย่างมาก

ประเด็นหลักคือต้องทราบระดับของอัตราขยายหรือการสูญเสียจากการแปลง เพื่อที่จะสามารถดำเนินการที่เหมาะสมได้ตั้งแต่ขั้นตอนแรกสุดของการออกแบบวงจร RF

ช่วงความถี่

แม้ว่ามิกเซอร์ RF มักจะรองรับการทำงานแบบบรอดแบนด์ แต่ช่วงความถี่ที่ใช้งานจริงจะต้องครอบคลุมโดยมิกเซอร์นั้นด้วย เช่นเดียวกัน หากมิกเซอร์มีสเปกสูงเกินไปในแง่ของแบนด์วิดท์และ/หรือความถี่สูงสุด ต้นทุนอาจสูงกว่าที่ควรจะเป็น

โดยทั่วไปแล้ว แนวทางปฏิบัติที่ดีในการออกแบบวงจร RF ใดๆ ก็คือการเลือกมิกเซอร์ที่มีช่วงความถี่ครอบคลุมช่วงการทำงานที่ต้องการ

ถึงกระนั้น มิกเซอร์หลายตัวก็สามารถทำงานได้นอกเหนือช่วงความถี่ที่กำหนดไว้ แม้ว่าประสิทธิภาพจะลดลงบ้างเมื่อความถี่อยู่นอกช่วงการทำงานมากขึ้นก็ตาม

การแยกตัว

ระดับการแยกตัวระหว่างพอร์ตมักมีความสำคัญ และบ่งบอกถึงระดับการรั่วไหลระหว่างพอร์ตต่างๆ โดยปกติแล้วไม่จำเป็นต้องให้สัญญาณ RF และ LO รั่วไหลไปยังพอร์ต IF และหากสัญญาณ LO รั่วไหลไปยังพอร์ต RF ตัวอย่างเช่น อาจทำให้เกิดการบิดเบือนแบบอินเตอร์โมดูเลชันได้

อย่างที่คาดไว้ การแยกตัวจะวัดในหน่วยเดซิเบล โดยเปรียบเทียบสัญญาณที่ป้อนเข้าพอร์ตหนึ่งกับระดับสัญญาณเดียวกันที่ปรากฏที่อีกพอร์ตหนึ่ง

พบว่าการแยกตัวของมิกเซอร์มีแนวโน้มเสื่อมลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น เนื่องจากรีแอกแตนซ์ของความจุไฟฟ้าแฝงลดลง และความไม่สมดุลของวงจรก็ปรากฏชัดเจนมากขึ้นด้วย

จุดตัดลำดับที่สาม (IP3) และการบิดเบือนอินเตอร์โมดูเลชันลำดับที่สาม

ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งของมิกเซอร์ RF ใดๆ ก็คือระดับของสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ที่เกิดขึ้นในกระบวนการผสมสัญญาณ ความไม่เป็นเชิงเส้นภายในมิกเซอร์ทำให้เกิดสัญญาณเพิ่มเติม และสัญญาณเหล่านี้อาจก่อให้เกิดปัญหาได้หลายวิธี ขึ้นอยู่กับการออกแบบวงจรหรือระบบที่ใช้งาน

จุดตัดลำดับที่สามของมิกเซอร์ (หรือแอมพลิฟายเออร์) คือจุดสมมุติฐานที่กำลังของผลคูณลำดับที่สามจะมีระดับเท่ากับกำลังของสัญญาณพื้นฐาน

จุดตัดลำดับที่สามของมิกเซอร์หรืออุปกรณ์อื่นๆ นั้นเป็นเพียงทฤษฎี เนื่องจากอยู่สูงเกินระดับความอิ่มตัวของอุปกรณ์ และในหลายกรณีจะอยู่ไกลเกินจุดที่เกิดความเสียหาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของมิกเซอร์

เหตุผลที่ค่า IP3 มีประโยชน์ก็คือ มันเป็นตัวชี้วัดคุณภาพที่ดีสำหรับการบิดเบือนที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์เมื่อระดับกำลังเพิ่มสูงขึ้น

สามารถกำหนดจุด IP3 สำหรับพอร์ตอินพุตหรือพอร์ตเอาต์พุตก็ได้

มีสองวิธีหลักในการกำหนดจุดตัด:

✦ โดยพิจารณาจากผลิตภัณฑ์อินเตอร์โมดูเลชัน: วิธีที่ใช้กันทั่วไปในการกำหนดค่า IP3 ของมิกเซอร์ RF คือการป้อนสัญญาณคลื่นไซน์สองสัญญาณที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อยเข้าไปในมิกเซอร์

ผลิตภัณฑ์การบิดเบือนอินเตอร์โมดูเลชันที่เห็นได้จากเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม

สเปกตรัมของผลิตภัณฑ์อินเตอร์โมดูเลชันจากสองสัญญาณ

ผลิตภัณฑ์อินเตอร์โมดูเลชันจะปรากฏขึ้นที่ระยะห่างจากสัญญาณอินพุต และสามารถวัดระดับได้ ส่วนผลิตภัณฑ์ลำดับที่สามจะปรากฏขึ้นที่ระยะห่างจากสัญญาณทั้งสองเป็นสามเท่าของระยะห่างความถี่ระหว่างสัญญาณทั้งสอง

✦ โดยอาศัยฮาร์มอนิกส์: วิธีการทางเลือกอีกวิธีหนึ่งคือการใช้สัญญาณเดียว จากนั้นผลิตภัณฑ์จะปรากฏที่ค่าทวีคูณของความถี่อินพุต ผลิตภัณฑ์ลำดับที่สามจะอยู่ที่สามเท่าของความถี่พื้นฐาน

จุดตัดลำดับที่สามของสัญญาณขาเข้ามักถูกกำหนดให้เป็น IIP3 และจุดตัดลำดับที่สามของสัญญาณขาออกจะถูกกำหนดให้เป็น OIP3 จุดตัดเหล่านี้มีระดับแตกต่างกันในปริมาณที่เท่ากับอัตราขยาย (หรือการสูญเสีย) ของสัญญาณขนาดเล็กของมิกเซอร์

การเลือกใช้มิกเซอร์ RF สำหรับการออกแบบวงจร RF ใดๆ ก็ตาม สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำงาน ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของมิกเซอร์นั้นตรงกับความต้องการของการออกแบบ RF นั้นๆ ในแง่ของประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม พารามิเตอร์ทางกลและตัวเชื่อมต่อ ตลอดจนแง่มุมต่างๆ เช่น รูปแบบเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิวสำหรับการติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์และการผลิตขนาดใหญ่ เป็นต้น

โดยปกติแล้ว การเลือกมิกเซอร์ที่เหมาะสมนั้นต้องพิจารณาถึงความสมดุลระหว่างแง่มุมต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า แง่มุมทางกล และต้นทุน ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป แต่หากเข้าใจถึงข้อกำหนดและผลกระทบที่มีต่อประสิทธิภาพโดยรวมของการออกแบบวงจร RF แล้ว ก็จะสามารถเลือกจุดลงตัวที่เหมาะสมได้

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Suspendisse varius enim in eros elementum tristique. Duis cursus, mi quis viverra ornare, eros dolor interdum nulla, ut commodo diam libero vitae erat. Aenean faucibus nibh et justo cursus id rutrum lorem imperdiet. Nunc ut sem vitae risus tristique posuere.

บทความที่เกี่ยวข้อง

ทำความเข้าใจข้อมูลจำเพาะของ RF Mixer: วิธีการระบุรายละเอียด

ทำความเข้าใจข้อมูลจำเพาะของ RF Mixer: วิธีการระบุรายละเอียด

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับข้อกำหนดต่างๆ ของมิกเซอร์ RF หรือมิกเซอร์ความถี่ และความหมายของแต่ละข้อกำหนด เพื่อให้คุณสามารถเลือกมิกเซอร์ที่ต้องการได้อย่างถูกต้อง

Lorem ipsum dolor amet consectetur adipiscing elit tortor massa arcu non.

ประสิทธิภาพของมิกเซอร์ RF ถือเป็นองค์ประกอบสำคัญต่อการทำงานโดยรวมของการออกแบบวงจรหรือระบบ RF ดังนั้น การเลือกมิกเซอร์ที่เหมาะสมจึงเป็นกุญแจสำคัญในการออกแบบ

แม้ว่าการออกแบบจำนวนมากจะใช้มิกเซอร์แบบแอคทีฟขนาดเล็กภายในวงจรโดยรวมที่สร้างจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกชิ้น แต่สำหรับการออกแบบอื่นๆ อีกมากมาย โมดูลมิกเซอร์ประสิทธิภาพสูงหรือวงจรรวมคือคำตอบ

ไม่ว่าจะเป็นมิกเซอร์ที่ออกแบบจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกชิ้น หรือโมดูลหรือวงจรรวมที่ซื้อมา คุณสมบัติและประสิทธิภาพของมิกเซอร์ล้วนมีความสำคัญ

หากระบุสเปกของมิกเซอร์ต่ำเกินไป ประสิทธิภาพของวงจร RF โดยรวมอาจลดลง ในทางกลับกัน หากระบุสเปกสูงเกินไป ต้นทุนก็จะเพิ่มขึ้น หากเลือกประเภทผิด แม้ว่าจะเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง ก็อาจทำงานไม่ตรงตามที่ต้องการ หรือทำให้ประสิทธิภาพบางด้านไม่เป็นไปตามที่คาดหวัง

การเลือกมิกเซอร์ RF ที่เหมาะสมเป็นขั้นตอนสำคัญในการออกแบบวงจร RF โดยรวม เนื่องจากมีมิกเซอร์ให้เลือกหลายร้อยหรือหลายพันรุ่นจากผู้ผลิตหลายราย กระบวนการเลือกอย่างเป็นระบบจึงเป็นสิ่งจำเป็น

พื้นฐานของมิกเซอร์ RF

เมื่อพิจารณามิกเซอร์ RF ในการออกแบบวงจร RF ใดๆ จะมีคำจำกัดความหลายประการที่น่าสนใจ

แง่มุมต่างๆ เช่น พอร์ต รูปแบบของมิกเซอร์ และอื่นๆ ล้วนมีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติเฉพาะ

อุปกรณ์ผสมสัญญาณ RF หรืออุปกรณ์ผสมความถี่ทุกตัวจะมีพอร์ตอยู่ 3 พอร์ต:

  • RF: นี่คือพอร์ตสัญญาณ RF ที่ใช้สำหรับการแปลงความถี่ โดยทั่วไปจะเป็นสัญญาณระดับต่ำ
  • LO: นี่คือสัญญาณออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ (Local Oscillator) ซึ่งมีระดับสัญญาณตามที่กำหนด โดยทั่วไปจะสูงกว่าระดับสัญญาณอินพุต RF
  • IF: นี่คือพอร์ตเอาต์พุตของมิกเซอร์
สัญลักษณ์วงจรมิกเซอร์ RF แสดงพอร์ต RF, LO และ IF

นอกจากนี้ยังมีมิกเซอร์ RF หลายรูปแบบที่จำเป็นต้องทำความเข้าใจ หนึ่งในประเด็นแรกเกี่ยวข้องกับประเภทของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หรืออุปกรณ์ภายในมิกเซอร์:

✦ มิกเซอร์แบบพาสซีฟ: มิกเซอร์แบบพาสซีฟโดยทั่วไปใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบพาสซีฟ เช่น ไดโอด เป็นองค์ประกอบสวิตชิ่ง ดังนั้นจึงไม่สามารถให้กำลังขยายได้ แต่หลายรูปแบบก็สามารถให้ประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมได้

วงจรผสมสัญญาณแบบพาสซีฟส่วนใหญ่ใช้ไดโอด Schottky เนื่องจากมีแรงดันเปิดต่ำ แต่การออกแบบประสิทธิภาพสูงส่วนใหญ่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงแบบบาลันซ์ ซึ่งอาจจำกัดย่านความถี่ที่สามารถทำงานได้

ลักษณะสำคัญประการหนึ่งของมิกเซอร์แบบพาสซีฟคือ จะทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า การสูญเสียการแปลง (Conversion Loss) ซึ่งจะอธิบายในภายหลัง และสิ่งนี้อาจส่งผลกระทบต่อการออกแบบวงจร RF ได้

✦ มิกเซอร์แบบแอคทีฟ: ดังที่ชื่อบ่งบอก มิกเซอร์ RF แบบแอคทีฟประกอบด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแอคทีฟ เช่น ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์, FET หรือแม้แต่หลอดสุญญากาศ/วาล์วเทอร์มิโอนิก มิกเซอร์ RF ประเภทนี้สามารถให้กำลังขยายได้ รวมถึงสามารถคูณหรือผสมสัญญาณ RF ได้

แตกต่างจากมิกเซอร์แบบพาสซีฟ มิกเซอร์แบบแอคทีฟสามารถมี อัตราขยายการแปลง (Conversion Gain) ได้ และสิ่งนี้จะมีผลต่อการออกแบบ RF ของอุปกรณ์นั้น

มิกเซอร์ RF หรือเครื่องผสมความถี่สามารถแบ่งประเภทได้ตามว่าเป็นแบบบาลันซ์หรือไม่บาลันซ์ ซึ่งเป็นการตัดสินใจที่สำคัญมาก

✦ แบบไม่บาลันซ์ (Unbalanced): มิกเซอร์ RF แบบไม่บาลันซ์เป็นรูปแบบพื้นฐานของมิกเซอร์ RF ซึ่งทำหน้าที่ผสมสัญญาณสองสัญญาณเข้าด้วยกัน และเอาต์พุตประกอบด้วยสัญญาณผลรวมและผลต่าง รวมถึงระดับของสัญญาณ RF ดั้งเดิมและสัญญาณ LO ในปริมาณมาก เนื่องจากมีการแยกตัวระหว่างพอร์ตน้อย จึงอาจทำให้เกิดการบิดเบือนแบบอินเตอร์โมดูเลชันในระดับสูงขึ้น นอกจากนี้ สัญญาณ LO และ RF ก็ยังคงปรากฏอยู่ที่เอาต์พุตด้วย

✦ มิกเซอร์แบบบาลันซ์ (Balanced): มิกเซอร์แบบบาลันซ์คือมิกเซอร์ที่มีพอร์ตต่างๆ ใช้โครงสร้างแบบบาลันซ์หรือแบบดิฟเฟอเรนเชียล ขึ้นอยู่กับชนิดที่ใช้งานจริง อาจมีการแยกตัวระหว่างพอร์ตต่างๆ และสัญญาณ LO และ RF อาจถูกหักล้างที่พอร์ต IF มิกเซอร์แบบบาลันซ์มีหลายประเภท ได้แก่ แบบบาลันซ์เดี่ยว (Single-balanced), แบบบาลันซ์คู่ (Double-balanced) และแบบบาลันซ์สามชั้น (Triple-balanced)

การเลือกประเภทของมิกเซอร์ RF ที่เหมาะสมกับความต้องการของการออกแบบวงจรถือเป็นหนึ่งในทางเลือกที่สำคัญที่สุด

ข้อกำหนดด้านแพ็กเกจของมิกเซอร์

การตัดสินใจนี้เป็นหนึ่งในขั้นตอนแรกๆ ที่สามารถทำได้ เทคโนโลยีการเชื่อมต่อและข้อกำหนดต่างๆ จะสามารถกำหนดได้ตั้งแต่ช่วงต้นของการออกแบบ โดยทั่วไปแล้วจะมีแพ็กเกจอยู่สามประเภท:

✦ เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (Surface Mount Technology): มิกเซอร์ RF ที่ใช้เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิวมีขนาดเล็กที่สุดในแง่ของพื้นที่ และสามารถติดตั้งลงบนแผ่นวงจรพิมพ์ได้โดยตรง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรหรือระบบทั้งหมดที่ใช้แผ่นวงจรพิมพ์ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องตระหนักถึงข้อจำกัดพิเศษในการบัดกรี โดยเฉพาะในแง่ของอุณหภูมิการหลอมของตะกั่วบัดกรี เป็นต้น

✦ ส่วนประกอบแบบมีขา (Leaded Components): มิกเซอร์ RF บางรุ่นมีจำหน่ายในรูปแบบที่มีขาแบบดั้งเดิม โดยปกติแล้วจะใช้สำหรับการผลิตในปริมาณน้อยและการติดตั้งแบบเจาะรูบนแผ่นวงจรพิมพ์

✦ ตัวเชื่อมต่อ (Connectors): ในบางกรณี อาจจำเป็นต้องใช้มิกเซอร์ RF ที่มีตัวเชื่อมต่อ โดยทั่วไปแล้วจะมีขั้วต่อแบบ BNC หรือ SMA แต่บางครั้งอาจมีตัวเชื่อมต่อแบบอื่น เช่น N หรือ TNC อย่างไรก็ตาม ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้มักไม่ค่อยพบเห็น หรืออาจต้องสั่งซื้อเป็นสินค้าพิเศษ

มิกเซอร์เหล่านี้มักใช้ในระบบแร็กขนาดใหญ่ การพิจารณาขนาดและประเภทของขั้วต่อเป็นสิ่งจำเป็นเมื่อเลือกใช้งาน นอกจากนี้ควรพิจารณาวิธีการติดตั้งมิกเซอร์เหล่านี้ทางกลไกด้วย เนื่องจากผู้ผลิตมิกเซอร์หลายรายมีตัวเลือกการติดตั้งที่หลากหลาย

✦ แบบเสียบปลั๊ก (Plug-in): มิกเซอร์เหล่านี้เป็นแบบติดตั้งผ่านรูและมีขาอย่างน้อยสี่ขา ทำให้สามารถเชื่อมต่อได้อย่างแน่นหนาทั้งทางไฟฟ้าและทางกล สามารถใช้กับแผ่นวงจรพิมพ์แบบผ่านรูได้ โดยทั่วไป มิกเซอร์เหล่านี้จะมีขาอย่างน้อยสี่ขา โดยหนึ่งขาสำหรับสายสัญญาณแต่ละเส้นจากสามเส้น และอีกหนึ่งขาสำหรับกราวด์ แม้ว่าหลายรุ่นอาจมีขากราวด์หรือการเชื่อมต่อกราวด์เพิ่มเติมสำหรับแต่ละพอร์ตสัญญาณด้วยก็ตาม

ระดับสัญญาณออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ของมิกเซอร์

ระดับสัญญาณอินพุตของออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ (LO) เป็นอีกพารามิเตอร์สำคัญที่ต้องพิจารณา และอาจเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกชุดมิกเซอร์หรือตัวมิกเซอร์เอง

ยิ่งระดับสัญญาณ LO สูงเท่าไร ก็ยิ่งสามารถรองรับระดับสัญญาณ RF ที่สูงขึ้นได้โดยไม่เกิดปัญหาเรื่องการบิดเบือน โดยทั่วไปแล้ว ระดับสัญญาณ LO ควรสูงกว่าสัญญาณ RF สูงสุดที่คาดการณ์ไว้ประมาณ 10 dB เพื่อให้มิกเซอร์ทำงานอยู่ในช่วงการทำงานเชิงเส้น

โดยทั่วไปแล้ว โมดูลมิกเซอร์มักถูกกำหนดระดับสัญญาณ LO ไว้หลายระดับ เช่น 7 dBm, 10 dBm, 17 dBm เป็นต้น ซึ่งบางครั้งอาจเรียกว่ามิกเซอร์ระดับ 7, ระดับ 10 หรือระดับ 17 ก็ได้ อาจมีค่าอื่นๆ ให้เลือกใช้สำหรับมิกเซอร์เหล่านี้ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน แต่ระดับเหล่านี้เป็นค่าที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

น่าเสียดายที่มิกเซอร์ที่ต้องการระดับ LO สูงมักจะมีราคาแพงกว่า และการขยายสัญญาณ LO ให้สูงขึ้นก็มักจะทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุน การรักษาระดับสัญญาณ LO ให้ต่ำที่สุดไม่เพียงแต่จะช่วยลดต้นทุน แต่ยังส่งผลให้มีการรั่วไหลของสัญญาณ LO ภายในระบบน้อยลงด้วย

ควรใช้งานมิกเซอร์เหล่านี้ที่ระดับ LO ใกล้เคียงกับกำลังขับที่ต้องการ หากใช้ระดับสูงกว่านี้ จะทำให้เกิดการรั่วไหลของสัญญาณ LO มากขึ้น และพารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพอื่นๆ อาจลดลง

หากระดับ LO ต่ำกว่าระดับที่ต้องการ ประสิทธิภาพก็จะลดลงอีก โดยทั่วไปแล้วจะทำให้เกิดการสูญเสียการแปลงเพิ่มขึ้น การใช้งานมิกเซอร์ที่มีระดับ LO ต่ำกว่าระดับที่ต้องการประมาณ 3 dB อาจทำให้การสูญเสียการแปลงเพิ่มขึ้นประมาณ 0.5 dB นอกจากนี้ ประสิทธิภาพด้านการบิดเบือนอินเตอร์โมดูเลชันลำดับที่สามอาจลดลงเล็กน้อย ซึ่งไม่น่าแปลกใจนัก เนื่องจากไดโอดจะไม่ถูกขับให้สวิตช์อย่างเต็มที่เท่าที่ควร

ข้อมูลจำเพาะจุดบีบอัด 1 dB ของมิกเซอร์

จุดบีบอัด 1 dB ของมิกเซอร์เป็นข้อกำหนดที่สำคัญมากเมื่อเกี่ยวข้องกับสัญญาณระดับสูง

มิกเซอร์ในอุดมคติจะทำงานแบบเชิงเส้น กล่าวคือ ทุกๆ การเพิ่มขึ้น 1 dB ของระดับสัญญาณ RF ขาเข้า สัญญาณขาออกจากพอร์ต IF ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย อย่างไรก็ตาม จะถึงจุดหนึ่งที่สัญญาณขาออกไม่สามารถเพิ่มขึ้นตามความสัมพันธ์เชิงเส้นได้ และเริ่มเกิดการอิ่มตัว จุดบีบอัด 1 dB คือจุดที่สัญญาณขาออกเบี่ยงเบนจากเส้นโค้งเชิงเส้นไป 1 dB กล่าวคือ ต่ำกว่าเส้นเชิงเส้นที่คาดการณ์ไว้ 1 dB โดยปกติแล้ว ข้อกำหนดจะระบุระดับกำลังไฟฟ้า RF ขาเข้าที่เกิดการบีบอัดนี้

จุดบีบอัด 1 dB นั้นวัดได้ง่าย และช่วยให้สามารถเปรียบเทียบประสิทธิภาพการทำงานในระดับสูงของมิกเซอร์แต่ละตัวได้อย่างมีประโยชน์ แน่นอนว่าสำหรับสัญญาณระดับสูง ยิ่งจุดบีบอัด 1 dB สูงเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น

จุดบีบอัด 1 dB นั้นเชื่อมโยงกับพารามิเตอร์อื่นๆ ของมิกเซอร์ด้วยเช่นกัน

ข้อมูลจำเพาะกำลังส่งสูงสุดของพอร์ต RF

ในการออกแบบวงจร RF ใดๆ อาจมีการจัดทำงบประมาณกำลังไฟฟ้าเพื่อแสดงระดับกำลังไฟฟ้าในแต่ละขั้นตอนของวงจร การทราบว่าระดับกำลังไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงอย่างไร มักจะทำให้สามารถกำหนดระดับกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่เข้าสู่พอร์ต RF ของมิกเซอร์ได้อย่างแม่นยำ

เมื่อทราบค่าตัวเลขนี้แล้ว การเลือกมิกเซอร์ที่ต้องการจึงทำได้ง่ายๆ โดยการเลือกมิกเซอร์ที่มีจุดบีบอัด 1 dB สูงกว่าค่านี้

สำหรับสัญญาณขาเข้าที่มีระดับสัญญาณผันผวนในช่วงกว้างมาก สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือต้องแน่ใจว่าระดับสัญญาณไม่เกินค่าที่ปลอดภัย ตัวอย่างเช่น ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งในเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมรุ่นเก่าบางรุ่นที่ไม่มีระบบป้องกันสัญญาณขาเข้าอัตโนมัติ คือ ความเสียหายของมิกเซอร์อินพุตเมื่อป้อนสัญญาณระดับสูงเข้ามา เนื่องจากวิศวกรลืมติดตั้งตัวลดทอนสัญญาณในวงจร

อัตราขยายหรือการสูญเสียจากการแปลง

อัตราขยายการแปลงสัญญาณของมิกเซอร์มีความสำคัญมากในการออกแบบวงจร RF สำหรับโครงการต่างๆ เนื่องจากจะเป็นตัวกำหนดระดับสัญญาณหลังจากผ่านมิกเซอร์ RF

อัตราขยายหรือการสูญเสียจากการแปลง หมายถึง อัตราส่วนระหว่างระดับสัญญาณเอาต์พุตที่ต้องการกับระดับสัญญาณอินพุต RF

จากภาพนี้จะเห็นได้ว่าระดับสัญญาณ LO ไม่ได้ปรากฏในรูปนี้ อัตราขยายการแปลงสัญญาณพิจารณาเฉพาะระดับสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่ต้องการเท่านั้น

อย่างที่คาดไว้ มิกเซอร์แบบพาสซีฟจะมีค่าการสูญเสียจากการแปลง ซึ่งขึ้นอยู่กับมิกเซอร์แต่ละรุ่น ค่าการสูญเสียอาจอยู่ที่ประมาณ 7 dB หรือมากกว่านั้น แต่ก็ขึ้นอยู่กับตัวมิกเซอร์เองเป็นอย่างมาก

โดยปกติแล้ว มิกเซอร์ RF แบบแอคทีฟจะมีอัตราขยายจากการแปลง และระดับของอัตราขยายนั้นขึ้นอยู่กับตัวมิกเซอร์เองเป็นอย่างมาก

ประเด็นหลักคือต้องทราบระดับของอัตราขยายหรือการสูญเสียจากการแปลง เพื่อที่จะสามารถดำเนินการที่เหมาะสมได้ตั้งแต่ขั้นตอนแรกสุดของการออกแบบวงจร RF

ช่วงความถี่

แม้ว่ามิกเซอร์ RF มักจะรองรับการทำงานแบบบรอดแบนด์ แต่ช่วงความถี่ที่ใช้งานจริงจะต้องครอบคลุมโดยมิกเซอร์นั้นด้วย เช่นเดียวกัน หากมิกเซอร์มีสเปกสูงเกินไปในแง่ของแบนด์วิดท์และ/หรือความถี่สูงสุด ต้นทุนอาจสูงกว่าที่ควรจะเป็น

โดยทั่วไปแล้ว แนวทางปฏิบัติที่ดีในการออกแบบวงจร RF ใดๆ ก็คือการเลือกมิกเซอร์ที่มีช่วงความถี่ครอบคลุมช่วงการทำงานที่ต้องการ

ถึงกระนั้น มิกเซอร์หลายตัวก็สามารถทำงานได้นอกเหนือช่วงความถี่ที่กำหนดไว้ แม้ว่าประสิทธิภาพจะลดลงบ้างเมื่อความถี่อยู่นอกช่วงการทำงานมากขึ้นก็ตาม

การแยกตัว

ระดับการแยกตัวระหว่างพอร์ตมักมีความสำคัญ และบ่งบอกถึงระดับการรั่วไหลระหว่างพอร์ตต่างๆ โดยปกติแล้วไม่จำเป็นต้องให้สัญญาณ RF และ LO รั่วไหลไปยังพอร์ต IF และหากสัญญาณ LO รั่วไหลไปยังพอร์ต RF ตัวอย่างเช่น อาจทำให้เกิดการบิดเบือนแบบอินเตอร์โมดูเลชันได้

อย่างที่คาดไว้ การแยกตัวจะวัดในหน่วยเดซิเบล โดยเปรียบเทียบสัญญาณที่ป้อนเข้าพอร์ตหนึ่งกับระดับสัญญาณเดียวกันที่ปรากฏที่อีกพอร์ตหนึ่ง

พบว่าการแยกตัวของมิกเซอร์มีแนวโน้มเสื่อมลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น เนื่องจากรีแอกแตนซ์ของความจุไฟฟ้าแฝงลดลง และความไม่สมดุลของวงจรก็ปรากฏชัดเจนมากขึ้นด้วย

จุดตัดลำดับที่สาม (IP3) และการบิดเบือนอินเตอร์โมดูเลชันลำดับที่สาม

ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งของมิกเซอร์ RF ใดๆ ก็คือระดับของสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ที่เกิดขึ้นในกระบวนการผสมสัญญาณ ความไม่เป็นเชิงเส้นภายในมิกเซอร์ทำให้เกิดสัญญาณเพิ่มเติม และสัญญาณเหล่านี้อาจก่อให้เกิดปัญหาได้หลายวิธี ขึ้นอยู่กับการออกแบบวงจรหรือระบบที่ใช้งาน

จุดตัดลำดับที่สามของมิกเซอร์ (หรือแอมพลิฟายเออร์) คือจุดสมมุติฐานที่กำลังของผลคูณลำดับที่สามจะมีระดับเท่ากับกำลังของสัญญาณพื้นฐาน

จุดตัดลำดับที่สามของมิกเซอร์หรืออุปกรณ์อื่นๆ นั้นเป็นเพียงทฤษฎี เนื่องจากอยู่สูงเกินระดับความอิ่มตัวของอุปกรณ์ และในหลายกรณีจะอยู่ไกลเกินจุดที่เกิดความเสียหาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของมิกเซอร์

เหตุผลที่ค่า IP3 มีประโยชน์ก็คือ มันเป็นตัวชี้วัดคุณภาพที่ดีสำหรับการบิดเบือนที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์เมื่อระดับกำลังเพิ่มสูงขึ้น

สามารถกำหนดจุด IP3 สำหรับพอร์ตอินพุตหรือพอร์ตเอาต์พุตก็ได้

มีสองวิธีหลักในการกำหนดจุดตัด:

✦ โดยพิจารณาจากผลิตภัณฑ์อินเตอร์โมดูเลชัน: วิธีที่ใช้กันทั่วไปในการกำหนดค่า IP3 ของมิกเซอร์ RF คือการป้อนสัญญาณคลื่นไซน์สองสัญญาณที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อยเข้าไปในมิกเซอร์

ผลิตภัณฑ์การบิดเบือนอินเตอร์โมดูเลชันที่เห็นได้จากเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม

สเปกตรัมของผลิตภัณฑ์อินเตอร์โมดูเลชันจากสองสัญญาณ

ผลิตภัณฑ์อินเตอร์โมดูเลชันจะปรากฏขึ้นที่ระยะห่างจากสัญญาณอินพุต และสามารถวัดระดับได้ ส่วนผลิตภัณฑ์ลำดับที่สามจะปรากฏขึ้นที่ระยะห่างจากสัญญาณทั้งสองเป็นสามเท่าของระยะห่างความถี่ระหว่างสัญญาณทั้งสอง

✦ โดยอาศัยฮาร์มอนิกส์: วิธีการทางเลือกอีกวิธีหนึ่งคือการใช้สัญญาณเดียว จากนั้นผลิตภัณฑ์จะปรากฏที่ค่าทวีคูณของความถี่อินพุต ผลิตภัณฑ์ลำดับที่สามจะอยู่ที่สามเท่าของความถี่พื้นฐาน

จุดตัดลำดับที่สามของสัญญาณขาเข้ามักถูกกำหนดให้เป็น IIP3 และจุดตัดลำดับที่สามของสัญญาณขาออกจะถูกกำหนดให้เป็น OIP3 จุดตัดเหล่านี้มีระดับแตกต่างกันในปริมาณที่เท่ากับอัตราขยาย (หรือการสูญเสีย) ของสัญญาณขนาดเล็กของมิกเซอร์

การเลือกใช้มิกเซอร์ RF สำหรับการออกแบบวงจร RF ใดๆ ก็ตาม สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำงาน ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของมิกเซอร์นั้นตรงกับความต้องการของการออกแบบ RF นั้นๆ ในแง่ของประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม พารามิเตอร์ทางกลและตัวเชื่อมต่อ ตลอดจนแง่มุมต่างๆ เช่น รูปแบบเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิวสำหรับการติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์และการผลิตขนาดใหญ่ เป็นต้น

โดยปกติแล้ว การเลือกมิกเซอร์ที่เหมาะสมนั้นต้องพิจารณาถึงความสมดุลระหว่างแง่มุมต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า แง่มุมทางกล และต้นทุน ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป แต่หากเข้าใจถึงข้อกำหนดและผลกระทบที่มีต่อประสิทธิภาพโดยรวมของการออกแบบวงจร RF แล้ว ก็จะสามารถเลือกจุดลงตัวที่เหมาะสมได้

Related articles