Een mengtrap zet een radiosignaal om naar een andere frequentie door het te combineren met een lokaal opgewekt oscillatorsignaal. Daarbij ontstaan onder meer een som- en een verschilfrequentie. Een filter kiest vervolgens de bruikbare component. Zo kunnen ontvangers zwakke zenders selecteren en kunnen zenders een gemoduleerd signaal naar de gewenste uitzendfrequentie verplaatsen.
Waarom een radio frequenties mengt
Rechtstreekse versterking op iedere ontvangstfrequentie klinkt eenvoudig, maar stelt hoge eisen aan filters en versterkers. Een ontvanger voor meerdere banden zou voortdurend van eigenschappen moeten veranderen terwijl aan de afstemknop wordt gedraaid. Door het gekozen station eerst naar een vaste tussenfrequentie om te zetten, kan een groot deel van de ontvanger op één nauwkeurig bepaalde frequentie werken. Daar zijn smalle filtering, stabiele versterking en demodulatie veel beter beheersbaar.
De mengtrap is daarom geen detector die alleen vaststelt dat er een radiosignaal aanwezig is. Het onderdeel verplaatst een volledig stuk spectrum, inclusief de modulatie waarin spraak, muziek of digitale gegevens zijn vastgelegd. De frequentie verandert, maar de onderlinge afstanden tussen draaggolf en zijbanden blijven behouden zolang filters en versterkers voldoende bandbreedte hebben. Een goed ontworpen omzetting bewaart dus de informatie en maakt de verdere verwerking eenvoudiger.
Som en verschil
Voor frequentieomzetting ontvangt de mengtrap twee signalen: het zwakke radiofrequente signaal en een sterker signaal van de lokale oscillator. Stel dat een ontvanger een station op 100 MHz mengt met een oscillator op 110,7 MHz. Aan de uitgang verschijnen dan componenten op 10,7 MHz en 210,7 MHz. Een filter voor 10,7 MHz laat de verschilfrequentie door en verzwakt de somfrequentie en andere ongewenste producten.
Het voorbeeld lijkt op aftrekken, maar de schakeling voert geen gewone rekenbewerking uit. De twee spanningen beïnvloeden elkaar in een niet-lineair onderdeel of in snel schakelende transistoren. Daardoor ontstaan nieuwe ritmes die overeenkomen met de som en het verschil van de aangelegde frequenties. Een lineair onderdeel, zoals een ideale weerstand, telt signalen alleen bij elkaar op en kan deze nieuwe frequenties niet vormen.
Werkelijke mengers leveren meer dan twee nieuwe componenten. Diodes en transistoren zijn niet ideaal, terwijl een schakelende oscillator naast zijn grondfrequentie ook harmonischen bevat. De uitgang kan daardoor combinaties bevatten van veelvouden van de radiofrequentie en oscillatorfrequentie. Filters, balancering en een doordacht frequentieplan moeten voorkomen dat zo’n bijproduct in het gewenste kanaal belandt.
De mengtrap in ontvanger en zender
De superheterodyne ontvanger
In een superheterodyne ontvanger passeert het antennesignaal eerst een ingangskring of preselector. Die laat het gewenste frequentiegebied door en onderdrukt sterke signalen daarbuiten. Daarna volgen vaak een hoogfrequentversterker en de mengtrap, die het geselecteerde gebied naar een vaste tussenfrequentie verplaatst. Een tussenfrequentiefilter bepaalt vervolgens een groot deel van de kanaalselectiviteit, waarna versterking en demodulatie het hoorbare of digitale signaal opleveren.
De lokale oscillator moet bij het afstemmen in de pas lopen met de gewenste ontvangstfrequentie. Hij kan boven of onder het gekozen station liggen, zolang het verschil gelijk blijft aan de tussenfrequentie. Bij een vaste tussenfrequentie van 10,7 MHz hoort bij ontvangst op 100 MHz bijvoorbeeld een oscillator op 110,7 MHz of 89,3 MHz. De keuze beïnvloedt waar spiegelontvangst en andere mengproducten terechtkomen.
Veel ontvangers gebruiken twee omzettingen. De eerste, relatief hoge tussenfrequentie maakt het gemakkelijker om een ongewenste spiegel ver van het gekozen kanaal te houden. De tweede, lagere tussenfrequentie maakt smalle kanaalfilters eenvoudiger te realiseren. Moderne digitale ontvangers voeren een deel van deze selectie in software uit, maar ook daar blijven analoge voorselectie en een passend frequentieplan nodig om overbelasting vóór de omzetting te voorkomen.
Directe conversie en lage tussenfrequentie
Bij directe conversie staat de lokale oscillator op of vlak bij de draaggolffrequentie. De mixer brengt het ontvangen kanaal meteen naar het hoorbare gebied of naar een complexe basisband voor digitale verwerking. De opbouw kan compact zijn en vermijdt een klassieke tussenfrequentieketen. Daar staan gevoeligheid voor gelijkspanningsfouten, oscillatorlekkage, laagfrequente transistorruis en ongewenste signalen rond het nulpunt tegenover.
Een lage tussenfrequentie vormt een middenweg. Het kanaal komt niet precies op nul terecht, waardoor enkele problemen van directe conversie afnemen. Er ontstaat wel opnieuw een spiegel die moet worden onderdrukt met analoge filtering, twee mengpaden of digitale verwerking. Softwaregedefinieerde radio’s gebruiken vaak twee kanalen die negentig graden in fase verschillen, aangeduid als I en Q, om frequentierichting en zijbanden van elkaar te kunnen onderscheiden.
Omzetting in een zender
In een zender verloopt het proces de andere kant op. Een laagfrequent of tussenfrequent signaal met de gewenste modulatie wordt gemengd met een lokale oscillator en zo naar de uitzendband verplaatst. Wanneer 10,7 MHz met 144,3 MHz wordt gemengd, ontstaan onder meer 133,6 MHz en 155 MHz. Een banddoorlaatfilter kiest 155 MHz en onderdrukt de andere component, de oscillatorlekkage en hogere mengproducten voordat de eindversterker volgt.
Filtering na de mixer is bij zenden niet vrijblijvend. Ongewenste producten die de eindversterker bereiken, kunnen worden mee versterkt en buiten de toegestane band terechtkomen. De eindtrap mag bovendien niet worden gebruikt als vervanging voor een schoon mixersignaal, want niet-lineariteit kan daar extra producten toevoegen. Metingen aan een kunstbelasting en geschikte verzwakkers horen daarom bij de afregeling van een zelfgebouwde zenderketen.
Hoe een mengtrap wordt opgebouwd
Diodes als schakelende elementen
Een eenvoudige mixer kan met één diode worden gemaakt, maar zo’n schakeling laat veel oscillator- en ingangssignaal door. Twee of vier diodes in een gebalanceerde opstelling bieden een betere scheiding tussen de aansluitingen. De double-balanced diodering gebruikt gewoonlijk vier diodes en twee transformatoren of baluns. De oscillator schakelt afwisselend diodeparen, waardoor het radiosignaal periodiek van polariteit verandert en de gewenste frequentieomzetting ontstaat.
Een passieve diodemixer heeft geen gelijkspanningsvoeding nodig voor zijn mengkern en verdraagt vaak sterke ingangssignalen. Hij levert echter geen versterking en vraagt voldoende oscillatorvermogen om de diodes overtuigend te schakelen. In een eenvoudig ideaal model gaat bij de gewenste omzetting bijna 4 dB verloren; echte transformatoren, diodes en aanpassingsnetwerken voegen extra verlies toe. Een versterker voor of na de mixer moet dat verlies opvangen zonder de ontvanger gemakkelijk te laten oversturen.
Transistoren en actieve mengers
Actieve mengers gebruiken transistoren om omzetting en versterking te combineren. Een veel toegepaste opbouw zet het ingangssignaal eerst om in een variërende stroom en schakelt die stroom vervolgens met de lokale oscillator. De Gilbert-cel is de klassieke gebalanceerde uitvoering van dit beginsel. Zij past goed in geïntegreerde schakelingen en kan met minder oscillatorvermogen werken dan een traditionele hoog-niveau diodering.
Conversiewinst is aantrekkelijk, maar maakt een actieve mixer niet automatisch beter. De transistoren voegen ruis toe, gebruiken voedingsvermogen en bereiken bij sterke signalen hun lineaire grens. Een goedkope laagvermogenmixer kan prima voldoen in een eenvoudige ontvanger, terwijl hij in een drukke kortegolfband last krijgt van grote signalen buiten het gekozen kanaal. De keuze hangt daarom af van gevoeligheid, stroomverbruik, beschikbare filtering en gewenste groot-signaalvastheid.
Productdetector en IQ-mixer
Een productdetector is een mixer die een gemoduleerd signaal met een passende referentie naar het audiogebied omzet. Bij enkelzijbandmodulatie, meestal SSB genoemd, vult de referentie de ontbrekende draaggolf aan; bij CW maakt een klein frequentieverschil de draaggolf als toon hoorbaar. Staat de referentie verkeerd, dan verschuift de toonhoogte en kan spraak onnatuurlijk klinken. Stabiliteit en nauwkeurige afstemming zijn daarom direct hoorbaar aan de ontvangeruitgang.
Een IQ-mixer gebruikt twee gelijkwaardige mengpaden met een faseverschil van negentig graden. De twee uitgangen bevatten samen informatie over amplitude én fase, waardoor software positieve en negatieve frequenties kan onderscheiden. Daarmee kunnen een spiegel of ongewenste zijband worden onderdrukt zonder een uitzonderlijk steil analoog filter. Kleine verschillen in versterking, fase of looptijd beperken de onderdrukking, zodat kalibratie bij hoge eisen noodzakelijk wordt.
Spiegelontvangst en andere ongewenste producten
Een gewone mixer reageert op het verschil tussen radiofrequentie en oscillatorfrequentie, ongeacht aan welke kant van de oscillator het signaal ligt. Bij een oscillator van 110,7 MHz leveren zowel 100 MHz als 121,4 MHz een verschil van 10,7 MHz. Het tweede signaal heet de spiegel en verschijnt na omzetting op dezelfde tussenfrequentie als het gekozen station. Vanaf dat moment kan een gewoon tussenfrequentiefilter de twee niet meer uit elkaar halen.
De afstand tussen het gewenste signaal en de spiegel bedraagt bij deze opzet tweemaal de tussenfrequentie. Een hogere eerste tussenfrequentie legt de spiegel verder weg en geeft de ingangskring meer ruimte om haar te verzwakken. Een lage tussenfrequentie maakt juist een smal kanaalfilter gemakkelijker. Ontwerpers lossen die spanning op met dubbele conversie, een meeloopfilter aan de ingang of een IQ-schakeling die de ongewenste frequentierichting onderdrukt.
Naast de spiegel bestaan mengproducten van hogere orde. Een sterk omroepstation ver buiten de amateurband kan via een combinatie met een oscillatorharmonische toch in de ontvanger verschijnen. Twee sterke signalen kunnen bovendien samen nieuwe componenten vormen die dicht bij een zwak gewenst station liggen. Alleen kijken naar de som- en verschilfrequentie is daarom onvoldoende; ook harmonischen, intermodulatie en oscillatorlekkage moeten binnen het volledige afstembereik worden onderzocht.
Welke prestaties werkelijk tellen
Conversieverlies, versterking en ruis
Conversieverlies geeft bij een passieve mixer aan hoeveel lager het gewenste uitgangsvermogen is dan het aangeboden ingangsvermogen. Een verlies van 6 dB betekent dat een ingangssignaal van min 80 dBm als ongeveer min 86 dBm verschijnt, afgezien van verliezen elders. Een actieve mixer kan conversiewinst leveren en dus een hoger uitgangsniveau produceren. De meetwaarde is alleen bruikbaar wanneer frequenties, oscillatorniveau, impedanties en gekozen uitgangsproduct erbij zijn vermeld.
Het ruisgetal beschrijft hoeveel de signaal-ruisverhouding door een schakeling verslechtert. Bij een mixer vraagt dat extra aandacht, omdat ruis aan beide kanten van de lokale oscillator naar dezelfde tussenfrequentie kan worden verplaatst. Een meting met één bruikbare zijband kan daardoor een andere uitkomst geven dan een meting waarbij beide zijbanden meetellen. Voor een ontvangerontwerp moeten de gebruikte definitie en de aanwezige spiegelonderdrukking dus bekend zijn.
Meer versterking vóór de mixer verlaagt niet zonder meer alle problemen. Zij kan de invloed van het mixerruisgetal op de hele ontvanger verkleinen, maar maakt ook sterke signalen groter voordat ze de mengtrap bereiken. Een preselector die ongewenste zenders onderdrukt, is vaak doeltreffender dan nog een breedbandige versterker toevoegen. Gevoeligheid en groot-signaalgedrag moeten als één ontvangereigenschap worden beoordeeld.
Compressie en intermodulatie
Het 1 dB-compressiepunt geeft aan bij welk ingangsniveau de uitgang één decibel achterblijft bij de verwachte lineaire groei. Boven dat gebied worden sterke signalen vervormd en kan de omzetting van zwakke signalen veranderen. Het getal ligt bij de ingang of uitgang, afhankelijk van de datasheet. Zonder de aanduiding input of output kan een vergelijking tussen twee mixers flink misgaan.
Het derde-orde-interceptpunt, meestal IP3 genoemd, schat hoe gevoelig een mixer is voor intermodulatie door twee sterke tonen. De ongewenste derde-ordeproducten groeien sneller dan de gewenste uitgangstonen en kunnen midden in de ontvangstband vallen. IP3 is een doorgetrokken theoretisch snijpunt, geen veilig werkvermogen. Een hoger ingangs-IP3 wijst doorgaans op beter gedrag bij sterke naburige signalen, mits de overige meetvoorwaarden gelijk zijn.
Isolatie en oscillatorlekkage
Een mixer heeft aansluitingen voor RF, oscillator en tussenfrequentie, maar die poorten zijn nooit volkomen van elkaar gescheiden. Oscillatorenergie kan teruglekken naar de antenne, terwijl radiofrequentie rechtstreeks de tussenfrequentieketen kan bereiken. Goede balans vermindert deze koppeling, maar kleine verschillen tussen onderdelen en printbanen laten altijd een restant over. Buffertrappen, afscherming, filters en een symmetrische printindeling helpen de lekkage verder terug te brengen.
Oscillatorlekkage kan meer doen dan een ongewenst lijntje op de spectrumanalysator veroorzaken. Het signaal kan in een voorafgaande versterker worden teruggekaatst, in een andere trap opnieuw mengen of bij directe conversie een gelijkspanningsfout opwekken. Een ontvanger kan zelfs zwak stralen via de antenne. De fysieke afstand tussen oscillator en gevoelige ingang verdient daarom evenveel aandacht als het schakelschema.
Ontwerpen en bouwen zonder verrassingen
Begin met het frequentieplan
Een mengtrap wordt gekozen nadat het frequentieplan is vastgelegd. Nodig zijn het afstembereik, de tussenfrequentie, de kanaalbreedte, het bereik van de lokale oscillator en de niveaus van verwachte stoorsignalen. Bereken voor de uiterste afstemfrequenties waar spiegels, somproducten en lage-ordecombinaties terechtkomen. Zo wordt vroeg duidelijk welke producten met filters zijn te verwijderen en welke rechtstreeks in het gewenste kanaal vallen.
De beste oscillatorzijde is niet altijd dezelfde over een breed bereik. Een keuze boven het ontvangstsignaal kan een storend product in de ene band vermijden, maar het in een andere band juist dichterbij brengen. Ook de afstembaarheid en faseruis van de oscillator spelen mee. Ruis vlak naast een sterke oscillator kan sterke stations als een brede ruisrok over zwakke kanalen uitsmeren, zelfs wanneer de mixer zelf voldoende lineair is.
Aanpassing, filtering en printontwerp
Een aansluiting met het opschrift RF is niet vanzelf precies 50 ohm. Vooral geïntegreerde mengers kunnen differentiële of frequentieafhankelijke impedanties hebben en vragen om een transformator of afgestemd netwerk. Een slechte aanpassing kost signaal, verandert de opgegeven conversie en kan de onderdrukking van ongewenste producten verslechteren. Raadpleeg daarom de impedantiegegevens voor de werkelijk gebruikte RF-, oscillator- en tussenfrequenties.
Plaats de preselector vóór de mixer en het tussenfrequentiefilter dicht bij de uitgang. Houd oscillatorbanen kort en weg van de antenne-ingang, gebruik een aaneengesloten massavlak en ontkoppel iedere actieve trap lokaal. In een gebalanceerde schakeling moeten beide helften elektrisch en geometrisch zoveel mogelijk gelijk zijn. Lange draden en een willekeurige experimenteerprint kunnen op korte golf al onverwachte koppeling veroorzaken; op VHF en UHF worden millimeters merkbaar.
Een balun zet een ongebalanceerde aansluiting om in twee tegengestelde signalen en kan tegelijk de impedantie transformeren. Hij verricht de menging niet zelf, maar bepaalt wel mede de balans, bandbreedte en verliezen van een diode- of transistormixer. Een willekeurige ferrietkern of breedbandtransformator is daarom geen neutraal onderdeel. Materiaal, wikkelverhouding, lekinductie en parasitaire capaciteit moeten bij het frequentiegebied passen.
Meten en fouten opsporen
Een eerste test gebruikt een bekende radiofrequente toon, een lokale oscillator op het voorgeschreven niveau en een ontvanger of spectrumanalysator aan de uitgang. Meet eerst het niveau van beide bronnen en daarna het gewenste omzettingsproduct. Kabels, verzwakkers, baluns en filters hebben eigen verliezen die van het resultaat moeten worden afgetrokken. Controleer tegelijk of de oorspronkelijke signalen en hogere producten voldoende zijn onderdrukt.
Voor een betrouwbare lineariteitsmeting zijn twee schone, dicht bij elkaar gelegen ingangstonen nodig. Beide generatoren moeten van elkaar worden geïsoleerd, anders kunnen zij onderling intermodulatie maken voordat de mixer wordt bereikt. Het uitgangsspectrum toont vervolgens de gewenste tonen en de derde-ordeproducten. Wie slechts één generator bezit, kan nog wel conversieverlies, compressie en oscillatorlekkage onderzoeken, maar geen zuivere IP3-meting uitvoeren.
Een veelvoorkomende fout is meten met de verkeerde belasting. Passieve mengers reageren sterk op wat de uitgang bij de tussenfrequentie en bij ongewenste producten ziet. Ook een oscillator met te weinig vermogen veroorzaakt extra verlies en slechte isolatie; te veel vermogen kan diodes, transistoren of meetapparatuur beschadigen. Gebruik bij zendproeven een kunstbelasting en voldoende verzwakking, en controleer het maximaal toegestane ingangsniveau van iedere meetpoort vóór het inschakelen.
De aard van een storing geeft vaak al richting. Een tweede station op dezelfde tussenfrequentie wijst op onvoldoende spiegelonderdrukking, terwijl veel gelijkmatig verdeelde lijnen eerder bij oscillatorharmonischen of slechte afscherming passen. Vervorming bij sterke buren past bij compressie of intermodulatie. Verandert het probleem wanneer een metalen afscherming wordt geplaatst of een kabel wordt verlegd, dan speelt ongewenste koppeling waarschijnlijk een grotere rol dan de berekende schakeling.
Mengtechniek in moderne radio’s
Digitale signaalverwerking heeft de mengtrap niet overbodig gemaakt. Veel ontvangers zetten het antennesignaal eerst analoog om naar een bereik dat de analoog-digitaalomzetter aankan. Daarna kan een digitale oscillator dezelfde frequentieverschuiving met getallen uitvoeren, gevolgd door digitale filtering en decimatie. De wiskundige gedachte blijft gelijk, terwijl nauwkeurigheid en herhaalbaarheid in het digitale deel veel beter te regelen zijn.
Snelle omzetters maken rechtstreekse bemonstering van steeds hogere banden mogelijk, maar hun dynamisch bereik blijft begrensd. Een sterk signaal buiten het gekozen kanaal kan de omzetter oversturen voordat software het wegfiltert. Analoge preselectie, verzwakking en versterkingsregeling blijven daardoor nodig. Een breedbandige SDR zonder passend ingangsfilter kan op papier een groot bereik hebben en aan een echte antenne toch slechter presteren dan een smallere ontvanger.
Mixer-first ontvangers plaatsen een schakelende mengtrap zeer vroeg in de signaalketen. Een netwerk aan de lage-frequentiezijde kan via die schakeling als selectieve belasting aan de antennezijde verschijnen. Dat biedt afstembare voorselectie zonder een traditionele reeks smalle RF-filters, maar stelt hoge eisen aan kloksignalen, schakelweerstand en onderdrukking van harmonische responsen. Voor zelfbouw blijft het vooral een blik op de richting waarin geïntegreerde ontvangers zich ontwikkelen.
Conclusie
Een mengtrap is een gecontroleerde frequentieverplaatser en geen eenvoudige optelschakeling. Zij behoudt de modulatie, maar produceert naast het gewenste resultaat ook spiegels, harmonischen, oscillatorlekkage en intermodulatie. De kwaliteit van een radio hangt daarom niet alleen af van het gekozen mengeronderdeel. Frequentieplan, filters, oscillator, impedantieaanpassing en fysieke bouw bepalen gezamenlijk wat uiteindelijk hoorbaar of meetbaar wordt.
Voor de zendamateur begint een geslaagd ontwerp met rekenen aan gewenste en ongewenste frequenties, gevolgd door bouwen en meten onder bekende omstandigheden. Een passieve diodering, actieve transistorcel of IQ-mixer kan elk de juiste keuze zijn wanneer de toepassing erbij past. Wie alleen naar conversiewinst kijkt, mist ruis, groot-signaalgedrag en isolatie. Juist de samenhang tussen die eigenschappen maakt mengtechniek tot een van de leerzaamste onderdelen van de radio.
Bronnen en meer informatie
- Maas, Stephen A. (1993). Microwave Mixers. Second Edition. Artech House. ISBN 0-89006-605-1.
- Hayward, Wes, Rick Campbell en Bob Larkin (2003). Experimental Methods in RF Design. American Radio Relay League. ISBN 978-0-87259-923-9.
- Razavi, Behzad (2012). RF Microelectronics. Second Edition. Prentice Hall. ISBN 978-0-13-713473-1.
- Gilbert, Barrie (1968). A Precise Four-Quadrant Multiplier with Subnanosecond Response. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 3(4), 365-373. DOI 10.1109/JSSC.1968.1049925.
- Friis, Harald T. (1944). Noise Figures of Radio Receivers. Proceedings of the IRE, 32(7), 419-422. DOI 10.1109/JRPROC.1944.232049.
