Mélangeurs et Multiplicateurs de fréquences

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J'ai regroupé sous ce chapitre deux notions qui sont le mélange et la multiplication car ces deux thèmes font appel à la non linéarité (voulue).
Le multiplicateur de fréquences :
Pourquoi multiplier les fréquences ? Vous vous doutez bien que cela correspond à un besoin. Prenons un exemple simple. Pour réaliser un émetteur récepteur 432 MHz, j'ai besoin d'un oscillateur stable sur 288 MHz qui sera mélangé avec du 144MHz.

Plusieurs possibilités de construction sont envisageables :
  • oscillation directe, inconcevable, la stabilité ne sera pas assurée
  • à quartz direct, pas possible, les quartz ne montent pas à cette fréquence
  • à PLL (synthèse de fréquence), bien mais trop complexe pour produire une seule fréquence.
  • à quartz + chaîne multiplicatrice, c'est la bonne option.
Principe :
Le principe est simple, on démarre par un oscillateur à quartz, son oscillation sera très stable, typiquement 5 à 10 ppm pour un quartz bon marché. On applique ensuite cette oscillation à des éléments non linéaires qui vont générer des harmoniques qui comme chacun le sait sont des multiples entiers de la fréquence originelle
Grâce à des circuits accordés, nous récupérerons l'harmonique dont le rang nous intéresse, nous utiliserons un ou plusieurs  étages et il nous restera à amplifier le résultat et à lui procurer par un étage intermédiaire l'isolation voulue.
Ces chaînes multiplicatrices sont très utilisés par les radioamateurs, plus particulièrement quand il s'agit d'émetteurs et récepteurs fonctionnant en UHF, SHF ou EHF.

Voici ci-dessus un exemple de chaîne multiplicatrice. On utilise un quartz de 24 MHz et l'on récupère l'harmonique 3 ce qui nous donne du 72 MHz. Le 72 MHz est mis en évidence par un circuit accordé dans le collecteur du transistor amplificateur. L'énergie prélevée par un enroulement de couplage sur ce circuit accordé est ensuite transmise à un étage doubleur qui est lui aussi constitué d'un transistor. Pour mettre en évidence l'harmonique 2, on place dans son collecteur un circuit accordé
sur la fréquence de H2, à savoir 144 MHz.
L'énergie est de nouveau prélevée par un enroulement secondaire couplé magnétiquement au circuit accordé et envoyée vers un autre doubleur de fréquence 		 qui constituera le dernier étage de cette chaîne multiplicatrice. Comme pour les autres étages, on placera un circuit accordé sur H2 soit 288 MHz qui permettra de sélectionner l'harmonique du rang voulu.
Le mélangeur :
Tout circuit non linéaire auquel on applique deux signaux sinusoïdaux  F1 et F2 fournit en sortie le spectre suivant :
F1 , 2F1 , 3F1 , ... nF1
F2 , 2F2 , 3F2 , ... nF2
F1 + F2
F1 - F2
et une combinaison de produits d'intermodulation comme
2F1 - F2 et 2F2 - F1 pour le 3ème ordre
3F1 - 2F2 et 3F2 - 2F1 pour le 5ème ordre etc.
Donc le principe général sera le suivant, un élément actif ou pas sera utilisé, on lui injectera les deux fréquences à mélanger et on positionnera un filtre en sortie pour éliminer la composante somme ou différence et mettre en évidence celle qui nous intéresse.
Quelques explications concernant ceci :
On retrouve en sortie les harmoniques de rang 1,2,3 ,n des deux fréquences présentes à l'entrée. Le rang et l'amplitude sont dépendants du montage utilisé.
Plus intéressant pour nous, nous retrouvons une fréquence somme et une fréquence différence et c'est justement ce couple de fréquences qui nous intéresse.
Exemple pratique :
Nous polarisons de manière idoine un transistor et lui appliquons une fréquence F1 de 14 MHz et une fréquence F2 de 5 MHz. Que retrouvons-nous en sortie ? On retrouve F1, F2 les harmoniques liés à F1 et F2 et du 19 MHz (14+5) et du 9 MHz (14-5)

Pourquoi mélanger ?
Parce que nous en avons besoin aurait répondu M.de La Palisse, car nous en avons sérieusement besoin du mélange. Dans tous les émetteurs-récepteurs, à de rares exceptions près, il y a au moins un mélange de fréquence. Le concept superhétérodyne des récepteurs depuis au moins 1935 utilise un mélangeur, certaines modulations ne sont possible que grâce au mélangeur, la détection des mêmes signaux ne se fait que parce qu'on utilise un mélangeur. C'est un élément indispensable.
Nous allons voir comment fonctionne un mélangeur : 
Il n' y a rien de compliqué, et quand vous aurez compris son fonctionnement, les mélangeurs n'auront plus de secrets pour vous.
Voici le synoptique. Ce mélangeur est dit en anneau et équilibré. Ce type de technologie est utilisée pour ne retrouver en sortie que la somme et la soustraction des fréquences d'entrées, seul le montage symétrique permet cela. c'est très théorique car des dissymétries sont inévitables mais les autres produits sont très atténués.
Il y a deux entrées (en pratique, il n'y en a qu'une seule) car on doit injecter le signal B déphasé de 180° par rapport au signal A ce qui se réalise aisément avec un transformateur dont le point milieu est relié à la masse. Le transformateur est inclus dans le boîtier du mélangeur, ce qui fait qu'il n'y a qu'une seule entrée vue par l'utilisateur.
Même chose pour l'entrée VFO de notre exemple.

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Voyons ce qui se passe au niveau de signaux :
Petite explication préalable: Le signal RF va donc être scindé en deux signaux identiques mais en opposition de phase (180°), nous ferons la même chose pour le signal noté VFO. (le VFO est l'oscillateur variable dont vous tournez le bouton pour rechercher les stations sur votre récepteur). Le signal VFO représenté par des signaux carrés, va permettre le passage ou pas vers la sortie du signal RF. Le VFO agira sur le signal RFA et le VFO B sur le signal RF B. Quand le signal VFO sera à l'état haut (1) le signal RF pourra transiter, quand le signal VFO sera à l'état bas (0) le signal RF ne pourra pas transiter vers la sortie. Il n' a rien d'autre, nous avons simplement affaire à un aiguillage.
La sortie représente la somme des signaux autorisés par les commutations du VFO à transiter et pour vous en convaincre, il vous suffit d'additionner graphiquement RFA et RFB en fonction de l'état de VFO A et B.
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Quand les signaux VFO et RF  sont de même fréquence et même phase, la sortie vaut RF + VFO, c'est la résultante somme.
La résultante différence vaut 0 puisque les fréquences sont identiques et n'apparaît pas bien sur.


 

 


Le signal RF et le signal VFO sont toujours de même fréquence mais cette fois déphasés de 90° d'écart.
Ce signal ne nous intéresse toujours pas, le niveau moyen = 0 (la somme des aires au dessus de l'axe est égale à la somme des aires sous l'axe.




Nous avons maintenant le signal VFO différent du signal RF.on voit clairement que le signal de sortie, qui contient toujours une composante HF somme est modulé par une composante qui est la différence VFO - RF. Il suffira de filtrer pour extraire pour la composante somme ou différence par un circuit accordé sur la fréquence voulue.
Et voilà, c'est tout. Bien sur, on arrive au même résultat avec des tonnes de sinus et cosinus, il me semble que la méthode graphique est plus intuitive.
Technologie des mélangeurs à diodes :
le mélangeur que nous venons d'étudier est un double mélangeur équilibré. Il contient essentiellement quatre diodes de commutation rapides à bas niveau de seuil (Schottky) et deux transformateurs à point milieu. Leurs rôles consistent à déphaser de 180° les deux signaux à mélanger.
Ce type de mélangeur est certainement ce qui se fait de mieux, en revanche il est affecté de quelques petits défauts.
1 - le facteur de bruit; ce type de mélangeur à diodes introduit une perte du signal de 8 à 10 dB qu'il faudra compenser par de l'amplification.
2 - pour obtenir les meilleures caractéristiques, il faut lui fournir un signal OL (oscillation locale) puissant, typiquement 10 dBm et plus pour les modèle haut niveau. 10 dBm représentent 10 mW.
3 - pour offrir les meilleures performances, ces mélangeurs demandent d'être chargés par les impédances définies par le constructeur à savoir 50 W, ce qui n'est pas toujours simple à réaliser.
Schéma interne du mélangeur à diodes :
mel13.gif (2332 octets) Voici comment c'est fait. On le retrouve sous forme d'un boîtier à 8 broches, les références les plus connues aujourd'hui sont le MCL1, SBL1, SRA1 etc. Ils sont compatibles broche pour broche et coûtent environ 45F. Ils peuvent mélanger des signaux jusqu'à 500 MHz dans la gamme courante.
Certains modèles notés H pour "high" offrent de meilleures performances d'intermodulation et demandent 17 dBm sur la porte OL.
Les mélangeurs à transistors :
On peut réaliser un mélangeur en utilisant seulement un transistor. C'est tout à fait applicable pour un émetteur ou un récepteur mais pas n'importe où car ce type de mélangeur a des caractéristiques d'intermodulation fortement dégradées par rapport au mélangeur à diodes. En clair ceci signifie que l'on retrouvera en sortie les signaux F1, F2 , F1 + F2, F1 - F2,  2F1-F2 et 2F2 - F1 (revoir le chapitre distorsion pour de plus amples explications sur l'intermodulation).

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 Voici un exemple de mélangeur à FET. Le signal F1 est envoyé sur la gate tandis que le signal F2 est injecté sur la source. On retrouve toutes nos fréquences (celles que l'on veut et les autres...) sur le drain qui comporte un circuit accordé.
Ce schéma est transposable naturellement aux transistors bipolaires.

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 Un autre exemple de mélangeur réalisé avec un MosFet. Un signal est envoyé sur G1 tandis que le second est appliqué à G2.
C'est un montage que l'on retrouve fréquemment dans la littérature amateur.
Ces mélangeurs si l'on oublie leurs défauts ont une qualité, ils ont du gain de conversion car on utilise un montage amplificateur. Retenez néanmoins que cet avantage est minime en comparaison de leurs faiblesses
 Vous aurez l'occasion du cours de votre vie de radioamateur de travailler sur les mélangeurs et autres multiplicateurs, pour le moment passons à la suite...



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