Les mélangeurs passifs HF sont des composants utilisés en radiofréquence pour convertir un signal d’une fréquence vers une autre. Ils fonctionnent sans amplification active et utilisent généralement des diodes ou des transformateurs pour réaliser la conversion de fréquence.

Je vais vous présenter les concepts physiques des différents modèles de mélangeurs avec quelques exemples d'utilisation.

1) En théorie

Globalement, le principe repose sur la multiplication de deux signaux : le signal RF (radiofréquence) et le signal OL (oscillateur local). Cette interaction produit de nouvelles fréquences correspondantes à la somme et à la différence des deux fréquences d’entrée. Voyons comment.

1.1) Square mixer

Si on a la fonction ci-dessus avec Sa=Acos(wat) et Sb=Bcos(wbt) alors la sortie s(t) est tel que:
s(t)=K(Acos(wat)+Bcos(wbt))²
s(t)=K/2(A²+B²)cos(2wat)+K/2(A²+B²)cos(2wbt)+KABcos(wa-wb)t+KABcos(wa+wb)t
Les deux derniers termes sont bien ceux recherchés pour la translation de fréquence. Les autres sont des harmoniques qu'il faudra filtrer.

1.2) Exponential mixer

Pour une diode (ou une jonction d'un transistor BJT), on a I=I0sexp(Vo/Vt)
Et si on lui applique deux signaux Sa et Sb tel que :
Is=I0exp(Sa+Sb)
Is=I0exp(Sa)exp(Sb)

On obtient un produit de deux fonctions exponentielles, ce qui crée naturellement un mélange de fréquences.

1.3) Balanced mixer

Le principe de ces mixers consiste à multiplier le signal utile à transporter avec un signal carré. Or le signal carré, si on reprend le principe des séries de Fourrier est une somme d'harmoniques.
Donc dans le domaine spectral, le signal résultant du produit entre le signal utile et un signal carré sera un ensemble d'harmoniques. Il faudra filtrer précisément celle qui nous intéresse.

2) En pratique

2.1) Une diode pour mélangeur

Une diode utilisée dans un mélangeur RF sert à réaliser une opération de multiplication de signaux (RF × OL = fréquences somme et différence). Le choix de la diode est crucial pour les performances (bruit, linéarité, fréquence max, pertes). Une diode Schottky est le plus couramment utilisée car elle est très rapide et présente un seuil assez faible de l'ordre de 0.2-0.3V. Pour tester, j'ai pris une 1N4148 que j'avais sous la main et qui fait très bien le job.
A l'analyseur de spectre avec un atténuateur de -20dB, on observe bien les deux fréquences au point A. Et au point B, derrière la diode, de nombreuses fréquences du mélanges et des harmoniques du fait que la diode est un système imparfait et non linéaire.
Si on recentre sur 10.7Mhz (avec un span limité à 50khz) qui est la fréquence de différence des deux signaux. En A, il n'y a rien. Et en B, on observe bien le signal mixé par la diode avec une translation du signal à 10.7Mhz.

2.2) Le double balanced mixer

Le principe du balanced mixer (ou mélangeur équilibré) est fondamental en électronique de radiofréquence, on le trouve assez couramment en télécommunications et en traitement du signal. Le fonctionnement du mélangeur peut être assimilé à la multiplication d'un signal carré par le signal RF. L'oscillateur local (LO) génère un signal RF oscillant, présentant des polarités positive et négative. Ceci équivaut à multiplier le signal RF par un signal carré variant de -1 à 1 à la fréquence de l'oscillateur local comme évoqué au chapitre 1.3. Le signal LO agit comme un interrupteur rapide qui inverse périodiquement le signal RF ce qui revient mathématiquement à une multiplication. A noter que le transformateur d'entrée ou de sortie peut adapter le niveau de tension (assez souvent faible en entrée).

La société mini-circuits propose ce type de mélangeurs sous forme de petits boitiers électronique traversant. Essai avec les mêmes fréquences 37.7Mhz en RF et 20Mhz en oscillateur local.
Autre exemple, le fameux ADE-1 en composant de surface. Sans la fréquence locale, puis avec, on observe bien un le signal transporté à 57.7Mhz (soit 37.7+20).

Conclusion

Le mélangeur est au cœur de presque tous les systèmes RF moderne. C'est donc un composant essentiel en électronique RF utilisé pour convertir des fréquences sans amplification active. On le retrouve dans les récepteurs radio, les radars, les systèmes de communication, etc.

Il existe des mélangeurs dit actifs, j'essaierai de vous en parler une prochaine fois.