3. Преобразователи частоты устройств приема и обработки сигналов

   1. Общие сведения и теория преобразования

Преобразователь частоты – это радиотехническое устройство, осуществляющее процесс переноса спектра радиосигнала из одной области радиочастотного диапазона в другую при сохранении структуры сигнала. В состав преобразователя входят: смеситель, гетеродин и нагрузка для сигнала промежуточной частоты. Процесс преобразования происходит в смесителе (шестиполюснике), содержащем нелинейный элемент, периодически изменяющий один из параметров (рис. 4.24). В качестве таких элементов используют транзисторы, лампы, варикапы и диоды.

Рис. 4.24  Эквивалентная схема преобразователя частоты

Частотная характеристика смесителя (рис. 4.25) с фильтром на выходе, настроенным на частоту f, определяется каналами приема с частот [19]

, (4.0)

где m и n – номера гармоник гетеродинной и сигнальной частот (m = 0,1,2,… n = 1,2,…);

– прямой канал;

– основной и зеркальные каналы;

– дополнительный канал приема;

– дополнительный канал приема;

– дополнительный канал приема.

Рис. 4.25  Выходной спектр преобразователя частоты с однократным преобразованием частоты

Из (4.99) следует, что, кроме основного, смеситель характеризуется дополнительными каналами приема. Первый из них называется каналом прямого прохождения, второй  зеркальным. Третий опасен при слабой избирательности преселектора, так как отстоит от частоты основного канала на величину f_пр /2.

Для обеспечения квазилинейного режима работы смесителя необходимо условие U_с < U_гет/20 при U_с <(40–100) мВ, где U_с и U_гет. – амплитуды напряжений сигнала и гетеродина на входе смесителя. В квазилинейном режиме n=1, а коэффициенты передачи смесителя, равные отношению напряжения промежуточной частоты к входным напряжениям с частотами

. (4.0)

Поскольку U_гет. >>U_с, то шестиполюсник можно преобразовать в 4-х полюсник, активная проводимость которого меняется с частотой гетеродина. В этом случае выходной ток зависит от напряжений сигнала, гетеродина и промежуточной частоты

.

Данная зависимость определяется статической характеристикой управляемой проводимости. Если все напряжения являются гармоническими, то выходной ток будет содержать различные комбинационные частоты, которые выделяются селективными нагрузками (контуром) смесителя. В случае если выходной контур смесителя настроен на разность частот гетеродина и сигнала, то на выходе смесителя будут меняться токи промежуточной частоты.

; (4.0)

(4.0)

где S_пр, G_{i пр.} – крутизна и проводимость смесителя в режиме прямого преобразования;

S_обр. и G_вх0 – крутизна и проводимость смесителя в режиме обратного преобразования (диодного типа).

Уравнения (4.101) и (4.102) описывают процессы, происходящие в преобразователе частоты (рис. 4.26). Крутизна преобразования S_пр.– отношение амплитуды выходного тока промежуточной частоты к амплитуде напряжения входного сигнала при закороченном выходе.

Рис. 4.26  Эквивалентные схемы преобразователей частоты

Коэффициент передачи смесителя зависит от амплитуд гармоник S_m крутизны нелинейного элемента S(t), меняющихся во времени под действием напряжения гетеродина. Согласно общей теории преобразования частоты, крутизна преобразования через m-ю гармонику гетеродина

S_пр.m = S/2. (4.0)

Крутизну S_m можно найти как коэффициенты тригонометрического ряда Фурье, аппроксимирующего временную зависимость S(t):

, (4.0)

где S₀ – постоянная составляющая крутизны.

При u_гет =U_гет cos(_гет t) функция S(t) – четная. Поэтому в безынерционном смесителе при линейно-ломанной вольтамперной характеристике (ВАХ) с крутизной S и углом отсечки эмиттерного тока 

; (4.0)

. (4.0)

Коэффициент передачи преобразователя – отношение выходного напряжения промежуточной частоты к напряжению входного сигнала:

, (4.0)

где g_н  проводимость нагрузки, знак минус – фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением, равный . В транзисторных преобразователях, где G_mпр. << g_н, для полосового фильтра на выходе смесителя с параметром связи , коэффициент передачи:

. (4.0)

Если нагрузка ФСС с K_фсс:

; (4.0)

, (4.0)

где g_с – проводимость источника сигнала.

Входная проводимость смесителя определяется выражением

. (4.0)

Выходная проводимость смесителя

. (4.0)

Если обратное преобразование отсутствует, то:

; . (4.0)

Смесители преобразователей частоты выполняются на активных и пассивных нелинейных приборах, лампах, транзисторах, диодах, варикапах и т.д. Коэффициент преобразования на пассивных элементах меньше единицы, на активных составляет 0…6 дБ.