Глава 5. Преобразователи частоты
5.1. Общие сведения
Преобразование частоты – это процесс линейного переноса спектра сигнала из одной радиочастотной области в другую. Чаще всего такой перенос осуществляется в область более низких частот. Линейность этого процесса проявляется в том, что при преобразовании вид модуляции и параметры сигнала в некотором динамическом диапазоне остаются неизменными, а коэффициент передачи преобразователя частоты не зависит от уровня преобразуемого радиосигнала.
С точки зрения математики преобразование частоты можно рассматривать как результат перемножения напряжений двух сигналов: напряжения принимаемого радиосигнала
uC(t) = UmC CosωСt
и напряжения вспомогательного генератора (гетеродина), формируемого в приёмнике,
uГ(t) = UmГ CosωГt
При перемножении частот напряжений сигнала и гетеродина появляются комбинационные частоты
uC (t)uГ (t) = 0,5UmCUmГ Cos [(ωС ± ωГ) t],
одна из которых (обычно разностная) выделяется частотным фильтром и называется напряжением промежуточной частоты. Закон изменения амплитуды, частоты и фазы принимаемого сигнала будет сохраняться в процессе этих преобразований. Это иллюстрируется на рис.5.1.
Рис.5.1. К объяснению процесса преобразования частоты
Преобразователями частоты (ПрЧ) называют каскады РПрУ, в которых происходит процесс такого преобразования. Частота сигнала, полученная после преобразования, называется промежуточной частотой (fПР).
В структурной схеме супергетеродинного радиоприёмника ПрЧ размещается между УРЧ (или входной цепью) и усилителем промежуточной частоты.
Структурная
схема ПрЧ приведена на рис.5.2:
Рис.5.2. Структурная схема преобразователя частоты
В состав ПрЧ входят смеситель, гетеродин и избирательная цепь с элементами связи (m и n). Смеситель является нелинейным элементом (НЭ). В зависимости от типа НЭ различают ПрЧ на взаимных и невзаимных активных элементах (АЭ). Преобразователи на взаимных НЭ – это диодные ПрЧ. Отличительной особенностью таких ПрЧ является идентичность результатов преобразования в прямом и обратном направлениях.
К преобразователям частоты на невзаимных элементах относятся ламповые и транзисторные ПрЧ, у которых реакция выходного преобразованного напряжения на входной сигнал полностью или частично исключена.
По характеру проводимости нелинейного элемента различают ПрЧ с активной и реактивной проводимостью. В первом случае ПрЧ выполняется на транзисторах и смесительных диодах. В них напряжение гетеродина изменяется в области прямого тока диода. При этом главную роль играет нелинейная проводимость диода, поэтому такой ПрЧ называют резистивным диодным преобразователем частоты.
При выполнении ПрЧ на параметрических диодах реализуются усилители-преобразователи. Напряжение гетеродина в них изменяется в области обратных токов диода (за счёт напряжения смещения). Переменным параметром в таких ПрЧ является ёмкость р – n- перехода диода, смещённого в обратном направлении. Этот ПрЧ называется ёмкостным преобразователем частоты.
Если НЭ одновременно выполняет функции смесителя и гетеродина, то такая схема называется преобразователем частоты с совмещённым гетеродином (автодинным ПрЧ). Поскольку оптимальные режимы работы АЭ для генерирования и преобразования частоты неодинаковы, то лучшими характеристиками обладают ПрЧ с отдельным гетеродином.
Избирательная цепь (ИЦ) в простейшем случае представляет собой параллельный колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту.
В более сложных схемах ПрЧ в качестве ИЦ применяются полосовые фильтры (ПФ) и фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), имеющие достаточно широкую полосу пропускания, допустимую неравномерность АЧХ в пределах этой полосы и требуемую избирательность для неискажённой передачи спектра передаваемого сигнала и эффективного подавления помех.
В диапазоне умеренно высоких частот применяются в основном транзисторные ПрЧ. Нелинейный элемент такого смесителя является невзаимным, а реакция нагрузки на источник сигнала исключена. В диапазоне СВЧ применяются преимущественно диодные ПрЧ. Это объясняется малым уровнем собственных шумов, малыми внутренними паразитными реактивностями, малыми габаритами и экономичностью работы. В диодных ПрЧ используются точечные, туннельные, обращённые диоды и диоды с барьером Шоттки. Преобразователи на диодах с барьером Шоттки отличаются высокой надёжностью работы, низким уровнем шумов, хорошей повторяемостью параметров при массовом производстве, что обеспечивает их широкое применение в РПрУ.
В качестве ПрЧ применяются микросхемы, которые условно можно разделить на специализированные и универсальные ИМС. Специализированные ИМС преимущественно используются для построения функционального узла или нескольких узлов РПрУ. Универсальные ИМС для ПрЧ ориентированы на перемножение двух колебаний. Применение универсальных ИМС сопряжено с использованием большого числа внешних элементов для частотной коррекции, установки режимов работы, согласованием с источником сигналов и нагрузкой. Как правило, универсальные ИМС имеют более высокие электрические параметры, чем специализированные.