5.6. Некоторые схемы преобразователей частоты

Транзисторные преобразователи частоты

В транзисторных ПрЧ в качестве преобразовательного элемента используют биполярный или полевой транзистор. Под действием напряжения гетеродина периодически с частотой гетеродина f_Г меняется во времени крутизна входной характеристики транзистора S, за счёт чего происходит преобразование частоты. По аналогии с усилителями в транзисторных ПрЧ напряжение сигнала может подаваться в цепь базы (схема с ОЭ) либо в цепь эмиттера (схема с ОБ). Напряжение гетеродина в этих случаях подаётся в цепь другого электрода транзистора. В обоих случаях суммарное напряжение действует между эмиттером и базой.

Напряжение гетеродина можно подавать в цепь совместно с напряжением сигнала. Однако в этом случае между цепями гетеродина и сигнала возникает связь, которая может привести к взаимному влиянию настройки контуров сигнала и гетеродина, к излучению антенной приёмника напряжения с частотой гетеродина (если контур входной), что создаёт помехи близко расположенным РПрУ. Кроме того, при больших уровнях сигнала может произойти просачивание напряжения с частотой сигнала в цепь гетеродина, что вызывает синхронизацию гетеродина напряжением сигнала, при этом f_С = f_Г и преобразования частоты не произойдёт. Для ослабления этих негативных явлений напряжения сигнала и гетеродина подают в различные цепи транзистора, однако даже при этом некоторая связь между цепями сигнала и гетеродина имеет место через сопротивление база – эмиттер.

Схема ПрЧ на биполярном транзисторе с отдельным гетеродином показана на рис.5.9:

Рис.5.9. Преобразователь частоты на БТ с отдельным гетеродином

В этой схеме напряжение гетеродина подаётся в цепь эмиттера; выходной фильтр настроен на промежуточную частоту. В качестве фильтра промежуточной частоты используют сложный фильтр сосредоточенной селекции (ФСС).

Преобразователь частоты на двухзатворном полевом транзисторе показана на рис.5.10:

Рис.5.10. Преобразователь частоты на двухзатворном полевом

транзисторе

В этой схеме напряжение сигнала подаётся на один затвор транзистора, а напряжение гетеродина – на другой; при этом достигается хорошая развязка цепей сигнала и гетеродина. Основное преимущество полевых транзисторов при использовании их в преобразователях частоты – близкая к квадратичной зависимость тока стока от напряжения затвор – исток, при которой число побочных каналов при преобразовании частоты уменьшается.

Схема балансного преобразователя частоты показана на рис.5.11.

Рис.5.11. Балансный преобразователь частоты

Общий принцип построения балансных ПрЧ состоит в том, что одно из напряжений – сигнала или гетеродина – создаёт в нагрузке синфазные токи, а второе – противофазные токи. При этом происходит компенсация одного из напряжений, в результате чего оно отсутствует в нагрузке. Чаще всего подавляются колебания гетеродина.

В балансном ПрЧ (рис.5.11) напряжение преобразуемого сигнала U_C подаётся на каждый диод с контура L₁C₁ через катушку связи L_СВ.1 в противоположной фазе. Напряжение гетеродина U_Г подводится к средним точкам а и б катушек связи L_СВ.1 входного (L₁C₁) и L_СВ.2 выходного (L₂C₂) контуров преобразователя и подаётся на каждый диод в одинаковой фазе. Ток гетеродина в точках а и б разветвляется, образуя токи i_Г1 и i_Г2 соответствующих плеч катушек связи L_СВ.1 и L_СВ.2. При полной симметрии плеч преобразователя токи i_Г1 и i_Г2 одинаковы, направлены в противоположные стороны и создают вокруг катушек связи магнитные поля одинаковой величины, но противоположной полярности, которые взаимно компенсируются. В результате на выходе (клеммы 2-2) и входе (клеммы 1-1) напряжения с частотой гетеродина и его гармоник будут отсутствовать. Благодаря этому устраняется возможность излучения частоты гетеродина через антенну приёмника.

Широкое применение получили ПрЧ, выполненные по двойной балансной (кольцевой) схеме (рис.5.12):

Рис.5.12. Схема кольцевого преобразователя частоты

Кольцевой эту схему называют потому, что диоды в ней образуют кольцо с односторонней проводимостью. Эта схема обладает всеми свойствами балансной схемы, т.к. напряжение гетеродина подводится к средним точкам катушек связи. Кроме того, при одинаковых параметрах диодов в выходном контуре (L₂C₂) преобразователя будут отсутствовать напряжения с частотами преобразуемого сигнала f_С и его гармоник, так как по отношению к напряжению сигнала, подаваемого между точками а–б, кольцевая схема представляет собой сбалансированный мост. Поэтому между точками в–г, куда подключена катушка связи L_СВ.2 выходного контура, напряжение сигнала и его гармоник будет отсутствовать. На выходе кольцевого ПрЧ получается меньше всего дополнительных комбинационных частот, которые необходимо подавлять избирательными цепями, включаемыми на выходе ПрЧ. Кроме того, коэффициент передачи кольцевого ПрЧ выше, чем у балансного. Таким образом, кольцевая схема имеет значительные преимущества перед простыми и балансными схемами, однако они сложнее в настройке.

Преобразователь частоты с фазовым подавлением зеркального

канала.

Перестраиваемые преселекторы, обеспечивающие избирательность по зеркальному каналу в достаточно широкой полосе частот, существенно ухудшают параметры ПрЧ. Это проявляется в усилении вносимых потерь, трудностях сопряжения настройки преселектора и контура гетеродина, большой неравномерности АЧХ в диапазоне перестройки. Для исключения этих недостатков применяются схемы, обеспечивающие избирательность по зеркальному каналу без применения преселектора. Такой ПрЧ целесообразно также применять при малой промежуточной частоте, поскольку в этом случае зеркальный канал находится настолько близко к основному, что плохо ослабляется селективными цепями преселектора. Структурная схема ПрЧ с фазовым подавлением зеркального канала показана на рис.5.13:

Рис.5.13. Структурная схема ПрЧ с фазовым подавлением зеркального

канала

Напряжения полезного радиосигнала с частотой f_C и фазой φ_C и зеркального канала с частотой f_ЗЕРК и фазой φ_ЗЕРК подводятся к двум смесителям

(См1 и См2). Напряжение гетеродина с частотой f_Г и фазой φ_Г подводится к первому смесителю через фазовращатель (φ1) со сдвигом фазы + π/4, а ко второму смесителю – через фазовращатель (φ2) со сдвигом фазы – π/4. В результате на выходе смесителя См1 получается напряжение промежуточной частоты f_С – f_Г и фазой φ_С – (φ_Г + π/4) = φ_С – φ_Г – π/4 и напряжение зеркального канала f_Г – f_ЗЕРК и фазой (φ_Г + π/4) – φ_ЗЕРК = φ_Г – φ_ЗЕРК + π/4. На выходе смесителя См2 получаются напряжения сигнала и зеркального канала с теми же частотами, но с фазами, соответственно равными φ_С – φ_Г + π/4 и φ_Г – φ_ЗЕРК + + π/4. Преобразованные по частоте напряжения сигнала и зеркальной частоты с выхода См1 подаются на фазовращатель (φ3) со сдвигом фазы + π/4, на выходе которого фаза сигнала будет равна φ_С – φ_Г, а фаза зеркального канала будет равна φ_Г – φ_ЗЕРК + π/2. Аналогично на выходе нижнего плеча преобразователя (фазовращателя φ4 со сдвигом фазы –π/4 ) фаза сигнала будет равна φ_C – φ_Г, а фаза зеркального канала будет φ_Г – φ_ЗЕРК – π/2. Напряжения с верхнего и нижнего плеч подаются на сумматор, коэффициенты передачи плеч которого выбираются одинаковыми. Поскольку напряжения сигнала на выходе плеч имеют одинаковые фазы, то они в сумматоре складываются и поступают в канал УПЧ. Напряжения зеркального канала на выходе плеч имеют противоположные фазы и поэтому при сложении на выходе сумматора они взаимно компенсируются. Таким образом, помеха зеркального канала подавляется. Практические конструкции ПрЧ в диапазоне СВЧ обеспечивают подавление зеркального канала на 20 …30 дБ в относительной полосе приёма 5 …10 %.

Контрольные вопросы:

• Начертите структурную схему супергетеродинного РПрУ, укажите ме-

сто преобразователя частоты и объясните его назначение;

• Объясните принцип действия ПрЧ. Почему процесс преобразования частоты должен быть линейным и что это означает?

• Объясните, почему при преобразовании частоты напряжение гетеродина должно быть значительно большим, чем напряжение радиосигнала?

• Каковы особенности преобразования частоты, если напряжение сигнала будет соизмеримо по величине с напряжением гетеродина?

• В чём разница между резистивным диодным и ёмкостным преобразователями частоты?

• Объясните причины появления дополнительных (побочных) каналов приёма в супергетеродинном РПрУ.

• Какие меры принимаются для защиты РПрУ от дополнительных каналов приёма?

• В каких случаях применяется двойное преобразование частоты? Начертите структурную схему приёмника с двойным преобразованием частоты.

• Объясните назначение гетеродина в преобразователе частоты.

• Какие условия должны соблюдаться для возникновения колебаний в гетеродине?

• Объясните принцип подавления зеркального канала фазовым методом.