4.2. Преобразователи частоты.
Преобразователи частоты предназначены для получения сетки частот или для переноса информационного сигнала из одной полосы частот в другую.
В качестве преобразователей в ВЧ трактах используются умножители частот и смесители.
Основу преобразователей составляет нелинейный элемент, т.е. элемент, который имеет нелинейную характеристику (диод, транзистор, ...).
4.2.1. Умножитель частоты.
Упрощенная схема умножителя частоты имеет вид:
рис. 24
При умножении частоты на вход нелинейного преобразователя подается колебание частотой , а на его выходе появляются колебания частотой n , где n- любое целое число. Этот процесс объясняется тем, что любая нелинейная функция может быть с любой степенью точности саппроксимирована полиномом n- степени.
(1.1)
Для упрощения выводов отбросим все числа полинома, степень которых больше двух.
На вход поступает сигнал:
(1.2)
Подставляя (1.1) в (1.2) получим:
(1.3)
Пользуясь формулой преобразования:
(1.4)
(1.5)
получим:
где:
Ко и
-
постоянные
составляющие;
-
исходный входной
сигнал;
-
вторая гармоника
исходного сигнала.
Т.о. на выходе преобразователя получается n- число гармоник исходного сигнала.
Далее в трактах ставится полосовой фильтр, который выделяет нужную частоту (гармонику).
Технически умножители могут быть реализованы следующими основными способами:
применением варакторных диодов с нелинейной вольт-амперной и вольт-фарадной характеристиками в качестве генераторов гармоник;
применением транзисторных усилителей, работающих в нелинейном режиме с заданным углом отсечки;
применением схем, содержащих каскады формирования импульсов.
4.2.2. Смесители.
Смесители частоты предназначены для переноса информационного сигнала одной частоты (полосы частот) в другую частоту (полосу частот) без изменения закона модуляции. Основу смесителя составляет нелинейный элемент.
Упрощенная схема смесителя имеет вид:
рис. 25
где
СМ - смеситель;
Г - гетеродин.
На смеситель подаются два сигнала:
входной сигнал;
сигнал гетеродина.
В результате взаимодействия двух сигналов на выходе смесителя появляются ряд составляющих. Для доказательства пользуемся формулой (1.1).
На вход поступает два
сигнала:
и
т.е.
(2.1)
Подставляя данное выражение в формулу полинома второй степени (для простоты расчета) и пользуясь формулами упрощения получим:
где
Кo,
-
постоянные
составляющие;
-
составляющие с исходными частотами;
-
вторая гармоника
fвх;
-
вторая гармоника
гетеродина;
и
-
комбинационные
составляющие;
( - ) и ( + ) - боковые частоты;
- - нижняя боковая частота (НБЧ);
+ - верхняя боковая частота (ВБЧ).
Размещение составляющих показано на рисунке:
рис. 26
Теперь предположим, что на вход смесителя подается спектр частот от 1 до 2. В этом случае на выходе появятся вместо НБЧ и ВБЧ две боковые полосы частот. Каждая из них несет одну и туже информацию, поэтому в качестве полезного продукта преобразования используется только одна из боковых частот, которая выделяется полосовым фильтром. Сказанное поясняется рисунком:
рис. 27
На данном рисунке не показаны гармоники.
В качестве нелинейного элемента в смесителях СВЧ применяются специальные диоды:
кремниевые с точечным контактом;
кремниевые с микросплавным p-n-переходом;
арсенид-галиевые с барьером Шоттки.
Все они обладают малыми потерями преобразования и малым коэффициентом шума.
В ВЧ трактах станции спутниковой связи для получения колебаний с требуемой частотой используется многоступенчатая система преобразования с использованием нескольких смесителей и умножителей частоты.