2.9.4 Преобразователи частоты

Характерным каскадом супергетеродинного приемника яв­ляется преобразователь частоты.

Преобразователем частоты на­пряжение высокой (несущей) частоты преобразуется в напряжение промежуточной частоты с сохранением закона модуляции.

Преобразование частоты связано с появлением гармонических составляющих тока других частот. Поэтому преобразователь час­тоты должен включать нелинейный элемент. В зависимости от диапазона преобразуемых частот схемное решение преобразова­теля частоты может быть различным. Однако во всех случаях он должен содержать (рис. 2.66) смеситель (нелинейный элемент), источник вспомогательного напряжения (гетеродин) и фильтр колебаний промежуточной частоты (нагрузка).

В качестве смесителей используются электронные лампы, транзисторы, полупроводниковые или ламповые диоды.

Гетеродин представляет собой маломощный, высокостабильный генератор непрерывных колебаний. В диапазоне метровых и дециметровых волн в качестве гетеродина используются автогенераторы, собранные по схеме трехточки. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн для этих целей широко используются отражательные клистроны, лампы обратной волны, генераторы на туннельных и лавинопролетных диодах и др.

Фильтр промежуточной частоты представляет собой резонансный контур или систему из двух и более взаимосвязанных кон; туров, настроенную на промежуточную частоту.

На рис. 2.67 представлена схема односеточного преобразователя частоты, который широко применяется в диапазоне метровых и дециметровых волн.

Смеситель собран на триоде Л₁, работает в нелинейном режиме за счет включения в катод значительного сопротивления смещения R_x.

Гетеродином является генератор, собранный на триоде Л₂ по схеме индуктивной трехточки. Фильтр промежуточной частоты, включенный в анодную цепь смесителя, выполнен в виде одиночного резонансного контура L₂C₂.

Принимаемый сигнал с сигнального контура L₁C₁ (УВЧ) частотой f_с подается на управляющую сетку, а сигнал гетеродина с контура L₃C₃ с частотой f_г — в цепь катода Л₁ смесителя. Подача указанных напряжений на различные электроды Л₁ способствует уменьшению взаимного влияния сигнального и гетеродинного контура при их перестройке. Принцип действия преобразователя частоты в общих чертах сводится к следующему.

На смеситель одновременно воздействуют два напряжения: напряжение преобразуемого сигнала u_с на высокой несущей частоте f_с и гетеродинное напряжение u_г изменяющееся по гармони вескому закону с частотой f_г. При действии этих напряжений на входе смесителя образуется сложное результирующее колебание (биения), амплитуда которого изменяется с разностной частотой, равной промежуточной.

Поскольку смеситель работает в нелинейном режиме, то анодный ток лампы Л₁ будет импульсным. В составе импульсного анодного тока будет множество гармонических составляющих, в том числе гармоника разностной частоты f_с — f_г = f_пр. Так как колебательный контур L₃C₃ настроен в резонанс на промежуточную частоту, то на его зажимах выделяется напряжение промежуточной частоты, которое по форме совпадает с напряжением сигнала. Все остальные составляющие сложного колебания отфильтровываются.

Если на вход смесителя поступит сигнал, отличающийся от частоты принимаемого сигнала на 2f_пр, то он, взаимодействуя с сигналом гетеродина, также преобразуется в сигнал промежуточной частоты. Поэтому данный сигнал будет усиливаться УПЧ и выделится на выходе приемника. Помеха указанной частоты называется зеркальной помехой, а дополнительный канал, по которому она принимается, называется зеркальным каналом. Сигнал, идущий по зеркальному каналу, оказывает мешающее действие и поэтому подавляется. Подавление зеркальной помехи происходит во входной цепи и в УВЧ, контуры которых настроены на частоту принимаемого сигнала f_с.

Транзисторные преобразователи частоты, подобно односеточным, применяются до дециметрового диапазона волн включительно. Они могут быть с отдельным гетеродином и совмещенным гетеродином. Первая разновидность получила наибольшее распространение. По способу включения транзистора различают смесители с общим эмиттером и общей базой. Первые позволяют получить больший коэффициент передачи напряжения. Для лучшей развязки сигнального и гетеродинного контуров напряжения сигнала и гетеродина подают на различные электроды.

В транзисторных приемных устройствах радиолокационных сигналов в качестве смесителей целесообразно применять каскодные схемы (рис. 2.68). На базу второго каскада подается напряжение гетеродина. Такой смеситель обеспечивает надежную развязку сигнального и гетеродинного контуров. Кроме того, характеризуется сравнительно большим коэффициентом усиления и небольшим коэффициентом шума.

В сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн в качестве смесителя преобразователя частоты используется полупроводниковый диод, располагаемый в смесительной камере волноводного или коаксиального типа.

На рис. 2.69 схематично показана одна из типовых конструкций полупроводникового смесителя волноводного типа.

Между смесителями и УВЧ на ЛБВ располагается объёмный резонатор (преселектор), настроенный на частоту принимаемого сигнала. Благодаря преселектору осуществляется подавление помех по дополнительным каналам приёма, уменьшаются шумы, поступающие на смеситель от ЛБВ.

Значительную долю шумов на выходе смесителя составляют шумы гетеродина. С целью их подавления применяют балансные преобразователи частоты. В настоящее время в качестве баланс­ных преобразователей частоты сверхвысокой частоты широко применяются преобразователи частоты на щелевом мосте, на микрополосковых линиях. Конструкция второго типа отличается компактностью и хорошо сочетается с интегральными микро­схемами.