4. Элементы радиоприёмных устройств

4.1. Преобразователи частоты

ПЧ называется устройство, преобразующее напряжение высокой частоты в напряжение промежуточной частоты с сохранением закона модуляции. Иными словами с помощью ПЧ осуществляется линейный перенос спектра сигнала из одной области частот в другую (рис.4.1).

Рис.4.1. Схема преобразования частоты

Рис. 4.2. Схема преобразователя частоты

ПЧ должен содержать: нелинейный элемент (смеситель), вспомогательный источник высокочастотных колебаний (гетеродин), фильтр колебаний промежуточной частоты (нагрузка). Структурная схема ПЧ представлена на рис. 4.2.

В качестве смесителей используются элементы с нелинейной активной и реактивной проводимостью (транзисторы, лампы, диоды), параметры которых меняются периодически во времени под воздействием u_г. По типу смесителей осуществляется классификация ПЧ. В качестве гетеродинов используются маломощные высокостабильные генераторы непрерывных колебаний. Фильтр промежуточной частоты представляет собой резонансный контур или систему контуров.

Общие требования к преобразователям частоты:

• минимальный К_ш, равномерность АЧХ и линейность ФЧХ

• минимальный уровень мощности гетеродина максимальная развязка тракта гетеродина и сигнала

• максимальное подавление нежелательных продуктов преобразования

Среди смесителей наиболее частое применение находят диодные преобразователи частоты. Находят применение простой ПЧ, балансный ПЧ, кольцевой ПЧ.

4.2. Принцип преобразования частоты

Пусть нелинейный элемент имеет квадратичную ВАХ и к нему приложены:

• напряжение гетеродина

• напряжение сигнала

• напряжение смещения Е_СМ

При этом

На рисунке 4.3. показана зависимость тока диода и крутизны ВАХ от приложенного напряжения u = u_г + Е_СМ.

Рис.4.3. Зависимость тока диода и крутизны ВАХ от приложенного напряжения

Поскольку крутизна есть производная тока диода по приложенному напряжению, то на квадратичном участке ВАХ эта зависимость будет линейной.

Рассмотрим два состояния преобразователя частоты:

1. Сигнала нет u_c = 0.

Под воздействием гетеродинного напряжения u_г крутизна ВАХ периодически изменяется от 0 до S_max с частотой гетеродина и может быть описана рядом Фурье

_{, (4.1)}

где S₀ – среднее значение крутизны

S₁, S₂ – амплитуда первой, второй и т.д. гармоник крутизны

Выходной ток нелинейного элемента (диода) меняется импульсами и в своем составе содержит колебания с частотой _г и гармониками 2_г, 3_г и т.д., которые способствуют образованию дополнительных каналов приема РПУ.

При подаче напряжения сигнала происходит приращение анодного тока i_д на величину

Учитывая, что , получим

k – номер гармоники гетеродина

S_к – амплитуда k-той гармоники крутизны д

1. В составе выходного тока НЭ кроме гармоник появляются следующие.

Частота Амплитуда

_с

В радиолокационных приемниках в качестве f_пч используется разностная частота и, как правило, полученная в результате преобразования на первой гармонике гетеродина (к=1)

Фильтр, являющийся нагрузкой смесителя, выделяет из всего спектра частот только составляющую с f_пч и поэтому настраивается резонанс на f_пч.

Амплитуда тока промежуточной частоты определяется выражением

Если в качестве фильтра ПЧ используется колебательный контур, то амплитуда напряжения промежуточной частоты

где R_э – эквивалентное сопротивление нагрузки смесителя при резонансе.

Смеситель является нелинейным элементом (ВАХ нелинейна), но по отношению к входному сигналу преобразователь частоты является линейной системой, поскольку после преобразования ни форма сигнала, ни его спектр не изменились. По этой причине преобразователи частоты относят к линейному тракту приемника.

Выбор режима работы смесителя производится, как правило, по минимальному коэффициенту шума

_с – относительная шумовая температура смесителя

К_рс – коэффициент передачи смесителя.