7. Преобразователи частоты
7.1 Определение, назначение, классификация и основные параметры ПЧ
Определение: ПЧ – это устройство, которое осуществляет процесс линейного переноса спектра радиосигнала из одной области радиочастотного диапазона в другой с сохранением параметров модуляции.
ПЧ включает в себя 1. Преобразоват. Элемент., 2. Гетеродин, 3. Фильтр.
Рис.7.1.
Из–за нелинейности ПЭ в нем образуются гармоники fс и fг и их комбинационные составляющие (1). Любая из этих комбинационных частот может быть принята в качестве промежуточной и выделена.
В идеальном случае стремятся к созданию режима малого сигнала, когда Uг>>Uc и Uг>> Uпр, тогда искажения практически отсутствуют и осуществляется линейный перенос спектра.
В этом случае ПЭ по отношению к сигналу ведет себя как линейный (из–за малого Uвх работа на линейном участке характеристики) и относится к линейному тракту приемника. По отношению же к гетеродину ПЭ должен быть возможно более нелинейный (т.к. Uг велико) – это приводит к росту коэффициента преобразования и к отсутствию гармоник сигнала.
Классификация:
1. По принципу преобразования – а). с простым преобразованием, т.е. с использованием 1–х гармоник сигн. И гетерод., б). с сложным преобразованием – используют высшие гармоники гетеродина (мал уровень гетеродина).
2. По характеру проводимости ПЭ – а). На ПЭ с активной проводимостью (диоды, транзист.), б). с реактивной проводимостью (нелинейные емкости, параметр. Диоды).
3. По типу элементной базы –
1.Диодные (Кристал, туннельные, шотки). Схемы – Однотактные(небалансные), Двухтактные(балансные), кольцевые (более широкополосные), Двойные балансные (подавляют колебания на Фзк).
2. Транзисторные (бип. Транз., полев. Транз., МДП тетроды). Схемы – Небалансные (простые, но с плохими параметрами), Балансные (более чистый спектр+подавление ампл. Шумов гетерод.), на полевом тетроде.
4. По типу элементной базы гетеродина – транз., диоды Ганна, ЛОВ, ЛБВ, на оптич. Квантовых генераторах, клистроны, МКС, ЛПД.
Основные параметры:
1. Коэфф. преобразования Кпр=(1)
2. Входная проводимость
3. Коэффициент шума
4. Выходная проводимость
5. Динамический диапазон по амплитуде
6. Уровень вносимых искажений
7.2 Принцип работы и схемы ПЧ в умеренно высоком диапазоне
ПЧ можно рассматривать как перемножитель, на выходе которого стоит Ф, настроенный на Fпр.
Тогда выражения для Uc, Uг и Uпр (2), гдк Ксх – коэфф. зависящий от параметров ПЧ.
Возможно 2 варианта работы:
1. Wг>Wс – верхняя настройка гетеродина – использовать предпочтительнее, т.к. легче бороться с ЗК, (3).
2. Wг<Wс – нижняя настройка гетеродина (4).
Процесс преобразования частоты в транзист. ПЧ осуществляется за счет периодического изменения проводимости прямой передачи Y21 по воздействием Uг. Кроме того, имеет место периодическое изменение активной и реактивной составляющей проводимости Y12 под воздействием Uг.
Структурная схема небалансного смесителя показана на рис.7.2.
Рис.7.2.
Вариант принципиальной схемы небалансного смесителя с автотрансформаторной связью показан на рис.7.3.
Рис7.3.
Более высокую развязку между гетеродином и промежут. частоты. Можно обеспечить в дифференциальных схемах.
Рис.7.4.
Общий принцип действия балансных смесителей состоит в том, что токи гетеродина в нагрузке от одного и другого плеча направлены противофазно и колебания fг на выходе подавляются очень хорошо, а токи от сигнала синфазно, что удваивает коэфф. предачи. Как правило используют схему балансного смесителя на диф. Каскаде в виде рис.7.5.
Рис.7.5.
Или более современный вариант – без контура на фильтрах ПАВ или кварцевых фильтрах.
Рис.7.6.
Наибольшее распространение получили схемы на МДП тетродами.
Рис.7.7.
Смесители на транзисторах предпочтительней диодных, т.к. возможно получить усиление.
Небалансный диодный смеситель на рис.7.8
Рис.7.8.
Основные недостатки таких смесителей: преобразование амплитуды шумов гетеродина на fпр, малый динамическ. Диапазон, в спектре на выходе есть fс, fг и их комбинации с кратными частотами.
Балансный диодный смеситель показан на рис.7.9
Рис.7.9.
Достоинства: благодаря фазовому подавлению шумов снижен Кшума, вся мощность гетеродина поступает на диоды, поэтому можно использовать гетеродин меньшей мощности, благодаря подавлению четных гармоник гетеродина ниже уровень побочных составляющих в спектре на выходе, а значит выше помехоустойчивость и динамический диапазон по амплитуде.
Кольцевой диодный балансный смеситель представлен на рис.7.10.
Рис.7.10.
Достоинство–уменьшение числа паразитных каналов приема, отсутствуют составляющие с fс и fг.
ПЧ с подавлением зеркального канала фазовым методом представлен на рис.7.11.
Подбирая фазовращатели в каналах (в цепях сигн., гетер., и пром.) можно добиться того, что полезный сигнал на выходе обоих перемножителей окажется в фазе а сигнал ЗК в противофазе. Аналогично подавляются и комбинационные составляющие.
Недостатком является необходимость иметь очень низкую fпр,так как реализовать такие фазовращатели очень трудно.
Динамический диапазон ПЧ в зависимости от элементной базы представлен на рис.7.12.
7.3 Прямое и обратное преобразование частоты. Эквивалентная схема ПЧ.
ПЧ представляет собой 6–полюсник, представленный на рис.7.13.
Рис.7.13.
Если Uг>>Uс и Uг>>Uпр можно заменить схему схемой эквивалентного 4–полюсника, активные проводимости которой меняются с частотой fг. Для нахождения эквивалентной схемы рассмотрим процессы прямого и обратного ПЧ.
Определим внутренние параметры ПЧ, т.е. параметры, не зависящие от величин Rн и Rс.
1. Крутизна прямого преобразования Sп=(1).
2. Внутренняя выходная проводимость (2).
3. Крутизна обратного преобразования Sобр=(3).
4. Внутренняя входная проводимость (4).
Тогда, опуская преобразования, уравнение прямого преобразования имеет вид (5). Аналогично, уравнение обратного преобразования (6).
Для транзисторных ПЧ можно перейти к форме записи этих уравнений через Y–параметры. Тогда (7) – уравнение прямого преобразования, (8) обратного.
Получим эквивалентную схему 4–х полюсника, эквивалентного в первом приближении ПЧ.
Рис.7.14.
Полученная схема носит формальный характер, т.к. не учитывает разницу частот входного и выходного сигнала, но очень удобна для анализа.
Так, заменив параметры усиления на параметры преобразования можно записать, например, выражение для коэфф. передачи ПЧ (1), где Yпэ – эквивалентная проводимость нагрузки.
Проанализируем возможные соотношения между напряжением гетеродина и крутизной ПЭ, т.е Sп и Uг.
Пусть ВАХ ПЭ имеет идеально квадратичный вид (Iп от Uг), тогда зависимость крутизны прямого преобразования Sп от Uг будет близка к линейной.
Рис.7.15.
Амплитуда первой гармоники из рисунка Sm1=(2), а известно, что крутизна преобразования Sп=(3). Если выбрать Uг так, чтобы (4), тогда Sпмакс=(5). Это для линейного участка!!!
Отсюда оптимальные напряжения – Есм–по середине линейного участка, Uг – равен величине всего линейного участка.
Зависимость Sп от Uг имеет вид на рис.7.16.
Рис.7.16.
Видно, что если и выйти с линейного участка, то рост крутизны будет незначителен – до максимального значения при S’max/pi, что соответствует углу отсечки Q=120. Дополнительный выигрыш по крутизне не превышает 30%, но при этом резко возрастает содержание гармоник на выходе, т.е. появляются дополнительные побочные каналы приема, что повышает требования к преселектору.
Поэтому желательно работать только на линейном участке.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.