книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

ния со0 и максимальную амплитуду 1/с. Он описывается выражением вида

Применяя (6.9), находим комплексную спектральную плотность огибающей сигнала

оо

Uc(/Q) = $ Псе - 3, '^ 16е - /ш Л =

О

эо

= 2Uc^ - alt*/lGcosQtdt. (6.96)

о

Воспользовавшись табличным интегралом [41

Из (6.98) следует, что кривая спектральной плотности огибающей колокольного радиоимпульса имеет также гауссову форму. Ширина спектра импульса (6.96), отсчитываемая на уровне l/q максимального, равна

Огибающую выходного напряжения найдем теперь с помощью

220

Следовательно, и огибающая выходного напряжения также является гауссовой.

Приведенный анализ позволяет сделать ряд важных выводов.

1.При прохождении радиоимпульса колокольной формы через усилитель с гауссовой частотной характеристикой форма огибающей радиоимпульса остается неизменной, а изменяются лишь ее пара­ метры.

2.Ширина спектра выходного сигнала зависит от ширины спек­ тра входного сигнала и полосы пропускания усилителя, т. е.

или в циклическом выражении

3. Амплитуда выходного импульса UBhlx пропорциональна ампли­ туде UBX входного сигнала, коэффициенту усиления усилителя и от­ ношению ширины спектра сигнала на выходе к ширине спектра вход­ ного сигнала:

Таким образом, если ширина спектра Д/вх входного импульса су­ щественно меньше полосы пропускания Д/у усилителя, то ширина спектра Д / В ы х выходного напряжения приблизительно равна ширине спектра входного (Д/вых « А/вх), причем максимальная амплитуда сигнала на выходе 0 ВЫХ ж KqUс. Следовательно, в этом случае ча­ стотная характеристика усилителя практически не оказывает влияния на форму огибающей выходного напряжения и, наоборот, когда Д/Вх »

Д/у, ширина спектра выходного сигнала зависит от полосы пропу­ скания усилителя ( Д / В ы х « А/у), а амплитуда UBUX & /С0А/У/Д/ВХ— от соотношения полосы пропускания Д/у усилителя и ширины спектра Д/вх входного импульса. В этом случае форма выходного колебания зависит преимущественно от частотной характеристики усилителя.

В обоих случаях задержка выходного сигнала определяется време­ нем запаздывания Д/3 усилителя.

Список литературы

1.Д ё ч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапла­ са. М., «Наука», 1965.

2.А г е е в Д. В., К о б з а р е в Ю. Б. О переходных процессах в резонанс­

и произведений. М., Гостехиздат, 1963.

5.С и ф о р о в В. И. Радиоприемные устройства. М., Воениздат, 1954.

221

7. Преобразователи частоты

7.1. Общие сведения

Преобразователь частоты линейно переносит спектр радиосигнала с одной несущей частоты на другую частоту, называемую промежуточ­ ной. Для данного приемника промежуточная частота постоянна и в большинстве случаев она ниже частоты сигнала.

Форма напряжений на входе и выходе ПЧ и спектры частот при амплитудной модуляции сигнала одной частотой приведены на рис. 7.1,

Рис. 7.1

из которого видно, что спектр сигнала и форма его огибающей не из­ менились. При этом спектр сигнала сместился с высокой частоты на более низкую промежуточную частоту.

Преобразование частоты может сопровождаться усилением сигна­ ла, но может быть и без усиления. Преобразователи частоты представ­ ляют собой нелинейные системы или линейные системы с переменными параметрами, периодически изменяющимися во времени. При исполь­ зовании последней системы преобразование частоты называют пара­ метрическим. Преобразование частоты сводится к умножению двух сигналов, частоты которых отличаются на величину промежуточной частоты. Напряжение последней выделяется резонансной нагрузкой.

Рассмотрим процесс преобразования частоты. Вспомогательное напряжение генерируется в приемнике специальным генератором, который называют гетеродином, и оно равно

222

Напряжение гетеродина имеет большую амплитуду и при воздействии на нелинейный элемент изменяет его проводимость (рис. 7.2):

g — go + gi cos (coji + фг),

где g-t = tgat/p = KgUr — амплитуда изменения проводимости, вы­ званного действием напряжения гетеродина; Kg — коэффициент, ха­ рактеризующий нелинейный элемент.

Проводимость можно представить в следующем виде:

Напряжение принимаемого сигнала

где U0 (t) — огибающая сигнала, соответствующая закону модуляции. Ток нелинейного элемента равен i — guc. Подставляя сюда выра­

жения (7.2) и (7.3), получаем

i = goUa (О cos (©с *+ Фс) +

+ -j- Kg UT U0(/) cos [ К —сос) t + фг —фс1+

Вторая составляющая в (7.4) характеризует ток разностной частоты юп = юг—®с с фазой фп = фг — ф0, огибающая которого полностью соответствует закону модуляции принимаемого сигнала. Чтобы выде­ лить напряжение промежуточной частоты, на выход нелинейного элемента включают контур, настроенный на эту частоту. Напряжение на контуре

223

стабильности частоты гетеродина и уменьшения взаимного влияния на­ строек сигнального и гетеродин­

под действием значительного на­ пряжения Ur проводимость не­ линейного элемента будет изме­

няться, а для малого напряжения Uс его вольт-амперную характери­ стику можно считать линейной. Такое преобразование частоты можно рассматривать как параметрическое.

При параметрическом преобразовании частоты периодически из­ меняется коэффициент передачи четырехполюсника за счет воздействия

Выражение (7.7) аналогично выражению (7.2) для нелинейного эле­ мента. Поэтому анализ преобразования частоты, приведенный для нелинейного элемента, будет справедлив и для параметрического преобразования.

На основании рассмотренного можно сделать вывод, что схема преобразователя частоты должна содержать:

—смеситель — нелинейный элемент или элемент с переменным параметром,

—гетеродин,

—резонансную нагрузку.

Структурная схема преобразователя частоты приведена на рис. 7.3. Гетеродин — автогенератор, выполненный на лампах, транзисто­

рах, туннельных диодах и клистронах.

По принципу преобразования частоты схемы преобразователей делят на две группы.

224

После амплитудного детектирования на выходе приемника будет слы­ шен свист, частота которого/7. Интенсивность комбинационных свистов можно значительно снизить, выбирая режим преобразования, при ко­ тором изменение его проводимости будет приближаться к гармониче­ скому, т. е. напряжения гармоник гетеродина и сигнала будут стре­ миться к нулю.

Л и н е й н ы е и н е л и н е й н ы е и с к а ж е н и я в преобра­ зователях аналогичны искажениям в резонансных усилителях.

К о э ф ф и ц и е н т ш у м а определяет шумовые свойства пре­ образователя. Коэффициент шума преобразователя, практически не влияя на коэффициент шума приемника с УРЧ, значительно влияет на него при отсутствии УРЧ.

Рассмотрим схемы преобразователей частоты [2, 7, 8, 11]. Лампо­ вые преобразователи по типу применяемых ламп делят на пентодные, триодные и гептодные (на специальных многосеточных лампах).

Впентодном и триодном преобразователях напряжения гетеродина

исигнала подают на управляющую сетку лампы (рис. 7.4, а). Такие преобразователи называют односеточными. Выполняют их по схеме

эти преобразователи не применяют. Триодные преобразователи при­ меняют в диапазоне частот от 30 до 1000 МГц. На частотах 30—100 МГц можно применять как триодные, так и пентодные преобразователи.

Существенным преимуществом триодных преобразователей перед пентодными является значительно меньший коэффициент шума.

Триодные преобразователи могут быть выполнены и по схеме с ОС (рис. 7.4, б). Триодные преобразователи с ОС на частотах ниже 300 МГц не имеют преимуществ перед триодными преобразователями с ОК. На частотах выше 300 МГц применяют дисковые триоды. В качестве входного контура используют резонасную линию, а выходного —

226

контур с сосредоточенными параметрами. Конструктивно выпол­ нить триодный преобразователь с разными типами входного и выходно­ го контуров можно только в схеме с ОК. Поэтому практически триодные преобразователи с ОС в настоящее время не применяют.

В гептодном преобразователе напряжения гетеродина и сигнала подают на разные сетки (рис. 7.4, в). Такой преобразователь называют двухсеточным и из-за значительного уровня собственного шума приме­ няют на частотах / < 30 МГц.

В преобразователе на полевом транзисторе напряжение гетероди­ на и сигнала подают на затвор (рис. 7,4, г). Такой преобразователь аналогичен односеточному преобразователю на триоде.

Транзисторные преобразователи выполняют по схемам с ОЭ и ОБ. В схеме с ОЭ напряжение сигнала подают в цепь базы, а напряжение гетеродина —в цепь эмиттера (рис. 7.5, а). Оба напряжения действуют между базой и эмиттером, и транзисторный преобразователь анало­ гичен односеточному преобразователю на триоде. Подача напряжений сигнала и гетеродина в разные цепи умень­ шает взаимное влияние входного контура преобразователя и гетеродина. В схеме с ОБ напряжения гетеродина и сигнала по­ дают в цепь базы (рис. 7.5, б). Эта схема аналогична односеточному преобразователю на триоде с ОС.

На /> 30 М Г ц применяют преобразова­ тели частоты на туннельных диодах и емко­

стные. В емкостном преобразователе частоты используют нелинейную емкость р-п перехода полупроводникового диода, величина которой зависит от приложенного напряжения. В преобразователе на полу­ проводниковом диоде все три напряжения: гетеродина, сигнала и про­ межуточной частоты — действуют в одной цепи (рис. 7.6).

В настоящее время преобразователи на вакуумных диодах не при­ меняют, поскольку они имеют больший коэффициент шума и меньший коэффициент передачи по мощности, чем преобразователи на полупро­ водниковых диодах.

Существенной особенностью преобразователей, выполненных на УП по схемам с ОС, ОБ и на диоде, является то, что ток преобразова­ ния в них протекает через входной контур. Это приводит к наличию:

—дополнительной входной проводимости, обусловленной проте­ канием тока через входной контур,

—обратного преобразования.

Обратное преобразование в этих преобразователях можно объяс­ нить следующим. Если на входной контур преобразователя не подавать напряжения сигнала, а на выходной контур подать напряжение про­ межуточной частоты, то из-за взаимодействия напряжений Ur п 0 1!Ч на нелинейной проводимости У П или диода возникает ток 1'с с часто­ той сигнала. Протекая по входному контуру, этот ток вызовет на нем падение напряжения сигнала Uc,’ обусловленное обратным преобра­ зованием. При воздействии напряжения сигнала Uc на входной кон­ тур напряжение U'c совпадает по фазе с напряжением сигнала Uc. Результирующее напряжение на входном контуре возрастает. Поэтому обратное преобразование можно рассматривать как наличие поло­ жительной обратной связи по напряжению. Как известно, положитель­ ная параллельная обратная связь по напряжению не изменяет коэф­ фициент передачи четырехполюсника, поскольку она в равной степе­ ни влияет на входное и выходное напряжения, но зато уменьшает его входную и выходную проводимости.

Обратное преобразование имеет место в преобразователях на дио­ дах и УП в схемах с ОС, ОБ и 03, в которых выходной ток протекает через входной контур. В преобразователях на УП в схемах с ОК, ОЭ

иОИ обратное преобразование практически отсутствует.

7.2.Основы теории преобразования частоты

Впреобразователях частоты с различными нелинейными элемен­ тами или элементами с переменными параметрами, имеющими ком­ плексные параметры, происходят сложные процессы, из-за которых трудно создать общую теорию преобразования частоты, отражающую

все особенности этих процес­ сов в широком диапазоне ча­ стот [7].

теля представляют суммой отдельных его составляющих, обусловлен- 'з

Процесс преобразования частоты будем анализировать указанным "а методом. Преобразователь частоты можно рассматривать как нелиней- | ный шестиполюсник (рис. 7.7). Этот шестиполюсник можно предста- й

вить четырехполюсником, активная проводимость которого управляет­ ся напряжением гетеродина. Ко входу четырехполюсника приложено напряжение сигнала «с. На выходе четырехполюсника включена ре­ зонансная нагрузка ZH, на которой образуется напряжение промежу­ точной частоты. Поэтому выходной ток преобразователя можно пред­ ставить функцией трех напряжений [2, 7, 8]:

где ыр = Uv cos (сort + фг),

«с = Uc cos(aGt + фс),

ЦПч = 7/пч cos (o)nS -f- фпч).

Функция / определяется видом статической характеристики управ­ ляемой проводимости. Так как Uс Ur и Uач <£ (7Г, то выходной ток преобразователя является функцией двух малых напряжений

и0 и ипч. Следовательно, функцию выходного тока можно разложить

вряд Тейлора по степеням малых напряжений мс и иач и ограничить его членами нулевого и первого порядка (т. е. не учитывать вредные нелинейные явления):

Коэффициенты ряда определяют при и0 = ипч = 0 и, следовательно, только при наличии переменного напряжения гетеродина. Первое сла­ гаемое представляет составляющую тока преобразователя, вызванную действием напряжения гетеродина г'г = / («г). Коэффициент второго слагаемого является проводимостью прямого действия преобразова­ теля для напряжения сигнала gD4 = df (иг)/дис, которая периодиче­ ски изменяется с частотой гетеродина. Коэффициент третьего слагае­

изменяется с частотой гетеродина.

С учетом принятых обозначений выражение для выходного тока преобразователя можно записать в следующем виде:

Периодические функции гг, gn4 и gt, представим в виде рядов Фурье,

229