книги из ГПНТБ / Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций

7

БАЛАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

7.1. Назначением классификация балансных преобразователей частоты

При рассмотрении шумовых свойств преобразователей частоты было показано, что значительную долю шумов на выходе смесите­ ля составляют шумы гетеродина

Ввиду того, что шумы гетеродина поступают на смеситель непо сигнальному каналу, а по каналу гетеродина, оказалось возмож­ ным, используя это различие, осуществлять подавление шумов гете' родина. С этой целью применяют балансные преобразователи ча­ стоты. Балансные преобразователи частоты находят применение и в том случае, когда возникает необходимость подавления гетеро­ динного колебания на выходе смесителя, что имеет место, напри­ мер, в случае сравнительно близких по величине частот гетероди­ на и промежуточной. Балансные преобразователи частоты позволя" ют также устранить эффекты преобразования мощных мешающих Сигналов на входе приемника и их использование способствует ре­ шению общей задачи повышения электромагнитной совместимости радиотехнических средств.

В приемных устройствах радиолокационных сигналов балансные преобразователи применяются как в качестве первых преобразова­ телей сверхвысоких частот, так и в качестве вторых и третьих пре­ образователей промежуточных частот. Принцип действия как пер­ вых, так и последующих балансных преобразователей, по существу, один и тот же, различие состоит лишь в конструктивном исполне­ нии, которое зависит от диапазона частот.

90.

В настоящее время в качестве балансных преобразователей сверхвысокой частоты широкое применение находят следующие типы преобразователей:

Балансные преобразователи промежуточных частот выполняют­ ся на двойных ламповых; диодах или триодах, а также на полупро­ водниковых диодах и транзисторах.

7.2. Балансный преобразователь на щелевом волноводном мосте

Балансный преобразователь частоты на щелевом мосте находит применение в диапазоне сантиметровых волн. Конструкция такого преобразователя показана на рис. 6 6 .

Рис. бб

Упрощенный поясняющий чертеж этой конструкции приведен на рис. 67. Щелевой мост представляет собой совокупность двух вол­ новодов с общей узкой стенкой, в которой имеется отверстие (щель) определенной длины. В такой конструкции различают четыре плеча

(два входных и два выходных), обозначенные на рис. 67 соответ­ ствующими цифрами. В одно из входных плеч 1 подаются колеба­

91

ния гетеродина Р т<в другое 2 - колебания преобразуемого по ча­ стоте сигнала Рс . В выходные плечи 3 и 4 включены диоды Д х и Д2, нагруженные на балансный трансформатор,, выполняющий роль фильтра промежуточной частоты.

Принцип действия такого преобразователя основан на использо­ вании следующих известных свойств щелевого моста.

1. Колебания, поданные в плечо / симметричного и согласован­ ного моста, не ответвляются в плечо 2, а распределяются .поровну (по мощности) между плечами 3 и 4. При этом начальная фаза ко­ лебаний в плече 4 (рис. 2) отстает от фазы колебаний в плече 3 на

я

тг ■

2. Колебания, поданные в плечо 2, не ответвляются в плечо 1, а распределяются поровну между плечами 3 а 4. При этом началь­ ная фаза колебаний в плече 3 отстает от фазы колебаний в плече 4

г.

на -у .

С учетом этого на первый смесительный диод Д\ будут действо­ вать напряжения гетеродина с начальной фазой ?, и сигнала с на"

чальной фазой <рс— j-. На второй смесительный диод Д2 будут дей­

ствовать напряжения гетеродина с начальной фазой ?г— у и сиг­

нала с начальной фазой <рс.

Если предположить, что <ur>u>c, то промежуточная частота <оп образуется как разность между частотой гетеродинных и сигналь­ ных колебаний

Тогда начальные фазы сигнальных токов промежуточной часто­ ты на выходе первого <рПсі и второго <рПс2 диодов.определятся соот­ ношениями

первого диода в фиксированный момент времени протекает от анода к катоду, то ток второго диода—от катода к аноду и, как показано на рис. 67, эти токи суммируются.

Найдем теперь взаимный сдвиг начальных фаз шумовых токо® гетеродина, протекающих через диоды на промежуточной частоте,

92

1

Поскольку регулярная и шумовые составляющие гетеродинного ко­ лебания ніоступают в одно и то же плечо моста, то шумовые токи на промежуточной частоте, протекающие через первый и второй диоды, будут синфазны.

Действительно, если начальные фазы регулярной н шумовых составляющих гетеродинного напряжения на первом диоде обозна­ чить соответственно через ®ги®шг,то на втором диоде они в силу

Определяя начальные фазы шумовых гоков гетеродина, проте­ кающих через диоды на промежуточных частотах, как разность на­ чальных фаз регулярной и шумовых составляющих, получим

Следовательно, эти токи в первичной обмотке балансного транс­ форматора, как показано на рис. 67, вычитаются и в случае полного баланса результирующая составляющая оказывается равной нулю.

7.3. Баласный преобразователь микрополосковой конструкции

Балансный преобразователь на микрополосковых линиях при­ меняется в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.

Рис. 68

Его конструкция (рис. 6 8 ) отличается компактностью и хорошо сочетается с гибридными и интегральными микросхемами.

93

На рис. 69 показана принципиальная схема такого преобразова­ теля. Принцип действия балансного преобразователя на микрополосковых линиях такой же, как и рассмотренного выше преобразо­ вателя на щелевом мосте.

Основное различие между этими преобразователями заключено в конструкции используемых трехдецибельных ответвителей.

Если в преобразователе на щелевом мосте роль трехдецибельного ответвителя выполняет щель в смежной стенке волноводов, то в преобразователе на микрополосковых линиях трехдецибельный от­ ветвитель выполнен на четверть волновых отрезка'х полосковых линий ab, cd.

Как показано на рис. 69, длина пути распространения колебаний гетеродина до смесительного диода Ді отличается от длины пути

до смесительного диода Д2 на-^-,что приводит к сдвигу начальной фазы гетеродинных колебаний на диоде Д 2 по сравнению с колеба­

ниями на диоде Д\ на -^-.Аналогичный сдвиг будет и для сигналь­

ных колебаний. Такой сдвиг фаз, как было показано выше при рас­ смотрении балансного преобразователя на щелевом мосте, приводит к взаимному сдвигу начальных фаз сигнальных токов промежуточ­ ных частот, протекающих через Д , и Д2,, на величину ^ и синф.азно;

94

сти шумовых составляющих гетеродина, что позволяет компенсиро­ вать шумы гетеродина на выходе преобразователя.

Развязка сигнального и гетеродинного вводов достигается за счет фазового сдвига на ~ колебаний сигнала, распространяющихся по'пути ab и acdb (рис. 69), что обеспечивает взаимную компенса­ цию сигнала в точке Ь. Вместе с тем сигнальные колебания, распро­ страняющиеся в направлении Ьас и bdc в точке с, складываются синфрзно и далее поступают на смесительный диод Д\. Короткозам­ кнутые четвертьволновые отрезки полосковых линий, включенные до смесителей Д хи Д2, обеспечивают замыкание постоянной состав' Ляющей тока через смесители, а разомкнутые четвертьволновые от­ резки, включенные после смесителей,’ обеспеч-ивают короткое замы­ кание фильтра промежуточной частоты по высокочастотной состав­ ляющей, что предотвращает потери преобразуемого сигнала в цепях фильтра промежуточной частоты. Миллиамперметры, включенные на выходе смесителя, измеряют постоянную составляющую тока смесителя, обусловленную гетеродинным напряжением, что дает возможность устанавливать оптимальную связь гетеродина со сме­ сителями.

Заметим, что фильтр промежуточной частоты в рассматривае­ мом балансном преобразователе (рис. 69) выполнен не по баланс­ ной схеме. В связи с этим для создания условия компенсации шу­ мовых составляющих включение смесительных диодов изменено по сравнению с преобразователем, использующим балансный фильтр

-(рис. 67).

7.4.Эквивалентная схема и внутренние параметры балансного преобразователя частоты

В соответствии с выводами общей теории линейного каскада с переменными параметрами (раздел I) заменим источник сигнала эквивалентным генератором тока с внутренней проводимостью gc. а гетеродин эквивалентными генераторами напряжения, включен­ ными в каждое плечо преобразователя. Тогда эквивалентную схе­ му балансного преобразователя (рис. 67) можно представить в виде, как показано на рис. 70.

95

Аппроксимируя вольт-амперные характеристики полупроводни­

ных соотношений можно рассчитать качественные показатели ба­ лансных преобразователей частоты.

gc — проводимость источника сигнала, трансформированная в точки 1' — 0.

.96

Пересчитав входную проводимость плеч в точки / —/, а выход­ ную—в точки 2—2 (рис. 70), найдем входную и выходную про­ водимость балансного преобразователя

б) Коэффициент передачи мощности сигнала

Коэффициенты передачи мощности сигнала для первого и вто­ рого плеч балансного преобразователя определяются по формулам

иаь ип2 ~ напряжения промежуточной частоты на выходе пер­

К р — К р і •

Таким образом, коэффициент передачи мощности балансного преобразователя при полном балансе равен коэффициенту переда­ чи мощности одного плеча. Да это и понятно, поскольку при пол­ ном балансе на вход каждого плеча поступает половина входной мощности преобразуемого сигнала, а с выхода плеча снимается половина общей выходной мощности балансного преобразователя. На основании этрго коэффициент передачи номинальной мощности балансного преобразователя может быть рассчитан по формуле

выведенной ранее для однотактного смесителя.

К такому же выводу приходим при анализе преобразователя с небалансным выходным трансформатором (рис. 69), эквивалент­ ная схема которого представлена на рис. 71.

&В,

%----Н

Ur в2

Ф — К

Рис. 71

Коэффициенты передачи плеч такого преобразователя опреде­ ляются по формулам

Крі= *2 і ( 20)

8эых пі^вх ’

‘ п2

К р 2 = Й В Ы Х П %Р»

где іп и іпі — токи промежуточной частоты первого и второго сме­ сителей соответственно.

Общий коэффициент передачи мощности преобразователя опре­ деляется выражением

Непринципиальное различие между схемами балансных преоб­ разователей с балансным и небалансным трансформатором (рис. 70 и 71) состоит в том, что в первой схеме суммируются вы­

98

ходные напряжения плеч и выходное сопротивление удваивается, а во второй суммируются токи плеч и общая выходная проводи­ мость удваивается по сравнению с выходной проводимостью од­ ного плеча.

в) Коэффициент шума

При анализе диодного небалансного преобразователя частоты было получено следующее выражение для его коэффициента шума:

fc+fr

Из этого выражения можно получить формулу для коэффици­ ента шума балансного преобразователя, если учесть подавление шумов гетеродина.

Коэффициент подавления шумов гетеродина определим как отношение коэффициентов передачи мощности по сигнальному и гетеродинному каналам:

Как было показано, шумовые напряжения или токи по каналу гетеродина .на выходе смесителя вычитаются, поэтому коэффици­ ент передачи мощности по гетеродинному каналу можно опреде­ лить по формуле

PI

- 1

PS

Сучетом этого коэффициент шума балансного преобразова­ теля можно рассчитать по формуле

давление шумов гетеродина. Разбаланс схемы приводит лишь к частичному подавлению-шумов. Так, при KP\~2K PS в соответ­ ствии с (24) аш=35.

9Э