Вопрос 11. Преобразователь частоты. Принцип работы преобразователя. Побочные каналы преобразования. Шумы преобразователя

Операция преобразования сводится к осуществлению 2 процессов:

1) перемножение 2х переменных напряжений (принимаемого и от гетеродина)

2) выделение с помощью Ф колебаний комбинационной частоты, принятой за ПЧ

Перемножение осуществляется подачей колебаний в цепь, коэффициент передачи которой периодически меняется с f гетеродина.

Несмотря на требование линейности для осуществления преобразования в ПР-ле имеются нелинейные элементы (VT, VD). C целью упрощения и удешевления конструкции, но с ухудшением качества, иногда функции гетеродина и СМ совмещают.

ПР-ль f с транзистором позволяет не только осуществить преобразование, но и одновременно усиливать принимаемые сигналы, что позволяет сократить количество усил. элемемнтов в РПУ.

При проектировании преобразователя и выборе режима работы УЭ желательно выполнение требований:

- получение макс коэффициента усиления;

- линейнось по отношению к принимаемому сигналу;

- мин. уровень собств. шумов;

- мин. уровень побочн. продуктов преобразования;

- мин напряжение и мощность Г;

- мин. связь между настраиваемыми цепями.

Для ПР-й всех типов справедлива схема (Uс и Uпч << Uг):

Учитывая, что все цепи резонансные и настроены на fc, fг и fпр, то можно считать, что токи других f не создают заметных напряжений, поэтому вх. и вых. токи можно представить в виде:

;

uс = Uc∙Cos(ωсt+φс);

uпч = Uпч∙Cos(ωпчt+φпч);

uг = Uг∙Cos ωгt.

Относительная малость Uс и Uпч позволяет представить искомый ток как функцию подводимых напряжений рядом Тейлора по степеням малых величин с пренебрежением высокими степенями на основании их малости и ограничится не выше 1 порядка:

Соответствующие проводимости:

Учитывая нелинейность проводимостей и их периодическое изменение с частотой Г, они мб представлены рядом Фурьи:

fij = gij0 + ;

i,j = 1,2, к – номер гармоники.

При соответствующих подстановках и замене произведений косинусов косинусами суммарных и разностных аргументов, а также при соответствующей селекции на выходе и выделении продуктов 1-го порядка, получим уравнение выходного тока:

Uпч∙g220∙Cos(ωпчt+φпч) + Uс∙0,5g21∙Cos(ωпчt+φс)

Перенос спектра на ПЧ происходит неодинаково.

Если имеем сигнал:

(На втором рисунке – преобразование fс-fг, на третьем fг-fс – инверсия спектра).

Поэтому при обработке сигналов ОМ необходимо это учитывать.

По сравнению с обычными резонансными усилителями преобразователи имеют более высокий уровень шумов (из-за режима работы, шум от Г), поэтому его коэффициент шума по сравнению с усилителем больше в 1.5-2 раза.

Преобразование может происходить не только на основной fг, но и на его гармониках, в этом случае желательно снижение уровня других гармонических составляющих.

Наибольшим уровнем на выходе обладают: fг и fс и при выделении fпр ослабление этих чатсот может оказаться затруднительным, поэтому в соврем. РПУ применяются балансные схемы.

Побочные каналы преобразования. Шумы преобразователя

В отличие от резонансного усилителя напряжение на выходе Пр-ля появляется на различных f вх. сигнала fc = kf_Г±f_пр в зависимости от номера гармоники f гетеродина (рис. 1).

На fпр Пр-ль является просто усилителем с крутизной G(0)₂₁. Это канал прямого прохождения сигнала, без переноса спектра относительно f гетеродина. Преобразование на первой гармонике fг будет пропорционально G(1)₂₁ на частотах входного сигнала fг - fпр и fг + fпр. Преобразование на второй гармонике 2fг гетеродина пропорционально G(2)21 на частотах 2fг - fпр и fг + fпр и т. д.

Следовательно, частотная характеристика имеет несколько максимумов (1,2,3,...). Чем выше порядок преобразования, тем обычно меньше крутизна преобразования и, значит, коэффициент усиления.

В полосу пропускания фильтра на выходе преобр-я попадают продукты преобр-я колебаний всех каналов. Один из этих каналов является основным, остальные — побочными, мешающими. Например, если основным выбран канал 2 с частотой fc, то побочным будет канал 3, который является как бы зеркальным отражением основного канала, поэтому он называется зеркальным (или симметричным), его частота fз отличается от f основного канала на 2fпр. Если в качестве основного будет принят канал 3, то зеркальным будет канал 2. Усиление преобр-я по основному и зеркальному каналам одинаково. Поэтому его влияние на избир-ть приемника наиболее существенно.

Колебания с f побочных каналов должны быть подавлены до ПЧ, т. е. в преселекторе (характеристика которого показана штриховой линией на рис. 1). Подавление зеркального канала облегчается при более высокой ПЧ. Однако высокую избирательность по соседнему каналу и устойчивое усиление легче получить при более низкой ПЧ.

Разрешение этого противоречия возможно при 2м или 3м преобразовании f.

Схема двойного преобразования изображена на рис. 2.

Принимаемый сигнал с частотой fc последовательно преобразуется в первом и втором преобразователях.

Относительно высокая первая промежуточная частота позволяет осуществить необходимое ослабление зеркального канала в преселекторе фильтром Ф1. Преобразованный сигнал на частоте fпр1 выделяется фильтром Ф2 в тракте первой промежуточной частоты и затем еще раз преобразуется Пр-м ПЧ2. Сравнительно низкая вторая ПЧ облегчает формирование требуемой резонансной характеристики и ПП тракта fпр2 фильтром Ф3.

Особенность 2-го преобразования состоит в появлении 2-го зеркального канала fз2 = fc - fпр2, отстоящего от fпр1 на 2fпр2 и распол-го симметрично относительно f 2го гетеродина f_Г2 (рис. 3).

В преселекторе 2й ЗК сущ-но не ослабляется, так как 2я ПЧ fпр2 относительно низка и fз2 распол. достаточно близко к f прин-го сигнала.

На выходе первого Пр-ля частота f_з2 преобразуется в частоту f_Г1 - fз2 = f_Г1 - (fc - 2fп_р2) = fпр1 + 2fпр2 = fз пр, которая должна быть подавлена в тракте первой промежуточной частоты фильтром Ф2, в этом состоит его основное назначение.

В инфрадинах применяется преобразование частоты, при котором первая ПЧ fпр1 выбирается выше макс. f сигнала. Во 2м ПР-ле fпр1 преобразуется в fпр2 и выделяется фильтром Ф2. 2й ЗК подавл. в фильтре Ф2. Так как fпр1 высокая, то для понижения ее до требуемого значения одного ПРля ПЧ2 может оказаться недостаточно, поэтому в инфрадине м. потребоваться 3й Пр-ль, не показанный на рис. 2. Соответственно добавится 3й ЗК, подавление кот. д. обеспечить фильтр Ф3.

Преимущество инфрадина состоит в упрощении преселектора (фильтра Ф1). В приемнике с переменной настр-й в широком диапазоне частот этот фильтр нежелателен, так как он требует плавной настройки в поддиапазоне и переключения катушек для смены поддиапазонов. Механический переключатель сложен в производстве, ненадежен, не допускает миниатюризацию

Шумы: Преобразователь является одним из первых каскадов приемника, поэтому его шумы могут существенно влиять на общий коэффициент шума и, следовательно, на реальную чувствительность РПрУ. Для определения коэффициента шума ПЧ на невзаимном элементе можно использовать эквивалентную шумовую схему:

При этом параметры смесительных каскадов должны соответствовать режиму преобразования. Если избирательность преселектора на частотах побочных каналов недостаточно велика, то части спектра, совпадающие с побочными каналами, после преобразования попадут в полосу пропускания тракта промежуточной частоты и общий шум на выходе возрастет. Это повышение уровня шума можно оценить эквивалентным увеличением эффективной шумовой полосы приемника. Основное влияние на увеличение шума оказывает зеркальный канал, но если избирательность по зеркальному каналу не менее 10 дБ, то его влиянием можно пренебречь. При расчетах часто полагают, что коэффициент шума транзисторных пр-й в 1,5...2 раза превышает коэффициент шума усилительных каскадов, работающих на тех же транзисторах.

Современные транзисторные преобразователи СВЧ имеют шумовую температуру порядка 1000...1500 К.

В диодном пр-ле флуктуационные процессы вызываются теми же причинами, что и в предыдущем случае, но вследствие взаимности преобразовательного элемента они приобретают более сложный характер. Шумовой ток диода содержит небольшую тепловую составляющую, но в основном определяется дробовыми флуктуациями носителей через р-n-переход. Этот ток создает напряжение во входной и выходной цепях смесителя. Кроме того, входная и выходная цепи имеют компоненты токов тепловых шумов, средний квадрат которых соответствует формуле,

где Gэ — эквивалентная резонансная проводимость соответственно входного или выходного контура.

Шум ВЦ в результате прямого преобразования создает напряжение промежуточной частоты на выходе, добавляясь к выходным шумам контура и диода. Этот шум вследствие обратного преобразования переносится в полосу частот сигнала и создает соответствующее напряжение на входном контуре, которое затем в результате прямого преобразования переносится обратно в полосу пропускания УПЧ, что увеличивает шумы диодного преобразователя.

Помимо рассмотренных в преобразователях СВЧ существуют шумы гетеродина, имеющие широкий спектр. Мешающее действие оказывают составляющие вблизи частоты сигнала и зеркального канала, которые в результате преобразования попадают в полосу пропускания тракта промежуточной частоты. На сантиметровых и миллиметровых волнах шумы гетеродина могут приводить к увеличению коэффициента шума преобразователя в 2 и более раз. Эффективной мерой уменьшения шумов гетеродина является применение балансных ПЧ.

Коэффициент шума линейного тракта приемника с преобразователем:

где K_{P прес ном} — коэффициент передачи мощности преселектора; K_{P ПЧ ном} — коэффициент передачи мощности ПЧ. Если преселектор состоит только из ВЦ без УРЧ, то KP прес < 1, поэтому сильнее сказываются шумы преобразователя. У диодных пр-й K_{P ПЧ} < 1, поэтому на коэффициент шума приемника заметное влияние может оказать шум УПЧ. Его первые каскады должны быть малошумящими.