§ 5.6. Гетеродины

Гетеродин является генератором высокой частоты и представляет собой обычно маломощный автогенератор. Теория, схемотехника и методы расчета различных автогенераторов излагаются в курсе радиопередающих устройств. Отметим, что в современных многоканальных приемниках (например, в приемных АФАР, в приемниках многоканальных РЛС) мощность общего для всех каналов гетеродина может достигать сотен милливатт и даже десятков ватт.

В зависимости от диапазона принимаемых частот, назначения приемника, его функциональной схемы и конструктивно-технологического исполнения применяют гетеродины на транзисторах, интегральных микросхемах, диодах Ганна и лавинно-про-летных диодах, лампах бегущей и обратной волн, клистронах, оптических квантовых генераторах.

В качестве резонансных систем в автогенераторах используют контуры с сосредоточенными элементами, кварцевые резонаторы и резонаторы на ПАВ, резонаторы на отрезках различных линий передачи СВЧ (коаксиальные, мнкрополосковые, щелевые н Др), объемные и открытые ре-

зонаторы, миниатюрные диэлектрические резонаторы и резонаторы на ЖИГ (железоиттриевый гранат).

Гетеродины для приемных устройств должны иметь относительную частотную нестабильность не хуже Д///₀ = 10~³-=-10^-4. Применение кварцевых резонаторов позволяет получить долговременную нестабильность частоты Д///₀ = Ю^-5 -f- 10~^в, двойное термостатирование кварцевых генераторов дает уменьшение нестабильности до Ю^-9. Для получения высокостабильных колебаний в диапазоне СВЧ применяют многократное умножение частоты стабильного кварцевого генератора (так называемые транзисторно-варакторные умножитель-ные цепочки), а также различные системы стабилизации частоты по эталонным высокодобротным резонаторам СВЧ.

Плавная перестройка частоты гетеродинов осуществляется переменными конденсаторами, варикапами (варакторами), напряжением питания, изменяющимся в небольших пределах (клистроны, диоды Ганна), магнитным полем путем изменения тока в катушках (генераторы на ЖИГ). Дискретная перестройка частоты необходима для сокращения времени перестройки по диапазону и реализуется разными способами. Часто используют коммутируемый электронными или электромеханическими ключами набор конденсаторов, подключаемых к контуру автогенератора, а при повышенных требованиях к стабильности частоты — синтезаторы частоты.

Широко применяют декадные синтезаторы частот с дискретным частот-

ным интервалом (для связных приемников) 100, 10 и 1 Гц. При построении декадных синтезаторов частоты сетка частот формируется из колебаний опорного кварцевого генератора и все частоты имеют долговременную нестабильность не хуже нестабильности частоты опорного генератора. Наиболее широко распространены синтезаторы на основе системы ФАПЧ с переменным делителем частоты, а также синтезаторы, построенные по методу суммирования импульсных последовательностей. Достоинством первых является широкодиапазонность и гармоническая форма выходных колебаний, вторых — возможность получения любого мелкого шага сетки частот и высокая скорость перестройки частоты. Упрощенная схема декадного синтезатора частоты на основе системы ФАПЧ с переменным делителем частоты приведена на рис. 5.32. Синтезатор содержит опорный кварцевый генератор (ОГ) с частотой /₀ = = 5 МГц, набор делителей частоты (два из них имеют переменные коэффициенты деления т и п) и три перестраиваемых генератора r_if Г₂, Г₃, каждый из которых охвачен петлей ФАПЧ.

Система ФАПЧ генератора Г, содержит делитель частоты с переменным коэффициентом деления т, фазовый детектор ФД_Х и фильтр нижних частот ФНЧ,. Аналогично построена и система ФАПЧ генератора Г₂. Как видно из рис. 5.32, генераторы Г_х и Г₂ под действием систем ФАПЧ имеют стабилизированные частоты т-1 кГц и л -100 кГц соответственно. В систему ФАПЧ генератора Г₃ входят

смеситель См, полосовой фильтр ПФ, ФДз и ФНЧ,. Напряжение с выхода смесителя См с частотой, равной разности частот генераторов Г₃ и Г₂, подается через ПФ на один из входов ФДз, к другому входу которого подводится напряжение с частотой т-100 Гц, полученное из колебаний генератора Г, путем деления частоты. Регулирование частоты генератора Г₃ происходит до тех пор, пока частота напряжения на выходе смесителя См не достигнет значения т-100 Гц. Таким образом, генератор Г₃ выдает колебания со стабилизированной частотой (га• 100 кГц + т-100 Гц) и частотным интервалом 100 Гц. Для изменения коэффициента деления тип предусматривают несколько ручек управления, причем для удобства настройки каждая декада частоты устанавливается отдельной ручкой.

Принцип работы синтезатора частоты на основе суммирования импульсных последовательностей состоит в следующем. Из колебаний опорного генератора с частотой /₀ формируется исходная импульсная последовательность, из которой с помощью набора делителей частоты и селекторов импульсов образуется ряд вспомогательных импульсных последовательностей, суммируемых на элементе ИЛИ. Если, например, использованы декадные делители частоты, то на выходе элемента ИЛИ получается результирующая импульсная последовательноть со средней частотой /_ср == (Лх/10 + Л₂/10² + ...+

+л_л/10*)/₀; где щ = 1-f 9-число импульсов, выбираемых i-м селектором из каждых 10 импульсов, поступающих с выхода i'-го делителя частоты. Изменяя по заданной программе значения n_t в селекторах, можно с высокой скоростью перестраивать среднюю частоту. Для снижения уровня побочных спектральных составляющих частоту обычно делят в /V раз. При этом максимальный уровень побочных спектральных составляющих также снижается примерно в раз, но во столько же раз сужается и диапазон перестройки частоты.

Современные синтезаторы частоты, как правило, построены на цифровых микросхемах и оперируют потоками прямоугольных импульсов. Многократное деление частоты импульсов, высокая крутизна их фронтов приводят к тому, что при работе синтезатора частоты создается широкий спектр помех в радиодиапазоне. При этом возникает проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) синтезатора частоты со «своим» приемником и другими радиосредствами.

Необходимо принять следующие меры для улучшения ЭМС синтезатора частоты: выбор такой опорной частоты, при которой ее гармоники не попадают в диапазон рабочих частот; тщательное экранирование синтезатора частоты; снижение числа корпусов микросхем, уменьшение размеров печатных проводников, применение маломощных микросхем и др. Для улучшения ЭМС предпочтительнее использование синтезаторов частоты с гармонической формой выходных колебаний.

Отметим особенности гетеродинов для приемников на интегральных микросхемах. Для приемников на ИМС гетеродины строят с использованием LC-контуров, совместимых конструктивно и технологически с ИМС (например, микроминиатюрные сердечники, пленочные катушки индуктивности). Если допустима относительная нестабильность частоты порядка 10~² — 10~³ и позволяет частотный диапазон, то применяют различные /?С-генераторы синусоидальных, а также прямоугольных колебаний (например, мультивибраторы).

При повышенных требованиях к стабильности частоты используют интегральные кварцевые генераторы (ИКГ). Часто в ИКГ на пьезоэлемен-те как на подложке размещают пленочные резисторы и навесные транзисторы, при этом пьезоэлемент является пьезотрансформатором, так что не требуются дополнительные конденсаторы и катушки индуктивности (рис. 5.33). Параметры ИКГ практически достигли уровня параметров обыч-

нчх кзар-.евых генераторов. Кварцевые генераторы могут быть выполнены также на ПАВ, возбуждаемых на кварцевой подложке, при этом резонатор на ПАВ включается в цепь ОС усилителя (рис. 5.34). Генерация в И КГ на ПАВ возможна до частот 1—2 ГГц.

Устройства на ПАВ позволяют строить простые и компактные синтезаторы частоты (рис. 5.35). Спектр периодической последовательности радиоимпульсов на выходе генератора импульсов ГИ содержит, как известно, значительное число составляющих с частотами / ± nF, где F —частота повторения импульсов. Каждый из полосовых фильтров ПФ на ПАВ пропускает на вход коммутатора напряжение только одной частоты. Широкому распространению таких синтезаторов частоты ранее препятствовали большие габариты ПФ, технологические трудности их изготовления, высокая стоимость. Создание полосовых фильтров на ПАВ практически устранило эти недостатки. Так, например, 20 фильтров на ПАВ вместе с коммутатором могут быть размещены на пьезоподложке размером 25 х 15 мм.

В коротковолновой части миллиметрового диапазона стабильность частоты гетеродинов недостаточна из-за сравнительно невысокой добротности объемных резонаторов. Выход из положения найден с помощью открытых резонаторов, добротность которых может достигать 100000 — — 300000. На рис. 5.36 показана конструкция гетеродина на открытом резонаторе, выполненном на сферическом / и плоском 2 зеркалах. Диод 3 установлен на держателе 4, который может перемещаться путем изменения толщины прокладки 5. С диодом 3 связана гибкая лента 6, которая выполняет роль антенны, возбуждающей резонатор; кроме того, по ленте к диоду подводится напряжение питания. Зеркала / и 2 укреплены в инваровых стойках 7. Вывод энергии осуществляется через отверстие связи 8 в зеркале I и вращающееся полноводное сочленение 9, позво-

ляющее изменять степень связи рузки с генератором. В настоя время такие гетеродины работо собны в диапазоне частот U 200 ГГи.