Назначение и требования, предъявляемые к преобразователям частоты

ПЧ состоит из преобразовательного элемента - смесителя (СМ), гетеродина (Г) и полосового фильтра. При одновременном воздействии на смеситель колебаний сигнала и гетеродина возникает колебание, содержащее составляющие с гармониками сигнала , гетеродина и комбинационными частотами , где m и n - целые числа.

Полосовой фильтр выделяет колебание одной из комбинационных частот, которая является промежуточной частотой .

Операцию преобразования частоты можно свести к двум процессам:

1. Перемножение напряжения входного радиосигнала и напряжения гетеродина.

2. Выделение с помощью полосно-избирательного фильтра колебания одной из комбинационных частот, принимаемой за промежуточную .

При идеальном перемножении напряжение на выходе перемножителя где – коэффициент передачи перемножителя. Одна из составляющих u (t), частота которой равна , выделяется фильтром, а другие – подавляются.

Преобразование частоты может быть простое, при котором промежуточная частота = и комбинированное, если для преобразования используется k -я гармоника частоты гетеродина и промежуточная частота = .

Частота может быть как выше, так и ниже частоты сигнала. В первом случае происходит преобразование частоты вверх, во втором - вниз.

Преобразование частоты осуществляется двумя основными способами.

Один основан на использовании элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Из теории нелинейных цепей известно, что если на элемент с вольт-амперной характеристикой будет действовать сумма напряжений и , то в его выходном токе появятся комбинационные составляющие с частотами , где и - целые числа.

При другом способе используются линейные параметрические цепи, у которых коэффициент передачи периодически изменяется под действием напряжения гетеродина. Это могут быть ключи, различные балансные схемы, микросхемы аналоговых перемножителей. Данный способ преобразования частоты нашел большее применение, поскольку в общем случае обеспечивает меньшие нелинейные искажения преобразуемого сигнала и аддитивных помех, что позволяет избегать интермодуляционных и перекрёстных помех.

Нелинейная или параметрическая цепь, выполняющая функции перемножения, называется смесителем. В качестве смесительных элементов в настоящее время в основном используют транзисторы, полупроводниковые диоды и перемножители.

К основным качественным показателям ПЧ относятся:

1. Коэффициент преобразования , где и – амплитуды напряжений промежуточной частоты и входного сигнала; либо эквивалентный параметр – потери преобразования (дБ) , где и - мощности колебаний промежуточной частоты и сигнала.

2. Входная проводимость .

3. Выходная проводимость .

4. Шумовое отношение - характеризует избыточные шумы, вносимые ПЧ на промежуточной частоте, по сравнению с шумами эквивалентного резистора, где - мощность шумов ПЧ в полосе в рабочем режиме.

5. Коэффициент шума смесителя , где - коэффициент шума усилителя промежуточной частоты (УПЧ), включенного на выход ПЧ. Обычно приводится нормированный коэффициент шума ПЧ, который определяется как коэффициент шума смесителя с УПЧ при = 15.

6. Коэффициент подавления шумов гетеродина , определяемый в рабочем режиме, т. е. при включенном гетеродине, отношением мощностей выходных сигналов промежуточной частоты при поочередной подаче на сигнальный и гетеродинный входы ПЧ сигналов одного и того же уровня.

7. Коэффициент подавления комбинационных составляющих ПЧ (дБ) , где - мощность комбинационных составляющих на выходе ПЧ, попадающая в полосу пропускания УПЧ.

ПЧ также характеризуются динамическим диапазоном, степенью развязки между всеми входами и выходом; параметром режима работы ПЧ является уровень мощности гетеродина.

Поскольку ПЧ является одним из первых узлов радиоприемного устройства, то для улучшения чувствительности приемника необходимо уменьшать собственные шумы ПЧ и увеличивать коэффициент преобразования. Поэтому на сравнительно небольших частотах (до 50 … 100 МГц) целесообразно использовать микросхемы аналоговых перемножителей, которые помимо большого коэффициента преобразования обеспечивают минимальный уровень нелинейных искажений сигнала и наименьшее число побочных каналов приема.

Широкое распространение получили также ПЧ на биполярных и полевых транзисторах, у которых также удается получить высокий коэффициент преобразования. Однако при длинах волн менее 30…20 см эти устройства оказываются неэффективными, из-за уменьшения коэффициента преобразования и роста собственных шумов. Поэтому на частотах выше 1 ГГц в настоящее время применяются ПЧ на полупроводниковых диодах, которые позволяют получить более высокий коэффициент преобразования и меньший коэффициент шума. Благодаря малым габаритам и высокой повторяемости параметров полупроводниковые смесительные диоды удобно использовать в волноводных конструкциях ПЧ и в микрополосковых элементах СВЧ интегральных схем.

К ПЧ предъявляются следующие основные требования:

1. Функция перемножения в ПЧ должна выполняться максимально точно, т. е. ПЧ должен быть линейным для полезного сигнала. Это необходимо для предотвращения появления дополнительных каналов приема, уменьшения нелинейных искажений модуляции полезного сообщения и уменьшения уровней перекрестных и интермодуляционных помех. По отношению к колебаниям гетеродина нелинейность преобразовательного элемента должна проявляться возможно сильнее. Данное требование достаточно легко выполняется при малых уровнях входного сигнала и больших уровнях колебаний гетеродина. При выполнении условия , свойства преобразователей частоты не будут зависеть от уровня сигнала, а будут определяться только свойствами преобразовательного элемента, амплитудой колебаний гетеродина и стабильностью его колебаний.

2. Цепи сигнала и гетеродина должны быть развязаны между собой. Если колебания сигнала будут проникать в цепь гетеродина, то может наблюдаться эффект затягивания гетеродина, при котором частота его колебаний будет смещаться в сторону частоты полезного сигнала. При проникновении колебаний гетеродина в цепь полезного сигнала могут возникнуть условия для появления дополнительных помех или излучения колебаний гетеродина в окружающее пространство.

3. Колебания сигнала и гетеродина не должны проникать в тракт промежуточной частоты.