Структурные схемы радиоприёмника прямого усиления и супергетеродинного приёмника

Подавляющее большинство радиоприёмников строятся по двум основным схемам:

по схеме прямого усиления;

по схеме супергетеродинного типа.

Рассмотрим последовательно обе эти схемы:

На рис. 3 изображена схема приёмника прямого усиления.

Отдельные элементы этой схемы имеют следующие целевые назначения.

Входная цепь предназначена для передачи напряжения полезного сигнала из антенны на вход первого каскада усилителя высокой частоты и получения предварительной селекции принимаемых сигналов по частоте, с ослаблением по возможности напряжения мешающих сигналов. Она содержит один, а иногда и несколько колебательных контуров, настроенных на частоту принимаемых радиосигналов. Основными параметрами входной цепи являются коэффициент передачи по напряжению и избирательность.

Усилитель высокой частоты предназначен для усиления слабых сигналов наводимых в антенне до уровня, при котором возможно качественное детектирование. Для нормальной работы детектора на вход его должен быть подан ВЧ сигнал порядка одного или нескольких вольт и с мощностью 10^-3 -10^-5 ватт. А на входе радиоприёмника слабый сигнал, напряжение которого обычно измеряется тысячными или миллионными долями вольта и с мощностью 10^-10 -10^-16 ватт. Вторая задача УВЧ — совместно с входной цепью обеспечить необходимую (основную) избирательность радиоприёмника, т.е. способность принимать сигналы только от нужного нам радиопередатчика при одновременной работе других радиопередающих устройств и источников помех. УВЧ, также как и входные цепи настраивается на частоту принимаемых радиосигналов и в диапазонных радиоприёмниках должны допускать настройку на различные частоты диапазона.

УВЧ, очень часто, включает в себя несколько каскадов усиления (резонансные усилители), содержащих усилительную лампу и колебательный контур. Преимущественное применение в УВЧ получили электронные лампы: пентоды (значительная крутизна характеристики и низкий уровень внутренних шумов) и триоды на очень высоких частотах. К основным показателям характеризующим качество работы УВЧ относятся: диапазон усиливаемых частот (избирательность), коэффициент усиления, искажения вносимые усилителем (полоса пропускания). Таким образом, основное усиление принимаемого радиосигнала происходит непосредственно на частоте сигнала. Поэтому такие радиоприёмные устройства и называют радиоприёмниками прямого усиления.

Детектор преобразует форму напряжения, принятого и усиленного сигнала ВЧ в напряжение, соответствующее модулирующему (управляющему сигналу) напряжению в передатчике. Это преобразование высокочастотных модулированных сигналов в низкочастотные, форма которых точно соответствует форме огибающей модулированного сигнала называется детектированием. Так как в спектре ВЧ напряжения, модулированного по амплитуде, не содержится составляющих, с модулирующей часвтотой, то для детектирования применяют нелинейные элементы: электронные лампы или кристаллические детекторы. Выбор детектора определяется видом модуляции радиосигналов, для приёма которых предназначается РПрмУ. Наиболее распространённым типом детектора является диодный детектор. Его достоинством является малый уровень нелинейных искажений, при условии что амплитуда входного сигнала достаточно велика, например превышает 2-3 вольта. Принцип работы детектора сводится к выпрямлению подводимого к нему высокочастотного модулированного по амплитуде напряжения и усреднению выпрямленного напряжения за период высокой частоты. Одной из основных характеристик детектора является коэффициент передачи напряжения.

На УНЧ возлагается одна задача: довести мощность выделенного детектором модулирующего напряжения до такого уровня, при котором будет обеспечена нормальная работа оконечного аппарата.

Усилитель мощности применяется в тех случаях, когда для работы оконечного аппарата необходима значительная мощность.

Иногда в приёмнике прямого усиления могут отсутствовать некоторые звенья схемы (в детекторном РПрмУ — нет УВЧ).

Приемник прямого усиления не является совершенным и обладает рядом существенных недостатков:

невозможно получить большой на высоких частотах вследствие самовозбуждения УВЧ, обусловленного паразитными связями, влияние которых возрастает с переходом на короткие и ультракороткие волны;

трудно создать на высоких частотах амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) с узкой полосой пропускания и хорошей избирательностью;

сложно обеспечить неизменную избирательность (АЧХ) радиоприёмника в широком диапазоне рабочих частот при перестройке УВЧ.

Приёмники прямого усиления находят сравнительно ограниченное применение, так как не удаётся получить большой и высокую избирательность. Кроме того эти параметры при перестройке в заданном диапазоне частот изменяются в недопустимо больших пределах. Их применяют, когда не требуется высокая чувствительность и приём предполагается на фиксированной частоте (без перестройки).

Более широкое распространение получили приёмники супергетеродинного типа. Они свободны от недостатков присущих приёмникам прямого усиления, так как в них основное усиление радиосигнала различных частот, в диапазоне работы радиоприёмника, происходит не на частоте принимаемого сигнала, а на промежуточной f_пр, которая является постоянной величиной (f_пр =const) для каждого радиоприёмника.

Это позволяет обеспечить высокую избирательность с помощью неперестраиваемого усилителя промежуточной частоты (УПЧ), выполнить одноручечную перестройку приёмника и т.д. Таким образом для получения большого усиления с хорошей избирательностью применяются более сложные супергетеродинные приёмники (рис. 4).

Сопоставляя две схемы, мы можем отметить, что последняя схема отличается от первой двумя дополнительными элементами: преобразователем частот, в составе смесителя и гетеродина (СМ и Г) и УПЧ. Остальные звенья однотипны и решают такие же задачи, как и одноименные звенья в приемнике прямого усиления.

Входная цепь и усилитель высокой частоты радиоприёмника по схеме супергетеродинного типа дополнительно обеспечивают избирательность по зеркальному каналу, т.е. исключают (ослабляют) прохождение на вход смесителя колебаний с частотой f_c^/, которые с напряжением гетеродина частоты f_г могли бы создать напряжение той же промежуточной частоты f_пр = f_г - f_c^/. Зеркальный канал f_c^/ не несущий информацию отстоит от основного f_c на двойную промежуточную частоту 2 f_пр.

В преобразователе частоты принимаемый радиосигнал f_c преобразуется в радиосигнал промежуточной частоты f_пр = f_c - f_г, что происходит в смесителе при взаимодействии принимаемого радиосигнала f_c и напряжения частоты гетеродина f_г, поступающего в смеситель от местного генератора (гетеродина). Главным требованием, предъявляемым к напряжению промежуточной частоты, является требование сохранения вида и характера модуляции, присущего принимаемому сигналу. На рисунках представлены временные диаграммы для амплитудно-модулированного радиосигнала: напряжение сигнала до преобразования частоты и после.

Смеситель выполняется на электронных лампах или полупроводниковых приборах, работающих в нелинейном режиме. На выходе смесителя кроме тока промежуточной частоты f_пр = f_c - f_г возникают токи других частот (побочных), например f_c + f_г и др. При помощи фильтра настроенного на промежуточную частоту f_пр =const (с полосой пропускания ∆ f_пч, равной активной ширине спектра принимаемого радиосигнала) ток промежуточной частоты выделяется из всех остальных составляющих токов. То обстоятельство, что фильтр промежуточной частоты настраивается на неизменную частоту f_пр =const, которая как правило ниже частоты сигнала f_c, позволяет получить в радиоприёмных устройствах супергетеродинного типа стабильные характеристики избирательности, которые не зависят от диапазона рабочих частот.

Преобразованный радиосигнал на промежуточной частоте f_пр (является постоянной величиной f_пр =const для каждого радиоприёмника) поступает в УПЧ и усиливается до уровня, необходимого для работы детектора. В УПЧ осуществляется основное усиление принимаемых радиосигналов и от него зависят важнейшие параметры супергетеродинного радиоприёмника: полоса пропускания, избирательность, чувствительность. Постоянство f_пр позволяет настроить контуры УПЧ так, что форма частотной характеристики становится близкой к прямоугольной (полосовые усилители), обеспечивая равномерное усиление всего спектра частот передаваемого сигнала. Широкое применение получили УПЧ с двухконтурными полосовыми фильтрами в анодной нагрузке, а также применяют: полосовые усилители с одним контуром в каждом каскаде и с различным числом контуров в каждом каскаде. Форма частотной характеристики и УПЧ зависят от величины связи между контурами.

Таким образом, несмотря на усложнение схемы, супергетеродинные приемники получаются с меньшим числом каскадов, чем радиоприёмник прямого усиления с теми же качественными показателями, т.к. на высоких частотах (больше 10-20 МГц), радиоприёмник прямого усиления построить значительно труднее, одновременно обладающего малым весом и габаритами. Объясняется это тем, что с повышением частоты уменьшается и ухудшается избирательность каждого каскада УВЧ. Форма резонансной характеристики далека от прямоугольной. Эти недостатки почти устраняются при работе супергетеродинных радиоприёмников. Они имеют более высокую избирательность и позволяют лучше сочетать противоречивые требования малой степени частотных искажений, так как форма резонансной характеристики близка к прямоугольной и высокой избирательности. В них преобразователь частоты уменьшает значение несущей частоты до более низкой, равной частоте промежуточной. Напряжение f_пр усиливается в УПЧ и подается в детектор. При этом основное усиления и избирательность осуществляется в каскадах УПЧ на постоянной f_пр =const и не зависящей от настройки радиоприёмника частоте.