Перетворювачем частоти називають пристрій, що здійснює перенесення спектра сигналу з однієї області частот в іншу. Так як сигнал несе в собі корисну інформацію, укладену в одному або кількох його параметрах, то в процесі перетворення частоти ця інформація повинна зберігатися. Природно, що в реальних умовах завжди має місце спотворення інформації, які не повинні перевершувати деяких допустимих значень.
Цим умовам найбільш повно відповідає принцип гетеродинного перетворення частоти.
У такому перетворювачі частоти сигнал і коливання малопотужного допоміжного генератора, званого гетеродином (М), одночасно впливають на нелінійний елемент (НЕ) (або на елемент з перемінним параметром).
У результаті на виході нелінійного елемента (часто званого змішувачем (См)) з'являється безліч комбінаційних складових струмів/напруг з частотами:
fк = | ± n fг ± m fc | ,
де n = m = 0, 1, 2, … .
Одна з цих комбінаційних частот використовується в якості нової несучої частоти вихідного сигналу. Ця частота називається проміжною частотою (f пр). Для її виділення в якості навантаження змішувача використовують різні типи виборчих систем (ІС).
З точки зору мінімізації спотворень інформації при перетворенні частоти і поліпшення вибірковості при наявності заважаючих сигналів, перетворювач частоти для сигналу повинен бути лінійним, тобто в ньому не повинні породжуватися гармоніки частоти сигналу (m=1). Ця умова може виконуватися досить точно, якщо сигнал є "малим". При цьому його розмах захоплює лише невелику ділянку характеристики перетворювального елемента і її можна вважати для напруги сигналу лінійної на цій ділянці.
По відношенню до коливань гетеродина нелінійність перетворювального елемента повинна проявляти себе можливо сильніше. Зазвичай це призводить до необхідності мати значну амплітуду гетеродинного напруги. Таким чином, у переважній більшості випадків виконується умова:
Uc(t) << Uг(t).
До тих пір, поки виконується це нерівність, властивості перетворювача частоти не залежать від амплітуди сигналу, а визначаються властивостями перетворювального елемента, амплітудної гетеродинного напруги і стабільністю його коливань.
Роль нелінійних або параметричних елементів у сучасних перетворювачах частоти виконують біполярні та польові транзистори, мікросхеми, діоди.
В якості виборчої системи використовуються поодинокі коливальні контури, двоконтурні фільтри і фільтри зосередженої вибірковості різного виду.
Перетворювач частоти характеризується рядом якісних показників, основні з яких наступні:
коефіцієнт перетворення (Кп), що є відношенням комплексних амплітуд напруги проміжної частоти і частоти сигналу :
– вхідний опір
– вихідний опір
Незважаючи на велику різноманітність використовуваних нелінійних елементів, та виборчих систем, можлива побудова єдиної теорії для опису основних процесів, що відбуваються в будь-якому перетворювачі частоти. Ця теорія носить назву загальної теорії перетворення частоти. Вона побудована на припущенні "малості" сигналу і безынерционности перетворювального елемента.
У загальному випадку змішувач будь-якого перетворювача частоти можна розглядати як нелінійний шестиполюсник (рис. 2), на виході якого включена виборча навантаження , налаштована на вибране значення проміжної частоти.
Для безынерционного перетворювального елемента вихідний струм в кожен момент часу визначається миттєвими значеннями напруг:
Uс(t), u п(t), Uг(t), і
івих = f(Uс, u п, Uг).
Так як амплітуди напруг і малі порівняно з амплітудою напруги гетеродин, то вирази для івих можна розкласти в подвійний ряд Тейлора в точці, що задається миттєвими значеннями напруги Uг(t).
Такий підхід дозволяє представити перетворюючий елемент спільно з гетеродином у вигляді квазілінійного чотириполюсника, що характеризується чотирма У – параметрами, перетворювальними параметрами [1,3].
– постійні складові вихідного струму, крутизни та вихідної провідності;
– амплітуди "п"-х гармонік цих же величин.
Наведені рівняння повністю описують поведінку перетворювача частоти як лінійного чотириполюсника з характеристичними параметрами короткого замикання:
крутизною перетворювача
внутрішньої провідністю
крутизною зворотного перетворення
вхідний провідністю перетворювача
Таким чином, у першому наближенні можна вважати, що перетворювач частоти здійснює математичну операцію множення напруги сигналу і гетеродина. Еквівалентні схеми перетворювального та підсилювального каскаду однакові. Відмінність полягає тільки в значенні параметрів. У разі якщо можна знехтувати зворотним перетворенням частоти, то
Крутизна перетворення є найважливішим параметром перетворювача частоти, що визначає ефективність його роботи. В практично важливих випадках всі операції по обчисленню , з достатньою для інженерної практики точністю, можуть бути виконані аналітично.
При цьому застосовують різні способи апроксимації залежності крутизни активного приладу від напруги гетеродина [3]. Зокрема, при лінійній апроксимації отримані наступні розрахункові співвідношення:
Дані співвідношення з великою точністю описують роботу польових транзисторів в режимі перетворення частоти.
Застосування балансових схем перетворювачів частоти так само дозволяє зменшити число паразитних каналів прийому. Перетворювач частоти можна зробити балансным як вхідного, так і для гетеродинного сигналів. Такі схеми називають подвійними балансовими і зазвичай виконують з використанням диференціальних підсилювачів або діодів. На рис. 5-7 наведено приклади схем перетворювачів частоти.
Існує багато різновидів змішувачів на біполярних транзисторах. З міркувань розв'язки сигнального і гетеродинного контурів бажано подавати напруги сигналу і гетеродина на різні електроди транзистора. Зв'язок з гетеродином може бути виконана як ємнісного типу (ССВ), так і індуктивного типу (див. рис. 6). Режим по постійному струму і температурна стабілізація забезпечуються з допомогою резисторів R1, R2, R3.
(ГСТ). Існують і інші варіанти балансних перетворювачів. Загальний принцип їх дії полягає в тому, що з напруги сигналу і гетеродина одне докладено в обох плечах синфазно, а друге противофазно.
