Этим условиям наиболее полно соответствует принцип гетеродинного преобразования частоты.
В таком преобразователе частоты сигнал и колебания маломощного вспомогательного генератора, называемого гетеродином (Г), одновременно воздействуют на нелинейный элемент (НЭ) (или на элемент с переменным параметром).
В результате на выходе нелинейного элемента (часто называемого смесителем (См)) появляется множество комбинационных составляющих токов/напряжений с частотами:
fк = | ± n fг ± m fc | ,
где n = m = 0, 1, 2, … .
Одна из этих комбинационных частот используется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала. Эта частота называется промежуточной частотой (fпр). Для её выделения в качестве нагрузки смесителя используют различные типы избирательных систем (ИС).
С точки зрения минимизации искажений информации при преобразовании частоты и улучшения избирательности при наличии мешающих сигналов, преобразователь частоты для сигнала должен быть линейным, т.е. в нем не должны порождаться гармоники частоты сигнала (m=1). Это условие может выполняться достаточно точно, если сигнал является “малым”. При этом его размах захватывает лишь небольшой участок характеристики преобразовательного элемента и её можно считать для напряжения сигнала линейной на этом участке.
По отношению к колебаниям гетеродина нелинейность преобразовательного элемента должна проявлять себя возможно сильнее. Обычно это приводит к необходимости иметь значительную амплитуду гетеродинного напряжения. Таким образом, в подавляющем большинстве случаев выполняется условие:
Uc(t) << Uг(t).
До тех пор, пока выполняется это неравенство, свойства преобразователя частоты не зависят от амплитуды сигнала, а определяются свойствами преобразовательного элемента, амплитудной гетеродинного напряжения и стабильностью его колебаний.
Роль нелинейных или параметрических элементов в современных преобразователях частоты выполняют биполярные и полевые транзисторы, микросхемы, диоды.
В качестве избирательной системы используются одиночные колебательные контура, двухконтурные фильтры и фильтры сосредоточенной избирательности различного вида.
Преобразователь частоты характеризуется рядом качественных показателей, основные из которых следующие:
коэффициент преобразования (Кп), являющийся отношением комплексных амплитуд напряжения промежуточной частоты и частоты сигнала :
— входное сопротивление
— выходное сопротивление
Несмотря на большое разнообразие используемых нелинейных элементов, и избирательных систем, возможно построение единой теории для описания основных процессов, происходящих в любом преобразователе частоты. Эта теория носит название общей теории преобразования частоты. Она построена в предположении “малости” сигнала и безынерционности преобразовательного элемента.
В общем случае смеситель любого преобразователя частоты можно рассматривать как нелинейный шестиполюсник (рис. 2), на выходе которого включена избирательная нагрузка , настроенная на выбранное значение промежуточной частоты.
Для безынерционного преобразовательного элемента выходной ток в каждый момент времени определяется мгновенными значениями напряжений:
Uс(t), Uп(t), Uг(t), и
iвых = f(Uс, Uп, Uг).
Так как амплитуды напряжений и малы по сравнению с амплитудой напряжения гетеродин, то выражения для iвых можно разложить в двойной ряд Тейлора в точке, задаваемой мгновенными значениями напряжения Uг(t).
Такой подход позволяет представить преобразующий элемент совместно с гетеродином в виде квазилинейного четырехполюсника, характеризуемого четырьмя У – параметрами, преобразовательными параметрами [1,3].
– постоянные составляющие выходного тока, крутизны и выходной проводимости;
— амплитуды "п"-х гармоник этих же величин.
Приведенные уравнения полностью описывают поведение преобразователя частоты как линейного четырехполюсника с характеристическими параметрами короткого замыкания:
крутизной преобразователя
внутренней проводимостью
крутизной обратного преобразования
входной проводимостью преобразователя
Таким образом, в первом приближении можно считать, что преобразователь частоты осуществляет математическую операцию перемножения напряжений сигнала и гетеродина. Эквивалентные схемы преобразовательного и усилительного каскада одинаковы. Отличие состоит только в значении параметров. В случае если можно пренебречь обратным преобразованием частоты, то
Крутизна преобразования является важнейшим параметром преобразователя частоты, определяющим эффективность его работы. В практически важных случаях все операции по вычислению , с достаточной для инженерной практики точностью, могут быть выполнены аналитически.
При этом применяют различные способы аппроксимации зависимости крутизны активного прибора от напряжения гетеродина [3]. В частности, при линейной аппроксимации получены следующие расчетные соотношения:
Данные соотношения с большой точностью описывают работу полевых транзисторов в режиме преобразования частоты.
Применение балансных схем преобразователей частоты так же позволяет уменьшить число паразитных каналов приема. Преобразователь частоты можно сделать балансным как для входного, так и для гетеродинного сигналов. Такие схемы называют двойными балансными и обычно выполняют с использованием дифференциальных усилителей или диодов. На рис. 5-7 приведены примеры схем преобразователей частоты.
Существует много разновидностей смесителей на биполярных транзисторах. Из соображений развязки сигнального и гетеродинного контуров желательно подавать напряжения сигнала и гетеродина на разные электроды транзистора. Связь с гетеродином может быть выполнена как емкостного типа (CCВ), так и индуктивного типа (см. рис. 6). Режим по постоянному току и температурная стабилизация обеспечиваются с помощью резисторов R1, R2, R3.
(ГСТ). Существуют и другие варианты балансных преобразователей. Общий принцип их действия состоит в том, что из напряжений сигнала и гетеродина одно приложено в обоих плечах синфазно, а второе противофазно.
