Супергетеродинные схемы

Наиболее распространенным видом радиоприемников в наше время являются супергетеродины, сокращенно называемые „суперами". Название „супер" нельзя относить к суперрегенераторам, потому что принципы супергетеродинного приема не имеют ничего общего с суперрегенерацией.

Если незатухающие высокочастотные колебания частоты f1 смешать в одном и том же контуре с колебаниями иной частоты /2, отличающейся от f1, то в контуре возникнут суммарные сложные колебания, называемые колебаниями биений. На рис. 75 показано, как при смешивании двух незатухающих колебаний образуются биения, имеющие частоту F: а — смешиваемые колебания обладают равными амплитудами, причем образованные ими биения с частотой   имеют амплитуду, изменяющуюся от нуля до удвоенного значения амплитуд слагающих колебаний; б — амплитуды составляющих колебаний различны, что не мешает суммарным колебаниям также получиться с отчетливо выраженными биениями, амплитуда которых изменяется по тому же самому закону: от суммы амплитуд слагаемых колебаний до их разности. В обоих случаях частота биений одна и та же, равная разности совмещаемых частот F.

Супергетеродинные схемы

Рис. 75. Иллюстрация к пояснению образования колебаний биений.

 

Если одна из частот f2 образована незатухающими, а другая f1 модулированными колебаниями, то полученные биения с частотой F примут на себя все частоты модуляции от несущей f1 и после детектирования биений в качестве новой несущей частоты выступит уже частота F. Такой случай показан на рис. 75 в. Здесь I—модулированные частотою Fmод высокочастотные колебания fu II — незатухающие колебания f2, III—колебания с частотой биений, принявшие от I частоту модуляции Fмод и IV— колебания с частотой биений после детектирования, сохранившие модуляцию с частотой F . Таким образом, используя явление биений, модулирующие частоты оказывается возможным „пересаживать" на новые несущие частоты. На всех рисунках частоты биений показаны для наглядности меньшими, чем смешиваемые частоты, однако необходимо иметь в виду, что, поскольку частота биений всегда равна разности совмещаемых частот, она может быть не только меньше, но и больше первоначально модулированной несущей. Возьмем, например, f1 = 150 кгц, а f2 = 600 кгц. В этом случае частота биений, которая примет на себя модуляцию от f1 , будет, очевидно, равна 450 кгц, что больше 150 в три раза.

Возможность переносить модуляцию (или вообще полезные сигналы) с одной несущей частоты на другую используется в супергетеродинных радиоприемниках весьма выгодным образом. В этих приемниках всегда имеется преобразовательный каскад, посредством которого высокочастотные колебания, создаваемые радиостанциями, работающими на разных волнах, с помощью специального генератора незатухающих колебаний, называемого гетеродином, преобразуются в биения одной и той же частоты, превращаемые последующим детектированием в новый переносчик принятых сигналов, называемый „промежуточной частотой супергетеродина". На промежуточную частоту переходят все сигналы, или все частоты модуляции, со всеми их оттенками, принесенные первоначально поступившей в радиоприемник принимаемой несущей частотой. Нередко преобразовательному каскаду супергетеродина предшествует каскад усиления на частоте приходящего сигнала (усилитель высокой частоты, или УВЧ).

Усиление по принимаемой частоте является эффективной мерой для ослабления так называемых „зеркальных помех" в супергетеродинах или приема сигналов „по зеркальному каналу".

Если в дополнение к рассмотренному выше примеру представить себе, что при f2 = 600 кгц к приемной антенне, помимо сигналов принимаемой станции с частотой f1 — 150 кгц, приходят еще и колебания с частотой f3 = 1050 кгц, создаваемые какой-то другой радиостанцией, то на выходе супер- гетеродинного приемника будет одновременно слышна работа обеих станций, что, конечно, является нежелательным. Произойдет это потому, что нужные сигналы f1, образуют биения с f2, частота которых

Супергетеродинные схемы

а мешающие сигналы тоже будут взаимодействовать с f2, причем частота их биений будет

Супергетеродинные схемы

В данном примере числа таковы, что F2 — F1. Частота f3 является симметричной с f1 относительно f3.

Колебания промежуточной частоты подвергаются усилению, обычно весьма значительному, в участке схемы, называемом УПЧ (усилитель промежуточной частоты), после чего они детектируются снова, на этот раз уже с целью отделения полезных сигналов, или частот модуляции, от нового их переносчика — от промежуточной частоты супергетеродина, позволившей получить значительное неискаженное усиление. После 2-го детектора полученные сигналы подвергаются дальнейшему усилению’ в низкочастотной части общей схемы и поступают на выходное устройство, чаще всего на громкоговоритель.

На рис. 76 показаны: блок-схема весьма распространенного типичного супергетеродина для приема радиовещательных программ (а) и блок-схема профессионального супергетеродина для приема сигналов телефонных и телеграфных радиостанций (б), а также сигналов радиозондов.

Простой переключатель, называемый обычно „переключателем вида работы”, в положении „ТЛФ“ („телефон”) прекращает действие 2-го гетеродина, и в этом случае блок-схема профессионального радиоприемника ничем не отличается от блок-схемы радиовещательного. При переводе переключателя вида работы в позицию „ТЛГ” („телеграф”) 2-й гетеродин начинает действовать, добавляя к принимаемым колебаниям еще один вид вспомогательных колебаний, с помощью которых немодулированные сигналы, создаваемые большинством радиотелеграфных станций (а также и гребенчатыми коротковолновыми радиозондами) и прослушиваемые на радиовещательном приемнике в виде глухих „хлопков”, превращаются в звучащие. Высота тона звучания сигналов определяется разностью частоты 2-го гетеродина и промежуточной частоты данного супергетеродина. Обычно частоту 2-го гетеродина делают отличающейся От промежуточной частоты на 0,5—1 кгц.

 

Во всяком супергетеродине промежуточная частота не является какой-то строго фиксированной величиной. Наоборот, она в процессе настройки на принимаемую радиостанцию изменяется в довольно широких пределах и при неточно настроенном приемнике может отличаться от номинального значения даже на несколько килогерц. В связи с этим тон озвученных при помощи 2-го гетеродина незатухающих телеграфных сигналов можно менять небольшими изменениями положения главной рукоятки настройки.

Супергетеродинные схемы

Рис. 76.  Блок-схемы супергетеродинов с одинарным и двойным преобразованием частоты и схема радиоприемника "Геодезист"

 

Современная профессиональная радиоприемная аппаратура связи и радиолокационная аппаратура основаны на широком использовании как обычных супергетеродинных схем, так и специальных схем повышенной сложности, в которых преобразование промежуточной частоты в тракте усиления, предшествующем окончательному детектированию принимаемых сигналов, производится неоднократно.

На рис. 76 в показана блок-схема радиолокационного супергетеродина с двукратным преобразованием частоты. При каждом преобразовании частоты, производимом опять-таки с помощью биений, необходимо применять гетеродинирование вспомогательных колебаний, их смешивание с преобразуемыми колебаниями, усиление (иногда необязательное) и непременное последующее детектирование. Смысл двукратного или более преобразования частоты заключается в том, чтобы не прибегать к слишком большим усилениям на одной и той же частоте, что ведет к общей неустойчивости работы аппаратуры из-за повышения вероятности самовозбуждения. Вторым достоинством метода неоднократных преобразований промежуточной частоты является упрощение борьбы с помехами по зеркальному каналу и с супергетеродинными свистами, которым становится „трудно попасть" в выходной канал промежуточных частот.

На рис. 76 г приведена принципиальная схема супергетеродина „Геодезист", являющегося экспедиционным приемником специального назначения, используемым на многих пунктах температурного зондирования атмосферы для приема сигналов радиозондов. Этот радиоприемник действует только от батарей. В нем имеются удобно переключаемые общей рукояткой наборы колебательных контуров, рассчитанных на прием сигналов в следующих диапазонах радиоволн: I — 3500—1500 м, II — 1500—731,7 м, III — 160-60 м, IV — 60-28 м, V — 28—22 м, VI-22—18 м.

Для приема сигналов радиозондов используются лишь диапазоны IV и V. Чувствительность приемника в телефонном режиме составляет 20 мкв, а в телеграфном 6 мкв. Повышение чувствительности универсальных приемников в телеграфном режиме по сравнению с телефонным режимом весьма характерно. Оно объясняется общим увеличением энергии приходящего незатухающего сигнала после того, как к нему добавляется энергия колебаний второго гетеродина, создающих биения. Если, например, амплитуда напряжения пришедшего сигнала на входе второго детектора составляет 1,5 в, то его энергию, пропорциональную квадрату напряжения, можно характеризовать числом 2,25. При превращении пришедщего сигнала в колебания биений при помощи 2-го гетеродина, создающего, например, колебания с амплитудой 2 в, максимальная и минимальная амплитуды сложного колебания будут иметь значения 0,5 и 3,5 в. Разность квадратов этих величин, характеризующая энергию преобразованных сигналов, составит уже 3,52 — 0,52=12, что в 5,3 раза больше энергии преобразуемого сигнала.

 

Начиная от УПЧ и до самого выхода, супергетеродинный приемник является не чем иным, как ламповым приемником - прямого усиления, рассчитанным на прием одной только- частоты. То обстоятельство, что промежуточная частота неизменна для любой принимаемой радиостанции, создает исключительно благоприятные условия для работы этого приемника: 1) усиление и чувствительность у супергетеродинов являются величинами, гораздо более постоянными, чем у обычных радиоприемников прямого усиления с настраивающимися контурами, 2) в супергетеродине можно применить большее число настроенных на одну и ту же частоту контуров, поэтому он может обладать чувствительностью и избирательностью, недостижимыми для других радиоприемных схем.

Обычно переменные конденсаторы настраивающихся контуров выполняют в виде блока с подвижными пластинами, сидящими на общем валу и вращаемыми одной ручкой настройки. Конструкция секций блока переменных конденсаторов и их способ включения в схему делаются такими, чтобы частота гетеродина для любой позиции ручки настройки была выше частоты настройки контуров, соответствующей принимаемым сигналам, на величину промежуточной частоты. Расчет деталей устройства контуров, отвечающих такому требованию, не очень прост, однако на практике во всех супергетеродинах сопряжение контура гетеродина со входным контуром оказывается осуществляемым достаточно хорошо. Требующиеся дл» этого небольшие изменения характеристик настройки контура гетеродина относительно контуров преселектора достигаются включением дополнительных постоянных конденсаторов, называемых „пединговыми“.

Поскольку частота биений и обусловленная ею промежуточная частота F создаются разностью частот гетеродина f2  и приходящего сигнала f1

Супергетеродинные схемы

частота F может образоваться и при другой настройке гетеродина, когда его частота f3 окажется меньше частоты f1 на величину F

Супергетеродинные схемы

Нетрудно видеть, что для получения такой второй настройки на ту же радиостанцию разница между f2 и f3 должна равняться  2F. Если частота гетеродина одна и та же и равна f2, то промежуточная частота F будет создана не только в результате взаимодействия f2 и в виде

Супергетеродинные схемы

но и с какой-то другой радиостанцией, по частоте отличающейся от f1 на 2F. В самом деле, если написать

Супергетеродинные схемы

то при тех же значениях всех величин это не расходится с предыдущим равенством. Из сказанного вытекает, что сигналы в УПЧ супергетеродина могут проникать по двум каналам сразу. Тот канал, для которого частота гетеродина f2 выше частоты сигнала f1, называют основным, а частоту f1 - основной частотой.

 

Супергетеродинные схемы

Рис. 76 г.

 

Более высокочастотные сигналы, отличающиеся от основных на 2F, относительно которых частота гетеродина является уже меньшей величиной, тоже будут восприняты супергетеродинной схемой и их называют зеркальными сигналами, а частоту f1+2F — зеркальной частотой.

Это название появилось вследствие того, что основной и зеркальный сигналы расположены по шкале частот относительно частоты гетеродина совершенно симметрично, подобно тому, как симметричны какой-нибудь объект и его изображение в зеркале. Зеркальный канал называют также симметричным, а поскольку зеркальные сигналы представляют собой явление, неблагоприятное для действия супергетеродина, их чаще именуют симметричными, или зеркальными, помехами, а также помехами зеркального канала. Не следует думать, что для приема передачи по зеркальному каналу нужно обязательно иметь одновременно действующую радиостанцию, принимаемую по основному каналу. Зеркальный канал существует совершенно самостоятельно, независимо от основного, и через него на УПЧ попадают те радиопередачи, частота которых при данной настройке гетеродина оказывается выше частоты последнего на величину промежуточной частоты F Это как раз и создает разность частот 2F в отношении одновременно принимаемой передачи по основному каналу, если только таковая имеется.

Для того чтобы ослабить действие зеркальных помех, в супергетеродинах применяют предварительные каскады усиления принимаемых колебаний на их собственной частоте, а также сочетания слабо связанных контуров на входе, отличающиеся повышенной избирательностью и поэтому называемые преселекторными устройствами, или преселекторами („предварительный селектор"). В связи с тем, что для частот зеркального канала входные контура всегда оказываются расстроенными, на 2F, зеркальные помехи ощущаются лишь в том случае, если мощность их сигналов велика. Естественно, что при приеме коротковолновых станций расстройка входных контуров оказывается относительно небольшой, и зеркальные помехи там ощущаются заметнее, создавая впечатление вдвое большего числа работающих станций (поскольку каждая станция, если ее сигналы не очень слабы, прослушивается при двух различных положениях ручки настройки, отличающихся друг от друга по частоте на 2F).

Смотрите также