Что такое гетеродин простыми словами и где применяется

Гетеродином (задающим генератором) в приёмнике (передатчике) в большинстве случаев называется генератор сигналов, который определяет частоту приёма. Хотя его роль называют вспомогательной, на качество работы приёмного или передающего устройства он оказывает весьма существенное влияние.

Схема гетеродина.

Назначение гетеродина и принцип гетеродинного приёма

На заре радиоприёма при построении схем приёмников обходились без гетеродинов. Выделенный входным колебательным контуром сигнал усиливался, а после детектировался и подавался на усилитель низкой частоты. С развитием схемотехники возникла проблема построения усилителя радиочастоты с большим коэффициентом усиления.

Для перекрытия большого диапазона он выполнялся с широкой полосой пропускания, что делало его склонным к самовозбуждению. Переключаемые усилители получались слишком сложными и громоздкими.

Все изменилось с изобретением гетеродинного приёма. Сигнал с перестраиваемого (или фиксированного) генератора подается на смеситель. На другой вход смесителя подается принимаемый сигнал, а на выходе получается огромное количество комбинационных частот, представляющих собой суммы и разности частот гетеродина и принимаемого сигнала в различных сочетаниях. Практическое применение обычно имеют две частоты:

  • fгетеродина-fсигнала;
  • fсигнала- fгетеродина.

Эти частоты называются зеркальными по отношению друг к другу. Приём ведется на одном канале, второй отфильтровывается входными цепями приёмника. Разность называется промежуточной частотой (ПЧ), её значение выбирается при проектировании приёмного или передающего устройства. Остальные комбинационные частоты отфильтровываются фильтром промежуточной частоты.

Для промышленной аппаратуры существуют стандарты для выбора значения ПЧ. В любительской аппаратуре эта частота выбирается из разных условий, включая наличие комплектующих для построения узкополосного фильтра.

Выделенная фильтром промежуточная частота усиливается в усилителе ПЧ. Так как эта частота фиксирована, а полоса пропускания невелика (для передачи голосовой информации вполне достаточно 2,5…3 кГц), усилитель для неё легко выполнить узкополосным с большим коэффициентом усиления.

Существуют схемы, где используется суммарная частота – fсигнала+ fгетеродина. Такие схемы называются схемами с «преобразованием вверх». Такой принцип упрощает построение входных цепей приёмника.

Существует и техника прямого преобразования (не путать с прямым усилением!), при которой приём ведется почти на частоте гетеродина. Такая схемотехника отличается простотой конструкции и настройки, но у аппаратуры прямого преобразования есть врожденные недостатки, заметно ухудшающие качество работы.

В передатчике также применяются гетеродины. Они выполняют обратную функцию – переносят низкочастотный промодулированный сигнал на частоту передачи. В связной аппаратуре может быть несколько гетеродинов. Так, если применяется схема с двумя или более преобразованиями частоты, в ней используются, соответственно, два и более гетеродинов. Также в схеме могут присутствовать гетеродины, выполняющие дополнительные функции – восстановление подавленной при передаче несущей, формирование телеграфных посылок и т.п.

Мощность гетеродина в приёмнике невелика. Несколько милливатт в большинстве случаев достаточно для любых задач. Но сигнал гетеродина, если позволяет схемотехника приёмника, может просачиваться в антенну, и его можно принять на расстоянии нескольких метров.

Среди радиолюбителей имеет хождение байка, что во времена запрета прослушивания западных радиостанций представители спецслужб ходили по подъездам домов с приёмниками, настроенными на частоты «вражьих голосов» (с поправкой на промежуточную частоту). По наличию сигналов якобы можно было определить, кто слушает запрещенные передачи.

Требования к параметрам гетеродина

Основное требование к сигналу гетеродина – спектральная чистота. Если гетеродин вырабатывает напряжение, отличное от синусоиды, то в смесителе возникают дополнительные комбинационные частоты. Если они попадают в полосу прозрачности входных фильтров, это приводит к дополнительным каналам приёма, а также к появлению «поражённых точек» — на некоторых частотах приёма возникает свист, мешающий принимать полезный сигнал.

Другое требование – стабильность уровня выходного сигнала и его частоты. Второе особенно важно при обработке сигналов с подавленной несущей (SSB (ОБП), DSB (ДБП) и т.п.) Неизменность выходного уровня получить несложно применением стабилизаторов напряжения для питания задающих генераторов и правильным выбором режима активного элемента (транзистора).

Постоянство частоты зависит от стабильности задающих частотных элементов (ёмкости и индуктивности колебательного контура), а также от неизменности ёмкости монтажа. Нестабильность LC-элементов определяется, большей частью, изменяющейся во время работы гетеродина температурой. Для стабилизации компонентов контура их помещают в термостаты, а также применяют специальные меры для температурной компенсации уходов значений ёмкости и индуктивности. Катушки индуктивности обычно стараются сделать полностью термостабильными.

Для этого применятся специальные конструкции – катушки мотают с сильным натяжением провода, витки заливают компаундом, чтобы исключить сдвиг витков, провод вжигают в керамический каркас и т.п.

Для уменьшения влияния температуры на ёмкость задающего конденсатора его составляют из двух или более элементов, подбирая их с различными значениями и знаками температурного коэффициента ёмкости так, чтобы они взаимно компенсировались при нагреве или охлаждении.

Из-за проблем с термостабильностью не получили большого распространения гетеродины с электронным управлением, где в качестве ёмкости используется варикапы. Их зависимость от нагрева носит нелинейный характер, и скомпенсировать её очень сложно. Поэтому варикапы применяют только в качестве элементов расстройки.

Ёмкость монтажа складывается с ёмкостью задающего конденсатора, и её нестабильность также приводит к уходу частоты. Чтобы избежать нестабильности монтажа, все элементы гетеродина надо монтировать очень жестко, чтобы избежать даже минимальных сдвигов друг относительно друга.

Настоящим прорывом в построении задающих генераторов явилась разработка в 30-х годах прошлого столетия технологии порошкового литья в Германии. Это позволило изготавливать сложные трехмерные формы для узлов радиоаппаратуры, что дало возможность достигнуть невиданной на тот момент жёсткости монтажа. Это позволило вывести надежность систем радиосвязи вермахта на новый уровень.

Если гетеродин неперестраиваемый, частотозадающим элементом обычно служит кварцевый резонатор. Это позволяет получить чрезвычайно высокую стабильность генерации.

В последние годы наметилась тенденция перехода в применении в качестве гетеродинов вместо LC-генераторов цифровых синтезаторов частоты. Стабильность выходного напряжения и частоты в них достигается легко, а вот спектральная чистота оставляет желать лучшего, особенно если сигнал генерируется с помощью недорогих микросхем.

На сегодняшний день на смену старым технологиям радиоприёма приходят новые, такие как DDC – прямая оцифровка. Не за горами время, когда гетеродины в приёмной аппаратуре исчезнут как класс. Но это наступит не так скоро, поэтому знания о гетеродинах и принципах гетеродинного приёма будут востребованы ещё долго.

Похожие статьи:
Ссылка на основную публикацию
OdinElectric.ru - Сайт об электрике и для электриков Adblock
detector