Супергетеродинный радиоприёмник

14.12.2020

Супергетеродинный радиоприёмник (супергетеродин) — один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим её усилением. Основное преимущество супергетеродина перед радиоприёмником прямого усиления в том, что наиболее критичные для качества приёма части приёмного тракта (узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не должны перестраиваться по частоте, что позволяет выполнить их со значительно лучшими характеристиками.

Супергетеродинный приёмник изобрели почти одновременно немец Вальтер Шоттки и американец Эдвин Армстронг в 1918 году, основываясь на идее француза Л. Леви.

Устройство

Антенна Усилитель
радиочастоты Смеситель Фильтр
промежуточной
частоты Усилитель
промежуточной
частоты Детектор Усилитель
звуковой
частоты Гетеродин

Упрощённая структурная схема супергетеродина с однократным преобразованием частоты показана на рисунке. Радиосигнал из антенны подаётся на вход усилителя высокой частоты (в упрощённом варианте он может и отсутствовать), а затем на вход смесителя — специального элемента с двумя входами и одним выходом, осуществляющего операцию преобразования сигнала по частоте. На второй вход смесителя подаётся сигнал с локального маломощного генератора высокой частоты — гетеродина. Колебательный контур гетеродина перестраивается одновременно с входным контуром смесителя (и контурами усилителя ВЧ) — обычно конденсатором переменной ёмкости (КПЕ), реже катушкой переменной индуктивности (вариометром, ферровариометром). Таким образом, на выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот гетеродина и принимаемой радиостанции. Разностный сигнал постоянной промежуточной частоты (ПЧ) выделяется с помощью полосового фильтра и усиливается в усилителе ПЧ, после чего поступает на демодулятор, восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты.

В современных приёмниках в качестве гетеродина используется цифровой синтезатор частот с кварцевой стабилизацией.

В обычных вещательных приёмниках длинных, средних и коротких волн промежуточная частота, как правило, равна 465 или 455 кГц, в бытовых ультракоротковолновых — 6,5 или 10,7 МГц. В телевизорах используется промежуточная частота 38 МГц.

В связных и высококлассных вещательных приёмниках применяют двойное (редко — тройное) преобразование частоты. О преимуществах такого решения и критериях выбора первой и второй ПЧ сказано ниже.

Преимущества

  • Высокая чувствительность. Супергетеродин позволяет получить большее усиление по сравнению с приёмником прямого усиления. В супергетеродинах основное усиление осуществляется на промежуточной частоте, которая, как правило, ниже частоты приёма; чем ниже частота сигнала, тем проще построить для него устойчивый усилитель с большим коэффициентом усиления.
  • Высокая избирательность, обусловленная фильтрацией сигнала в канале ПЧ. Фильтр ПЧ можно изготовить со значительно более высокими параметрами, так как его не нужно перестраивать по частоте. Например, широко используют кварцевые, пьезокерамические и электромеханические фильтры сосредоточенной селекции, а также фильтры на поверхностных акустических волнах. Они позволяют получить сколь угодно узкую полосу пропускания с очень большим подавлением сигналов за её пределами.
  • Возможность принимать сигналы с модуляцией любого вида, в том числе с амплитудной манипуляцией (радиотелеграф) и однополосной модуляцией.

Недостатки

Наиболее значительным недостатком является наличие так называемого зеркального канала приёма — второй входной частоты, дающей такую же разность с частотой гетеродина, что и рабочая частота. Сигнал, передаваемый на этой частоте, может проходить через фильтры ПЧ вместе с рабочим сигналом.

Например, пусть приёмник с ПЧ 6,5 МГц настроен на радиостанцию, передающую на частоте 70 МГц, и частота гетеродина равна 76,5 МГц. На выходе фильтра ПЧ будет выделяться сигнал с частотой 76,5 — 70 = 6,5 МГц. Однако, если на частоте 83 МГц работает другая мощная радиостанция, и её сигнал сможет просочиться на вход смесителя, то разностный сигнал с частотой 83 − 76,5 = 6,5 МГц не будет подавлен, попадёт в усилитель ПЧ и создаст помеху. Величина подавления такой помехи (избирательность по зеркальному каналу) зависит от эффективности входного фильтра и является одной из основных характеристик супергетеродина.

Помехи от зеркального канала уменьшают двумя путями. Во-первых, применяют более сложные и эффективные входные полосовые фильтры, состоящие из нескольких колебательных контуров. Это усложняет и удорожает конструкцию, так как входной фильтр нужно ещё и перестраивать по частоте, притом согласованно с перестройкой гетеродина. Во-вторых, промежуточную частоту выбирают достаточно высокой по сравнению с частотой приёма. В этом случае зеркальный канал приёма оказывается относительно далеко по частоте от основного, и входной фильтр приёмника может более эффективно его подавить. Иногда ПЧ даже делают намного выше частот приёма (так называемое «преобразование вверх»), и при этом ради упрощения приёмника вообще отказываются от входного полосового фильтра, заменяя его неперестраиваемым фильтром нижних частот. В селекторах каналов телевизоров, наоборот, применяют фильтр верхних частот. В высококачественных приёмниках часто применяют метод двойного (иногда и тройного) преобразования частоты, причём, если первую ПЧ выбирают высокой по описанным выше соображениям, то вторую делают низкой (сотни, иногда даже десятки килогерц), что позволяет более эффективно подавлять помехи от близких по частоте станций, то есть повысить избирательность приёмника по соседнему каналу. Подобные приёмники, несмотря на достаточно высокую сложность построения и наладки, широко применяются в профессиональной и любительской радиосвязи (см. Р-250, Трансивер UW3DI).

Кроме того, в супергетеродине возможен паразитный приём станций, работающих на промежуточной частоте. Его предотвращают экранированием отдельных узлов и приёмника в целом, а также применением на входе фильтра-пробки, настроенного на промежуточную частоту.

В целом супергетеродин требует гораздо большей тщательности в проектировании и наладке, чем приёмник прямого усиления. Приходится применять довольно сложные меры, чтобы обеспечить стабильность частоты гетеродинов, так как от неё сильно зависит качество приёма. Сигнал гетеродина не должен просачиваться в антенну, чтобы приёмник сам не становился источником помех. Если в приёмнике больше одного гетеродина, существует опасность, что биения между какими-то из их гармоник окажутся в полосе звуковых частот и дадут помеху в виде свиста на выходе приёмника. С этим явлением борются, рационально выбирая частоты гетеродинов и тщательно экранируя узлы приёмника друг от друга.

История

Использовать в приёмнике вспомогательный генератор колебаний впервые предложил американец Фессенден в 1901 г. Он же создал термин «гетеродин». В приёмнике Фессендена гетеродин работал на частоте, очень близкой к частоте принимаемого сигнала, и возникающие при этом биения звуковой частоты позволяли принимать телеграфный сигнал (принцип, на котором работает приёмник прямого преобразования). Гетеродинные приёмники быстро усовершенствовались с изобретением в 1913 г. лампового генератора высокой частоты (до этого применялись электромашинные генераторы).

В 1917 г. французский инженер Л. Леви запатентовал принцип супергетеродинного приёма. В его приёмнике частота сигнала преобразовывалась не непосредственно в звуковую, а в промежуточную, которая выделялась на колебательном контуре и уже после него поступала на детектор. В 1918 г. В. Шоттки дополнил схему Леви усилителем промежуточной частоты. Схема супергетеродина была выгодна в то время ещё и тем, что лампы того времени не обеспечивали нужного усиления на частотах выше нескольких сот килогерц. Сдвинув спектр сигнала в область более низких частот, можно было повысить чувствительность приёмника.

Независимо от Шоттки к аналогичной схеме пришел Э. Армстронг (его патент получен в декабре 1918 г, патентная заявка Шоттки сделана в июне). Армстронг впервые построил и испытал супергетеродин на практике. Он же указал на возможность многократного преобразования частоты.

В декабре 1921 г. английский радиолюбитель на супергетеродин с пятикаскадным УПЧ принял сигналы станций из США. С этого момента к супергетеродинам появляется практический интерес. Первые супергетеродины были громоздки, дороги и неэкономичны из-за большого числа ламп. Приём сопровождался интерференционными свистами, проникающий в антенну сигнал гетеродина создавал помехи другим приёмникам. Некоторое время стояла дилемма — что лучше: более простой и надёжный приёмник прямого усиления, или сложный, капризный, но высокочувствительный супергетеродин, который может работать с небольшой комнатной антенной? Супергетеродин даже на некоторое время сдал позиции на рынке, когда применение тетрода заметно улучшило характеристики приёмников прямого усиления. Но дальнейшее совершенствование ламп позволило сильно упростить и удешевить супергетеродинный приёмник: появились многосеточные лампы с большим усилением на высокой частоте, специализированные лампы для преобразователей частоты, служившие одновременно смесителем и гетеродином, а также комбинированные лампы, заключающие в одном баллоне два-три электронных прибора. Простой супергетеродин стало возможно построить на трёх-четырёх лампах, не считая выпрямителя . Благодаря этому и другим усовершенствованиям с 1930-х годов супергетеродинная схема постепенно становится доминирующей для связных и радиовещательных приёмников. Кроме того, в 1930 г. истёк срок патента на принцип супергетеродинного приёма.

В России и СССР первым серийным супергетеродином был, по одним источникам, приёмник танковой радиостанции 71-ТК разработки 1932 г. (завод № 203 в Москве), по другим — вещательный СГ-6 (не позже 1931 г., завод им. Козицкого в Ленинграде),, по третьим — радиоприёмник «Дозор», разработанный в конце 20-х годов в «Остехбюро» и переданный в серийное производство на тот же завод им. Козицкого. Первым бытовым супергетеродином, выпускавшимся в больших количествах, стал СВД 1936 года. Примерно с конца 1950-х бытовые радиовещательные и телевизионные приёмники в СССР строились почти исключительно по супергетеродинной схеме (кроме некоторых сувенирных приёмников, радиоконструкторов для начинающих и отдельных специальных приёмников).



Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна