Преобразователи частоты передатчика

Смеситель передатчика предназначен для преобра­зования сигнала промежуточной частоты в сигнал СВЧ. Смесители передатчика работают при относительно большом уровне сигнала (от нескольких до сотен милливатт и даже до нескольких ватт), поэтому их принято относить к классу смесителей высокого уровня мощности. К этому же классу относятся и смеси­тели для преобразователей сдвига частоты, с помощью которых осуществляют­ся транспонирование спектра по частоте в ретрансляторах прямого усиления и преобразование частоты гетеродина передатчика в частоту гетеродина прием­ника в ретрансляторах с общим гетеродином.

На входы смесителя (рис. 6) подают: 1 – напряжение сигнала u _c, представляющего собой ЧМ колебания промежуточной частоты (т.е. f _c = f _пч, с мощностью Р _с), 2 – немодулированные СВЧ колебания от гетеродина с напряжением u _г и мощностью P _г. Эти колебания одновременно поступают на нелинейный элемент смесителя, например полупроводниковый диод, для которого зависимость между входным напряжением u _вх и выходным током i _д можно записать в виде:

,

где u _вх = u _c + u _г; а_m – постоянные коэффициенты, определяемые по вольт-амперной характеристике диода.

Выходной ток смесителя будет содержать колебания с частотами гармоник сигнала и гетеродина и со всевозможными комбинациями этих частот. Частота и мощность колебаний на выходе смесителя обозначены f _сумм и Р ₃. Спектр частот на выходе смесителя передатчика показан на рис. 7, П _чм – ширина спектра ЧМ сигнала на промежуточной частоте. Выходной ФБП (фильтр боковой полосы) выделяет одну из боковых полос: верхнюю (ВБП) или нижнюю (НБП), в зависимости от расстановки частот на РРС. Выделенную полосу частот называют рабочей. Неиспользуемую полосу – второй боковой полосой.

Рис. 6. Функциональная схема преобразователя частоты передатчика

Рис. 7. Спектр частот на выходе смесителя передатчика

В качестве нелинейных элементов в смесителях применяют полупроводниковые диоды двух типов: диоды с переменным сопротивлением (мощные смесительные диоды) и варикапы, работающие в режиме нелинейной емкости. Такие варикапы называются варакторами (параметрическими диодами). Эти диоды, в отличие от обычных полупроводниковых диодов, принципиально позволяют получить усиление модулированного сигнала при преобразовании час­тоты.

Для преобразователя частоты передатчика принято указывать следующие параметры: коэффициент преобразования K _пр или потери преобразования а _пр, коэффициент использования мощности гетеродина K _г (или КПД в цепи гетеродина) и общий КПД преобразования η. Их определяют так:

K _пр = Р _вых / Р _с,

а _пр = – 10 lg K _пр,

K _г = Р _вых / Р _г ,

η = Р _вых /(Р _с +Р _г),

где Р _вых – мощность сигнала на выходе преобразователя частоты.

Если преобразователи частоты работают при сигналах ПЧ, имеющих мощность много меньшую, чем колебания гетеродина, то для них значения K _г и η совпадают. Однако при расчетах режимов работы мощных преобразователей частоты важно их различать.

Эффективность работы преобразователя тем выше, чем меньше потери преобразования и выше КПД. Кроме того, преобразователь частоты должен иметь в пределах рабочей полосы частот равномерный коэффициент преобразования и равномерную характеристику ГВЗ, как и любое другое устройство ВЧ тракта. От преобразователя частоты передатчика обычно требуют довольно высокую выходную мощность: от десятков милливатт до ватта и более. Большие значения Р _вых нужны в передатчиках, выполненных полностью на транзисторах и не имеющих усилителя мощности. В них обеспечивают высокий КПД в цепи гетеродина K _г. Для этого используют специальные мощные смесительные диоды с малыми потерями преобразования и варакторы, выдерживающие большие подводимые мощности. Для мощных преобразователей частоты обычно указывают наибольшие допустимые значения подводимых ПЧ и СВЧ колебаний, выходную мощность и потери преобразования.

Смесители передатчика строят по однотактной и двухтактной схемам. В двухтактной схеме к смесителю можно подвести примерно вдвое большую мощность, чем в однотактной, так как в первой суммируются мощности, рассеиваемые двумя диодами.

Однотактный преобразователь чаще всего применяется для сдвига частоты. В преобразователе сдвига аппаратуры «Восход-М» (рис. 8) применен смеси­тель сдвига (См_сдв) проходного типа. Он представляет собой волноводную смесительную головку, помещенную ме­жду двумя объемными резонаторами, один из которых настроен на частоту гетеродина передатчика, другой – на ча­стоту гетеродина приемника. На коак­сиальный вход смесителя подается напряжение с выхода умножителя сдви­га с частотой 266 МГц. К выходному волноводу смесителя подключен фильтр узкой полосы (ФУП), настроенный на частоту гетеродина приемника. Он дополнительно отфильтровывает паразитные частоты преобразования. Фильтр нагружен на ферритовый вентиль (ФВ). Такой преобразователь является узкополосным, что и требуется в цепи сдвига. Потери преобразования в схеме с диодом типа Д-501 составляют около 10 дБ.

Рис. 8. Схема однотактного преобразо­вателя сдвига

Двухтактный преобразователь передатчика (рис. 9). Напряжение проме­жуточной частоты усиливается в мощном УПЧ передатчика (МУПЧ) и с его выхода подается синфазно на полупроводниковые диоды смесителя передатчика (См). Гетеродин передатчика подключен через щелевой мост (ЩМ). Мост рас­пределяет энергию гетеродина, поступающую в плечо 1, поровну между плечами 3 и 4, причем со сдвигом фаз 90° (СВЧ колебания в плече 4 отстают по фазе на 90° от колебаний в плече 3). Вследствие этого, при отсутствии отражений в плечах 3 и 4 плечи 1 и 2 развязаны, т. е. энергия гетеродина из плеча 1 не поступает в плечо 2. При полном отражении с одинаковой фазой в плечах 3 и 4 энергия из плеча 1 полностью переходит в плечо 2.

Рис. 9. Схема двухтактного преобразователя передатчика

Диоды подключены через фильтры гармоник (ФГ) к плечам моста 3 и 4. При большом напряжении сигнала ПЧ диоды работают как ключи. В течение положительного полупериода напряжения ПЧ диоды открыты и поглощают энер­гию гетеродина. В течение отрицательного полупериода оба диода закрыты и энергия гетеродина отражается. Благодаря свойствам щелевого моста модули­рованный сигнал поступает в плечо 2.

Полосовой фильтр (ПФ) выделяет колебания полезной боковой полосы час­тот, которые поступают на выход преобразователя. Энергия второй боковой по­лосы частот отражается от полосового фильтра и поглощается в ферритовом вентиле (ФВ), включенном в цепь сигнала перед полосовым фильтром. Ферритовый вентиль в цепи гетеродина является нагрузкой для фильтра узкой полосы и поглощает отраженную от смесителя за счет разбаланса дио­дов часть мощности гетеродина передатчика. Двухтактный преобразователь при­менен в передатчике аппаратуры «Рассвет».

Преобразователи частоты на варакторах (рис. 10). В передатчиках радио­релейной аппаратуры используются, как правило, варакторные преобразователи частоты, обеспечивающие усиление сигнала в процессе преобразования и даю­щие существенный энергетический выигрыш.

Рис. 10. Структурные схемы варакторных преобразователей частоты передатчика:

а — однотактный преобразователь; б — двухтактный (баланс­ный) преобразователь

Если требования к выходной мощности смесителя невелики, то он обычно строится по однотактной циркулярной схеме (рис. 10 а). Сигнал промежуточ­ной частоты, усиленный в мощном УПЧ (МУПЧ), смешивается с колебаниями СВЧ гетеродина в смесителе (См). Нелинейным элементом является кремниевый варактор средней мощности, обладающий нелинейной зависимостью емкости p-n -перехода от напряжения на нем. Для разделения цепей преобразованного сигнала и гетеродина используется ферритовый циркулятор (Ц₁). Гетеродин через фильтр узкой полосы (ФУП) и нагруженный ферритовый циркулятор (Ц₂), выполняющий функции вентиля, подключен к плечу 3 циркулятора Ц₁. В соответствии с направлением циркуляции энергия попадает в плечо 1 и подается на смеситель. Под действием напряжения ПЧ полное комплексное сопротивление варактора меняется и происходит модуляция СВЧ колебаний гетеродина, которые, отражаясь от смесителя, поступают через плечи 1 и 2 циркулятора Ц₁ к полосовому фильтру. Колебания полезной боковой по­лосы частот выделяются фильтром (ПФ). Энергия второй боковой полосы час­тот отражается от него и поглощается в нагрузке (Н) циркулятора Ц₂ в цепи гетеродина.

Если в передатчике отсутствует усилитель СВЧ, то выходным каскадом будет варакторный преобразователь частоты и для повышения выходной мощности должны быть приняты меры к увеличению КПД по гетеродину. Та же цель достигается построением преобразователя по балансной схеме, поскольку при неизменной эффективности преобразования вследствие возрастания входной мощности, которую можно подать на смеситель, увеличивается его выходная мощность. Балансный преобразователь частоты применен в полностью полупроводниковом передатчике аппаратуры КУРС-4 (рис. 10 б). При мощности гетеродина 3 Вт и модулирующем напряжении ПЧ на варакторах около 10 В мощность выходного сигнала составляет 0,75 Вт, что соответствует КПД в цепи гетеродина 25%. Дальнейшего повышения эффективности варакторного преобразователя частоты можно добиться, если обеспечить вторичное преобразование энергии побочных составляющих преобразования в энергию колебаний полезной боковой полосы частот.

Дата добавления: 2014-01-14