WikiSort.ru - Не сортированное

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^[fr].

Устройство

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 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^[1]), 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^[2]. Его предотвращают экранированием отдельных узлов и приёмника в целом, а также применением на входе фильтра-пробки, настроенного на промежуточную частоту.

Второй недостаток супергетеродина — паразитное излучение, которое может создавать помехи другим приёмным устройствам или демаскировать приёмник. Этот недостаток стал одной из причин одной из крупнейших авиакатастроф в истории человечества, когда в аэропорту Лос-Родеос на ВПП столкнулись два Боинга-747. Достаточно сильное паразитное излучение гетеродинов, работающих на самолётах радиостанций связи, создавало в эфире достаточно сильные комбинационные колебания (биения), которые, в свою очередь, проявлялись как свист в наушниках у пилотов и диспетчера, что затрудняло и без того сложную коммуникацию. После катастрофы электрическая схема радиостанций Боингов-747 была доработана с целью снижения паразитного излучения гетеродинов. По причине паразитного излучения гетеродина существует риск случайного или целенаправленного обнаружения работающего приёмника (вещательного, связного), что широко используется в военном деле (радиоэлектронной разведкой), спецслужбами при поиске агентуры, полицией для выявления радар-детекторов в странах, где их применение запрещено, а также для оценки популярности телевизионной или радиопередачи по суммарной мощности паразитного излучения приёмников в интересующем районе. Задача подавления паразитного излучения сводится к снижению мощности гетеродина (в 1940—1960 годах она достигала 300 мВт, в 1970-х годах с переходом на транзисторные схемы была снижена до 20—30 мВт, с переходом на интегральные микросхемы в 1980-х годах — снижена до единиц милливатт, а в современных цифровых тюнерах не превышает десятков микроватт), сокращению размеров и надёжному экранированию смесительно-гетеродинного узла и усилителя промежуточной частоты (что решается интегральным исполнением приёмника), применению широкополосных заградительных высокоселективных фильтров на антенном входе приёмника.^{[источник не указан 54 дня]}

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 (англ.) 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.^[3] 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 ^[4][5]. 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.^[6] (завод № 203 в Москве), по другим — вещательный СГ-6 (не позже 1931 г., завод им. Козицкого в Ленинграде),^[7], по третьим — радиоприёмник «Дозор», разработанный в конце 20-х годов в «Остехбюро» и переданный в серийное производство на тот же завод им. Козицкого.^[8] 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).

См. также

• Электронный усилитель
• Гетеродинирование
• Гептод

Примечания

Литература

• Бобров Н. В. Радиоприёмные устройства. Изд. 2-е, доп. — М.:Энергия, 1976
• А. Г. Соболевский. Я строю супергетеродин. — М.:Энергия, 1971
• А. К. История супера.//Радиофронт, 1941 № 10, с. 12-15
• Г. Г. Современные супергетеродины.//Радиофронт, 1932, № 9, с. 43-45

Ссылки

• Смесители и преобразователи сигналов для устройств подвижной связи. Смесители на полевых транзисторах