Искажения ЧМ-сигнала в радиотракте 5 страница

2) находят составляющую входного тока преобразователя на частоте сигнала , создающую нагрузку для источника сигнала.

Анализ проведем при следующих допущениях:

1) полагаем, что на ПЭ (рис.57) действуют три гармонических напряжения:

, ; . (7.3)

Напряжения на входном и выходном фильтрах создаются входными и выходными токами различных комбинационных частот. Обычно эти напряжения малы, поскольку сопротивления фильтров для комбинационных частот незначительны;

2) считаем ; , т.е. полагаем ПЭ работающим в линейном режиме относительно напряжения сигнала; относительно напряжения гетеродина ПЭ всегда работает в нелинейном режиме;

3) ПЭ является безынерционным устройством, не содержащим емкостных и индуктивных элементов; поэтому его ток не зависит от производных или интегралов приложенных к ПЭ напряжений. Для безынерционного ПЭ входной и выходной токи определяются статическими ВАХ:

, (7.4)

. (7.5)

Составляющая тока не содержит полезной составляющей тока с частотой

. (7.6)

Преобразование частоты возможно на любой гармонике крутизны:

. (7.7)

Из этих значений используется только одно.

Если при , то преобразование частоты называется простым.

Если при , то преобразование частоты называют комбинационным; оно возможно из-за появления гармоник крутизны.

Таким образом, из всех составляющих выходного тока только одна с частотой является полезной:

, (7.8)

где соответствует (только при составляющая тока имеет промежуточную частоту).

В выражении (7.8) первое слагаемое характеризует преобразование частоты, второе – реакцию фильтра.

Крутизна прямого преобразования по определению крутизны при . Согласно (7.8),

, (7.9)

где - коэффициент пропорциональности между амплитудой выходного тока промежуточной частоты и амплитудой напряжения сигнала на входе при короткозамкнутом выходе ПЭ.

Внутренняя проводимость преобразователя частоты по определению, при . Согласно (7.8), внутренняя проводимость преобразователя равна постоянной составляющей внутренней проводимости ПЭ:

. (7.10)

Внутренний коэффициент усиления преобразователя

. (7.11)

С учетом принятых обозначений

. (7.12)

7.3 Частотная характеристика преобразователя

Под АЧХ преобразователя частоты понимают зависимость его коэффициента передачи от частоты входного сигнала при фиксированной частоте гетеродина; частота сигнала изменяется в широких пределах.

Пусть в качестве фильтра преобразователя используется одиночный резонансный контур, настроенный на частоту (рис.59).

Рисунок 59 – Эквивалентная схема ПЧ

С изменением при фиксированном значении промежуточная частота меняется.

Графические зависимости , построенные согласно (7.7), показаны на рис.60а. При ; при и т.д.

Рисунок 60 – Графические зависимости

Таким образом, различным значениям соответствуют различные значения , причем значение зависит от номера гармоники крутизны, на которой происходит преобразование частоты. Напряжение на выходном контуре преобразователя появится только при выполнении условия резонанса, т.е. при .

Согласно рис.6а, условие резонанса выполняется не на одной частоте сигнала, а на нескольких частотах ; следовательно, АЧХ преобразователя имеет несколько подъемов. Каждому подъему соответствует определенная полоса пропускания, через которую на выход приемника могут проходить составляющие спектра сигнала и помех. Такие полосы пропускания называют каналами приема. Каждый канал соответствует своей частоте сигнала. АЧХ преобразователя показана на рис.60б, форма АЧХ каждого канала зависит от вида фильтра ПЧ.

7.4 Диодные преобразователи частоты

В большинстве приемников сверхвысоких частот в качестве ПЭ преобразователей частоты используют кристаллические диоды, обладающие малым временем пролета электронов (малой инерционностью) и сравнительно малыми шумами.

Недостаток диодных преобразователей – отсутствие усилительных свойств.

Такие преобразователи частоты применяют и в профессиональных РПУ декаметрового диапазона.

На рис.61 показана схема диодного ПЧ.

Рисунок 61 – Схема диодного ПЧ

Фильтр настроен на частоту . Частичное подключение диода к входному и выходному контурам снижает шунтирующее действие на них сопротивления диода.

В реальных конструкциях диодных ПЧ СВЧ входной контур выполняют в виде отрезков полосковых или коаксиальных линий, а также в виде объемных резонаторов. В некоторых преобразователях предусматривают источник напряжения смещения , оптимизирующий рабочий участок ВАХ диода.

На рис.62 представлена типовая ВАХ диода; рабочую точку выбирают обычно в начале координат (в рассматриваемом случае напряжение ). Согласно рис.61 напряжение на диоде при . Поскольку , можно считать, что . По ВАХ диода, учитывая , можно построить зависимость .

Рисунок 62 – Диаграммы изменения тока диода и крутизны

С повышением амплитуды U_г увеличивается S_пч, а следовательно, и коэффициент передачи преобразователя частоты. Поэтому U_г выбирают по возможности большим, но не выше допустимого напряжения пробоя диода. Под действием U_г периодически меняются параметры диода.

Определим эквивалентные параметры преобразования для ПЧ с идеальным диодом, имеющим следующую ВАХ (рис. 63) .

Согласно рис.63, ток диода и крутизна меняются во времени под действием напряжения гетеродина с частотой ; ток диода имеет вид косинусоидальных импульсов с и шириной , а крутизна – прямоугольных импульсов высотой и шириной ( - угол отсечки).

Постоянная составляющая тока диода

Рисунок 63 – ВАХ диодного ПЧ

Следовательно, составляющая пропорциональна амплитуде гетеродина . Учитывая, что измерить амплитуду в СВЧ–диапазоне трудно, производят косвенную оценку по значению .

Постоянная составляющая крутизны

,

амплитуда k-й гармоники крутизны

.

В диодном ПЧ (рис.61) входные и выходные токи и напряжения диода одни и те же, поэтому для диода , а (условие симметрии схемы).

Тогда для определения эквивалентных параметров диодного ПЧ достаточно знать и . Крутизна преобразователя по k-й гармонике диодного ПЧ

,

внутренняя проводимость

,

внутренний коэффициент усиления

.

Схема диодного ПЧ взаимная, поэтому параметры прямого и обратного преобразования равны между собой:

.

Зная эквивалентные параметры диодного преобразователя, его расчет производят по формулам усилителя, в которых усилительные параметры заменяют на преобразовательные.

Шумовые свойства диодного ПЧ оценивают с помощью относительной шумовой температуры .

Относительная шумовая температура показывает, во сколько раз нужно увеличить температуру выходного сопротивления по сравнению с комнатной температурой , чтобы оно отдавало в нагрузку такую же мощность, что и реальный преобразователь.