704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_

Следующим шагом, обеспечивающим реализацию преобразователя частоты с подавлением зеркального канала, является поворот сигнала на входах смесителей на 90 друг относительно друга. Это действие обычно выполняется при помощи LC схем. Конечно, такой поворот фазы осуществляется только в определенном, достаточно узком диапазоне частот, тем не менее, расчет подобных устройств подробно описан в ряде источников [1]. Учитывая, что диапазон принимаемых частот в системах мобильной радиосвязи достаточно узок, схема фазовращателя, обеспечивающего точность поворота фазы в заданном диапазоне порядка 1 , может быть достаточно простой. Подавление зеркального канала при этом может достигать значения 40 дБ. Пример принципиальной схемы подобной схемы делителя мощности со сдвигом фаз выходных сигналов на 90 приведен на рисунке 2.73.

Рисунок 2.73. Принципиальная схема делителя мощности со сдвигом фаз выходных сигналов на 90

2.3.8. Гетеродины

Как мы уже знаем, гетеродины в приемниках предназначены для применения в составе смесителей для переноса спектра входного сигнала на более низкую частоту. От параметров гетеродинов зависит качество преобразованного сигнала и в общем случае параметры всего радиоприемного устройства в целом.

Основными параметрами гетеродина являются:

1.Частота или диапазон частот выходного сигнала

2.Шаг перестройки частоты гетеродина

3.Мощность выходного сигнала

4.Относительная нестабильность частоты:

кратковременная

долговременная

5.Точность установки частоты

6.Относительный уровень гармоник на выходе

7.Спектральная плотность мощности фазовых шумов

121

Рабочая частота или диапазон частот определяются, исходя из полосы частот принимаемого сигнала. Например, для стандарта сотовой связи GSM 900 диапазон принимаемых частот для мобильных аппаратов составляет 935 … 960 МГц. При номинале промежуточной частоты 45 МГц, диапазон рабочих частот гетеродина будет равен 980 … 1005 МГц.

Шаг перестройки гетеродина задается шириной радиоканала, принятой в системе связи, в составе которой будет работать приемник. Например, шаг перестройки гетеродина для стандарта сотовой связи GSM будет составлять

200 кГц.

Мощность на выходе гетеродина (в дБм) определяется, исходя из требу-

емой для работы смесителя мощности плюс запас в 2 ... 4 дБ, необходимый на компенсацию потерь в тракте гетеродин-смеситель и на рассогласование по входу смесителя. Обычно уровень сигнала гетеродина составляет +16 дБм.

Относительная нестабильность частоты – характеристика, показываю-

щая отклонение частоты генератора (уход частоты) от номинального значения. Эта величина определяется отношением

f	,	(2.47)
f0

где f – уход частоты,

f0 – номинальная частота.

Различают кратковременную (например, за 1 секунду) и долговременную (например, за 1 год). Пусть за 1 год уход частоты гетеродина с номинальной частотой 10 ГГц составляет 1 кГц. Тогда долговременная относительная нестабильность частоты будет равна:

103 107 ,

1010

Существует еще один способ задания нестабильности частоты. Пусть в диапазоне температур (–40 С° ... +50 С°) температурная нестабильность задается следующим образом: +0,1 ppm/С°, где ppm означает миллионную часть целого. Тогда температурный уход частоты для гетеродина с частотой 10 ГГц составит:

0,1 ppm / C° 1010 Гц 10 7 / C° 1010 1кГц / C°

при этом относительная нестабильность частоты 1ГГц в диапазоне температур от –40º до +60ºC будет равна:

f			1кГц 100о		105		10 5 .
f			10			10
	0		10		10

Уход частоты при изменении напряжения питания (pushing) может быть минимизирован применением стабилизаторов напряжения.

122

Для уменьшения относительной нестабильности частоты от изменения нагрузки (pulling) на выходе гетеродина применяются развязывающие устройства (вентили) или буферные усилители, которые кроме этого обеспечивают требуемую мощность гетеродина.

Точность установки частоты задается резонансной частотой контура в цепи обратной связи генератора. В случае применения в качестве гетеродина синтезатора частот, точность установки частоты гетеродина определяется частотой опорного генератора. Обычно это значение составляет ± 10 ÷ 1000 Гц.

Относительный уровень гармоник на выходе гетеродина зависит от его схемы и наличия фильтра на выходе. Обычно на выходе гетеродина требуется, чтобы уровень гармоник не превышал –25 дБ.

Спектральная плотность мощности фазовых шумов характеризует кратковременную фазовую нестабильность частоты гетеродина за счет шумовых свойств генератора.

Гетеродин обладает своей нестабильностью частоты. Нестабильность частоты гетеродина приводит к тому, что приходится расширять полосу пропускания фильтра основной избирательности приемника. Полоса пропускания фильтра основной избирательности приемника определяется следующим выражением:

		Пфои Пc fг fпер fдоп ,	(2.46)
где Пc	–	полоса принимаемого сигнала;
fг	–	нестабильность гетеродина;
fпер –		нестабильность возбудителя передатчика;
fдоп	–	изменение частоты принимаемого сигнала за счет взаимного
		перемещения передатчика и приемника сигнала (эффект До-
		плера).

Нестабильность гетеродина может значительно расширить полосу пропускания приемника. Это, в свою очередь, приводит к увеличению шума главного тракта приема, а значит отношения сигнал/шум на входе демодулятора, и, в конечном итоге, уменьшению помехоустойчивости радиоприемного устройства в целом.

При рассмотрении принципов работы супергетеродина и приемника прямого преобразования мы полагали, что гетеродин вырабатывает идеальное синусоидальное колебание, однако это не так. В реальности в генераторе присутствуют шумы: тепловые, дробовые и фликкер-шумы. Так как активный прибор генератора (транзистор) находится в нелинейном режиме, то происходит модуляция несущей частоты генератора шумом. Кроме того в генераторах происходит частотное преобразование шума на частоту несущей. В результате перечисленных факторов в спектре выходного сигнала гетеродина мы видим не одиночную частотную составляющую, а целый спектр.

123

На рисунке 2.75 приведена временная диаграмма сигнала, спектр которого показан на рисунке 2.74.

Рисунок 2.74. Спектр выходного сигнала гетеродина

Рисунок 2.75. Временная диаграмма выходного сигнала гетеродина

Как видно из этого рисунка, форма выходного колебания гетеродина практически не отличается от синусоидальной. На глаз очень трудно оценить искажения сигнала, поэтому при оценке качества выходного сигнала гетеродина обычно рассматривается его спектр. И действительно при рассмотрении спектра сигнала, мы видим, что уровень второй гармоники гетеродина на 25 дБ ниже уровня основного тона его сигнала. Трудно определить на глаз искажения сигнала на уровне 5 %.

Как это уже обсуждалось при изучении особенностей работы смесителя, гармоники гетеродина могут привести к образованию побочных каналов приема. Однако при правильно разработанной структурной схеме радиоприемного устройства гармоники гетеродина обычно не оказывают влияния на перенос спектра принимаемого сигнала на промежуточную частоту. Кроме того, они

124

могут быть легко отфильтрованы полосовым фильтром, включенным на выходе гетеродина.

В самом преобразователе частоты вторая гармоника гетеродина может быть подавлена при помощи балансной (или двойной балансной) схемы. Уровень третьей гармоники гетеродина меньше основного тона уже на 50 дБ, поэтому уровень интермодуляционного канала, формируемого этой гармоникой гетеродина, значительно меньше уровня зеркального канала.

Значительное влияние на выходной сигнал оказывают шумы гетеродина. В этом случае мы можем рассматривать помехи, находящиеся вне диапазона приема как сигнал гетеродина, а шум нашего гетеродина как сигнал, преобразуемый в промежуточную частоту. Учитывая, что шум присутствует на всех частотах, всегда найдется участок, отстроенный точно на значение промежуточной частоты. Этот шум попадет на выход главного тракта приема. (Без помехи его бы не было.) В результате отношение сигнал/шум на выходе уменьшается

Пример спектра сигнала на выходе гетеродина в ближней зоне приведен на рисунке 2.76.

Рисунок 2.76. Спектр выходного сигнала гетеродина в ближней зоне

Форма тока гетеродина существенно зависит от режима работы смесителя, поэтому в дальнейшем мы будем в основном оценивать шумовые характеристики гетеродина и его нестабильность. Эти характеристики существенно зависят от принципиальной схемы гетеродина. Рассмотрим основные схемы гетеродинов.

Осцилляторные схемы гетеродинов

Генератор может быть построен на любом усилительном элементе, охваченном положительной обратной связью. Обобщенная схема генератора незатухающих колебаний приведена на рисунке 2.77.

125

	усилитель
U1	K,		U2

,

цепь обратной связи

Рисунок 2.77. Обобщенная схема генератора

Для самовозбуждения колебаний в такой схеме необходимо выполнить два условия:

-Баланс амплитуд.

-Баланс фаз.

Баланс амплитуд выполняется, если произведение коэффициента усиления

усилителя K и коэффициента передачи цепи обратной связи								β будет больше
единицы:
	K				β		1.	(2.47)

Баланс фаз выполняется, если сумма фазового сдвига усилителя и фазового сдвига цепи обратной связи будет равна нулю или кратна 360 . Это условие описывается следующим выражением:

2 n ,

(2.50)

где n – целое число

В качестве усилительного элемента можно использовать любой активный элемент, обладающий усилением. В случае проектирования гетеродина удобнее всего применять транзистор. Известно, что для построения генератора на транзисторах применяются схемы индуктивных и емкостных трехточек, получившие общее название осцилляторные схемы. В настоящее время схема индуктивной трехточки практически не применяется. Это обусловлено высокой стоимостью индуктивностей.

Емкостные трехточки тоже имеют три варианта включения колебательного контура. Эти варианты в англоязычной литературе имеют свои названия. Их схемы приведены на рисунках 2.78 – 2.80.

126

L1
K
C1	C2
Рисунок 2.78. Схема Пирса

В схеме Пирса применяется инвертирующий усилитель, поэтому для создания положительной обратной связи на его вход должно поступать напряжение, противофазное напряжению на его выходе. Поворот фазы выходного колебания усилителя на 180 осуществляется контуром L1, C1, C2.

C1
K
L1	C2
Рисунок 2.79. Схема Клаппа

В схеме применяется неинвертирующий усилитель, поэтому для создания положительной обратной связи на его вход должно поступать напряжение, синфазное с напряжением на его выходе. Контур L1, C1, C2 инвертирование фазы колебания высокой частоты не производит. Соотношение емкостей конденсаторов C1, C2 определяет глубину обратной связи β .

C1

K

C2

L1

Рисунок 2.80. Схема Колпитца

Схема Колпитца практически совпадает со схемой Клаппа. Отличие заключается в том, что на вход усилителя в данной схеме поступает все напряжение с частотнозадающего контура, а вот выходное напряжение подается только на часть контура (конденсатор C1).

Любую из описанных схем можно использовать для реализации принципиальной схемы гетеродина. На рисунке 2.81 в качестве примера приведена схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе.

127

			+Uп
		R1
C1	C4
Настройка			VT1
VD1	C2		выход
	L1
	C3	R2	R3

Рисунок 2.81. Схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе

Вэтой схеме усилительный элемент (транзистор VT1) включен в схему контура L1 C1 C2, резонансная частота которого и определяет частоту генерации схемы. Глубина обратной связи задаётся соотношением ёмкостей C2 и C3 контура и коэффициентом усиления транзистора на заданной частоте самовозбуждения. Настройка гетеродина на требуемую частоту производится при помощи постоянного напряжения, поступающего на варикап VD1.

Развязывающий конденсатор C3 не дает индуктивности L1 закоротить базу транзистора VT1 на корпус схемы по постоянному току, поэтому цепи стабилизации тока транзистора по постоянному току можно рассматривать независимо.

Вданной схеме применена схема эмиттерной стабилизации. Как известно,

вэмиттерной стабилизации ток через резисторный делитель напряжения R1, R2 выбирается больше тока базы транзистора VT1 (как минимум в пять раз). В этом случае напряжение на базе транзистора не будет зависеть от температуры. При увеличении коллекторного, а, значит, и эмиттерного, тока транзистора VT1 (например, из-за увеличения температуры) увеличивается падение напряжения

на резисторе R3. Это приводит к уменьшению напряжения UКЭ , т.к. по закону Киргофа напряжение на базе может быть описано следующим образом:

Uб U КЭ U Rэ ,	(2.51)
откуда можно выразить напряжение UКЭ :
UКЭ Uб URэ .	(2.52)

Уменьшение напряжения UКЭ приводит к уменьшению тока базы транзи-

стора и в конечном итоге к стабилизации тока покоя транзистора VT1.

Варикап VD1 в этой схеме предназначен для перестройки гетеродина в заданном диапазоне частот. Конденсатор C1 не позволяет индуктивности L1 замкнуть напряжение настройки гетеродина на корпус и, кроме того, может быть использован для уменьшения диапазона перестройки частот гетеродина.

128

В качестве еще одного примера принципиальной схемы гетеродина, на рисунке 2.82 приведена схема Клаппа, выполненная на биполярном транзисторе.

C4 +Uп

L1

C2

VT1

выход

C1

R1

R3

C3 R2

Рисунок 2.82. Схема Клаппа, выполненная на биполярном транзисторе

Вэтой схеме, как и в схеме, приведенной на рисунке 2.81, применена схема эмиттерной стабилизации по постоянному току. В ней базовый делитель напряжения собран на резисторах R2 и R3, а эмиттерный резистор – это R1. В остальном схема включения транзистора по постоянному току не отличается от схемы включения транзистора, приведенной на рисунке 2.81.

Всхеме гетеродина, приведенной на рисунке 2.82, транзистор включен по схеме с общей базой. Как и в схеме включения транзистора с общим коллектором, она не инвертирует входной сигнал, поэтому для самовозбуждения колебаний достаточно подать на вход часть энергии колебаний из выходного контура. Частотно-задающий параллельный контур в данной схеме составляют элементы L1, C1, C2. Глубина положительной обратной связи определяется соотношением емкостей конденсаторов C1 и C2. Развязывающий конденсатор большой емкости C4 обеспечивает заземление верхнего по схеме конца индуктивности L1. Конденсатор C3 обеспечивает заземление базы транзистора VT1 по переменному току.

Для гетеродинов очень важно обеспечить стабильность генерируемой частоты. В этом случае воздействие мощной помехи, действующей на выход генератора, может привести к захвату его частоты или к паразитной частотной модуляции помехой. Именно поэтому очень важно обеспечить минимальное влияние нагрузки на частоту генерируемого колебания.

Развязку выходной и входной цепи обычно выполняют при помощи дополнительного усилителя на транзисторе или интегральной микросхеме. Одно-

129

временно применение дополнительного усилителя позволяет забирать меньше энергии от генератора, что уменьшает потери, вносимые в частотозадающий контур и, в конечном итоге, повысшает стабильность частоты гетеродина.

В качестве развязывающего устройства может подойти любой усилитель, однако чаще всего применяется транзисторный усилитель с общим коллектором (эмитерный повторитель). Подобная схема гетеродина с развязкой от смесителя при помощи эмитерного повторителя с гальванической связью между каскадами приведена на рисунке 2.83.

	+Uп
C3	R1
	VT1
C1		VT2
L1
C2	R2	выход
	R3	R4

Рисунок 2.83. Гетеродин с развязкой от нагрузки при помощи эмитерного повторителя

В настоящее время в качестве буферного усилителя применяются интегральные микросхемы, позволяющие получить нормированное усиление и развязку входа микросхемы от ее выхода во всем диапазоне рабочих частот. В качестве примера можно назвать буферизирующую микросхему MAX2470 фирмы MAXIM. Благодаря своим малым размерам эта микросхема занимает площадь, меньшую, чем схема, собранная на отдельных элементах.

Существуют микросхемы, в которых для реализации гетеродина достаточно подключить только внешнюю индуктивность. В качестве подобной микросхемы можно назвать микросхему MAX2605. Тем не менее, для получения качественных характеристик очень важна конструкция гетеродина и ряд фирм, таких как Mini-Circuits или Sirenza microdevices, выпускают готовые модули гетеродинов, предназначенные для работы в определенном диапазоне частот.

130