Для чего предназначаются преобразователи частоты в радиоприемниках

Преобразователи частоты

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

1. Виды преобразователей частоты
2. Способы управления преобразователем
3. Режимы управления частотными преобразователями
4. Преимущества частотных преобразователей
5. Сферы применения

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Серия VF-51 – универсальный и компактный преобразователь частоты с перегрузкой 150%, мощностью от 0,4 до 22 кВт. Подходит для применения с насосами, вентиляторами, станками и конвейерами.

Серия VF-101 – специализированный преобразователь частоты с перегрузкой 150%, мощностью от 0,75 до 1120 кВт, совместим с различными сетевыми протоколами. Подходит для систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а также насосов, общепромышленных применений, в том числе с тяжелыми пусками.

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

• Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
• Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
• Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
• Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

• Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
• Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
• Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

• Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
• Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
• Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
• Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
• Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

• Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
• Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

• Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
• Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
• Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
• Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
• Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

Пуск и остановка электродвигателя осуществляются с панели или пульта управления частотника. При этом преобразователь осуществляет регулировку частоты вращения и остановку при возникновении аварийных ситуаций автоматически.

2) Внешнее управление.

ЧП с поддержкой интерфейсов передачи данных можно подключать к удаленному ПК для контроля текущих параметров и задания режимов работы привода.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

В таком режиме ЧП является исполнительным механизмом внешней системы управления.

4) Управление по событиям.

Некоторые модели ЧП позволяют запрограммировать время пуска или остановки, работу двигателя в другом режиме. Преобразователи такого типа применяют для полностью или частично автоматизированного технологического оборудования.

Преимущества частотных преобразователей.

Основные преимущества использования частотных преобразователей:

1) Экономия электроэнергии.

Применение ЧП позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

Плавный пуск и регулировка скорости вращения момента на валу позволяют увеличить межремонтный интервал и продлить срок эксплуатации электродвигателей.
Возможность отказаться от редукторов, дросселирующих задвижек, электромагнитных тормозов и другой регулирующей аппаратуры. снижающей надежность и увеличивающей энергопотребление оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

ЧП не имеют движущихся частей, нуждающихся в регулярной чистке и смазке.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

Во многих частотниках реализована возможность подключения удаленных устройств телеметрии и телемеханики, они могут встраиваться в многоуровневые системы автоматизации.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью менее 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

ЧП комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возобновлении подачи электроэнергии после ее отключения.
Возможность бесступенчатой точной регулировки частоты вращения без потерь мощности, что невозможно при использовании редукторов.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Возможность замены двигателей постоянного тока асинхронными электрическими машинами с частотными регуляторами. Для оборудования, требующего регулировки момента и скорости вращения, часто используются двигатели постоянного тока, скорость вращения которых пропорциональна поданному напряжению. Такие электрические машины стоят дороже асинхронных и требуют дорогостоящих промышленных выпрямителей. Замена двигателей постоянного тока на асинхронные электромашины с частотным управлением дает хороший экономический эффект.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

• Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
• Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
• Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
• Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Преобразователь частоты (радиотехника)

Преобразователь частоты — радиоэлектронное устройство для преобразования электрического (электромагнитного) сигнала путём переноса его спектра на некоторый интервал по оси частот.

Применение

Преобразователь частоты применяется, главным образом, в супергетеродинных радиоприёмниках, а также в различных радиоизмерительных приборах — селективных вольтметрах, анализаторах спектра, модулометрах и девиометрах, установках для измерения ослаблений. Его применение в этих случаях позволяет снизить рабочую частоту основного тракта усиления и селекции сигнала (тракта ПЧ), также сделать этот тракт неперестраеваемым, то есть, для настройки радиоприёмника на разные несущие частоты изменяется частота гетеродина преобразователя, несущая частота выходного сигнала, называемая промежуточной частотой (ПЧ), остаётся неизменной. Кроме выработки сигнала ПЧ преобразователь может использоваться и в других случаях, например, ультразвуковых линиях задержки электромагнитного СВЧ-сигнала.

Устройство и принцип действия

Схема однолампового преобразователя частоты на отечественном гептоде 1А1П

Функционально преобразователь частоты включает в себя три составные части — гетеродин, смеситель и выходной полосовой фильтр. Гетеродин представляет собой генератор сигнала синусоидальной формы, настраиваемый, либо с фиксированной частотой. Смеситель — основная часть преобразователя, нелинейное электронное устройство, в котором происходит образование нужного спектра. Принцип действия смесителя состоит в том, в результате нелинейных процессов образуются комбинационные гармоники, частоты которых равны разностям или суммам частот гармоник входных сигналов, либо частот кратных частотам исходных гармоник. Амплитуды полученных комбинационных гармоник пропорциональны амплитудам исходных, таким образом, каждый из наборов комбинационных гармоник (разностных, суммарных, разностных и суммарных кратным) эквивалентен спектру входного сигнала, сдвинутому по частоте. Полосовой фильтр предназначен для селекции нужного набора гармоник, обычно выполнен по стандартной схеме полосового фильтра на LC-элементах.

Конструктивно преобразователь частоты может быть выполнен в виде единого устройства, в том числе на интегральной микросхеме с дополнительными элементами, в виде двух блоков (блок гетеродина и блок смесителя с фильтром) либо, в некоторых случаях, в разнесённом виде, например, в установках для измерения ослаблений смеситель и фильтр представляют собой обособленные устройства, а в качестве гетеродина используется сторонний измерительный генератор, не входящий в комплект установки.

Характеристики преобразователей частоты

• По частотным свойствам возможны два варианта преобразователей
  • С перестраиваемым гетеродином и фиксированным значением несущей выходного сигнала — наиболее распространённый вариант, используемый в радиоприёмных и измерительных устройствах. Частотными параметрами в этом случае являются: диапазон перестройки гетеродина (и следовательно диапазон входных сигналов) и значение несущей выходного сигнала (ПЧ)
  • С фиксированным гетеродином — используется в специальных случаях, в качестве частотных параметров при этом будут: допустимые значения частоты входного сигнала и значение величины переноса спектра
  • Крутизна преобразования — отношение амплитуды выходного тока (при закороченном выходе) к амплитуде напряжения входного сигнала
  • Внутренний коэффициент усиления — отношение амплитуды напряжения ПЧ к амплитуде напряжения входного сигнала
  • Коэффициент шума преобразователя

  См. также

  • Гептод
  • Супергетеродинный радиоприёмник
  • Гетеродин
  • Полосовой фильтр

  Литература

  • Справочник по радиоэлектронным устройствам. Т. 1 / Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
  • Полупроводниковые приёмно-передающие устройства. Справочник радиолюбителя / Р. М. Терещук и др. — Киев: Наукова думка, 1981

  Ссылки

  • Высокоэффективный преобразователь частоты
  • Преобразователь частоты диапазона СВЧ на нелинейном сегнетоэлектрическом конденсаторе
  • Радиотехника
  • Преобразователи

  Для чего предназначаются преобразователи частоты в радиоприемниках

  Во многих радиотехнических приложениях используется функциональное преобразование сигналов: в радиопередающих устройствах производятся угловая модуляция несущей и преобразование частоты вверх; в радиоприемниках – преобразование спектра частот принятого сигнала вниз и демодуляция; нерезонансное умножение или деление частоты используется для упрощения технической реализации устройств формирования и обработки сигналов. Такие операции выполняются нелинейным узлом – смесителем (См) частот. Нелинейные преобразования сигналов сложны для анализа, поскольку на выходе, кроме полезной составляющей, возникает множество продуктов комбинационного взаимодействия, взаимный уровень которых зависит от схемы См, от количества входных сигналов и соотношения их частот, от амплитуд каждого из них. Кроме того, возникает паразитная связь между каждой парой портов входа или выхода, что ухудшает функционирование радиосистемы. Как результат сложности этих явлений, номенклатура выпускаемых См очень широка, а их технически обоснованные характеристики заметно различаются. Вот почему целесообразно рассмотреть свойства См и родственных им функциональных узлов, определить их важнейшие характеристики и провести сопоставительный анализ предлагаемых на мировом рынке моделей и модификаций.

  СМЕСИТЕЛИ ЧАСТОТ
  На рис.1 показаны порты См, где RF (Radio Frequency) – порт ВЧ-сигнала с частотой fRF, LO (Local Oscillator) – порт сигнала местного генератора (гетеродина) с частотой fLO, IF (Intermediate Frequency) – порт сигнала промежуточной частоты fIF. Если входные порты – IF и LO, а выходной – RF, то речь идет о преобразовании частоты вверх (upconverter). Если входные порты – RF и LO, а выходной – IF, то См осуществляет преобразование частоты вниз (Downconverter).
  Схемы См могут быть пассивными, в которых в качестве нелинейных элементов применяются полупроводниковые диоды, и активными, в которых последовательно с одним или несколькими портами включены встроенные широкополосные усилители. Линейные частотные фильтры лишь улучшают соотношение мощностей определенных частотных компонент в соответствии с требованиями приложения.

  ОБЩИЕ СВОЙСТВА
  В идеальном смесителе с преобразованием частоты вверх перемножаются мгновенные значения гармонических входных IF- и LO-сигналов. В результате в спектре выходного RF-cигнала присутствуют лишь компоненты первого порядка с суммарной и разностной частотами fLO ± fIF. В диапазоне входных частот менее 100 МГц по такому принципу работают четырехквадрантные аналоговые перемножители.

  Простейшая схема небалансного См ВЧ-диапазона представляет собой соединенные в кольцо источники квазигармонических напряжений uRF(t) и uLO(t), диод и нагрузку. Вольт-амперная характеристика диода описывается экспоненциальной функцией i(e) = Sexp(ae), где е – напряжение на диоде, S – крутизна, a – множитель нелинейности. Эту функцию можно представить в виде ряда i(e) = S[1 + ae + . + (1/n!)anen+ . ], а напряжение е – в виде суммы синусоидальных составляющих с частотами fLO и fRF, соответственно. После тригонометрических преобразований получим, что в спектре тока диода присутствуют гармоники входных сигналов с кратными частотами и составляющие со всевозможными комбинационными частотами (harmonic intermodulation pro- ducts) fIF = |± mfRF ± nfLO|, где m и n – целые числа. Если в сигнале на RF-входе имеются две гармонические составляющие с близкими частотами fRF1 и fRF2, то в токе См возникают паразитные комбинационные компоненты высокого порядка. Например, продукты третьего порядка имеют частоты 2fRF1 ± fRF2 ± fLO. Мощность каждой из спектральных компонент зависит от схемы См и нелинейным образом связана с амплитудами входных сигналов. При использовании См даже двух гармонических сигналов в выходном спектре полезных компонент первого порядка возникают паразитные комбинационные составляющие высокого порядка. Например, если выбраны входные частоты fIF = 10,1 МГц и fLO = 100 МГц, то в полосе частот DfRF = (109–113) МГц располагаются компоненты со значениями m и n: 1 и 1; 9 и 2; 11 и 0; 21 и 1; 19 и 3 и др. Разработаны методы выбора входных частот, позволяющие существенно снизить уровень паразитных компонент в заданной окрестности нужной частоты.

  ПАРАМЕТРЫ СМЕСИТЕЛЕЙ
  Основные параметры См, которые надо учитывать при создании электронной аппаратуры на их основе, можно разделить на три группы: характеристики номинальных сигнальных параметров; коэффициенты передачи и паразитных связей; чувствительность к вариациям параметров входных сигналов и внешних воздействий.
  К номинальным параметрам относятся:
  · диапазон частот по каждому из портов fLO, fRF, fIF;
  · мощность полезного PRF и опорного PLO сигналов. Значения мощностей указываются в децибелах по отношению к уровню 1 мВт (дБмВт) [1] для середины рабочего диапазона частот. Нелинейность амплитудной характеристики смесителя PIF(PRF), снимаемая при одногармоническом сигнале на RF-входе, характеризуется уровнем 1-дБ компрессии (1-dB-Compression Point), т.е. мощностью входного сигнала Р-1 дБ, при которой коэффициент передачи смесителя СR-I падает на 1 дБ по сравнению с малосигнальным значением (рис.2, точка А). При использовании двойного логарифмического масштаба по осям (Bode Diagram) получим, что мощность интермодуляционных продуктов третьего порядка РИМ3 (рис.2, зеленая пунктирная линия) увеличивается с ростом PRF в три раза быстрее, чем PIF(PRF) в малосигнальной области, а мощность продуктов четвертого порядка (рис.2, красная пунктирная линия) – в четыре раза быстрее. Точка пересечения продолжения линии PIF(PRF) с линией РИМ3 (рис.2, точка В), где мощности основного и ближайшего паразитного продуктов равны, называется точкой IP3 (Intercept Point 3rd Order). Для измерения уровня IP3 при помощи анализатора спектра на RF-вход подаются два сигнала близких частот одинаковой мощности, а на вход LO – опорное колебание. Величина IP3 должна определяться при номинальном уровне PLO, который по умолчанию равен +3 дБмВт. Некоторые производители для справок приводят входной уровень для IP3 (Input IP3), другие указывают выходную мощность для этой точки (Output IP3). Если в результате действия мер по балансировке смесителя уровень IP3 возрастает, то существенным может стать уровень IP4 (рис.2, точка С). Разность между уровнем выходной мощности в точке Р-1 дБ и уровнем мощности шума, измеряемая в децибелах (рис.2, отрезок D), определяет динамический диапазон смесителя.
  Мощность опорного сигнала PLO влияет на коэффициент преобразования СR-I и на коэффициент шума NF См (рис.3). Коэффициент шума NF показывает превышение мощностью шума на выходе каскада уровня шума, вносимого резистором, сопротивление которого при номинальной температуре равно его входному сопротивлению. Характер нелинейности используемых диодов заметно влияет на такие характеристики. Номинальный уровень PLO выбирается на участке насыщения характеристик СR-I(PLO) и NF (PLO).
  В качестве коэффициентов передачи при номинальном уровне используются:
  · коэффициент преобразования СR-I. В англоязычной литературе этот параметр активного См иногда обозначают как коэффициент усиления (Conversion Gain) СG, а пассивного См – как коэффициент потерь (Conversion Loss) СL. Частотная характеристика СR-I(fRF) характеризует равномерность преобразования по диапазону частот;
  · коэффициенты изоляции между портами LO, IF и RF. Некоторые производители дают таблицы S-параметров, учитывающие все направления взаимных связей;
  · коэффициент подавления сигнала опорной частоты Сн; уровень подавления мощности зеркальной полосы частот Сз и уровень подавления гармоник опорного сигнала Сг, определяющие уровни мощности нежелательных продуктов преобразования по сравнению с полезной мощностью;
  · коэффициенты стоячей волны LO- и RF-портов.
  Чувствительность к вариациям параметров внешней среды и входных сигналов оценивается:
  · диапазоном рабочих температур в градусах Цельсия, в пределах которого СR-I изменяется не более чем на ±1 дБ;
  · подавлением влияния вариаций амплитуды входного сигнала на уровень постоянной составляющей на выходе.

  ТИПЫ СМЕСИТЕЛЕЙ
  Небалансный смеситель. Практически не применяется, так как не обеспечивает приемлемой развязки между портами, а мощность полезного сигнала зависит от уровней как входного, так и опорного сигналов.
  Двухдиодный однократно балансный смеситель (Single-Balanced Mixer – SBM) по схеме рис.4 обеспечивает балансировку по LO-порту, так что амплитудная нестабильность опорного источника не сказывается. За счет высокой симметрии обмоток трансформатора и диодной пары нежелательное прохождение IsoL-I снижается на 20–30 дБ. Благодаря встречному включению диодов компенсируются паразитные интермодуляционные продукты четного порядка и уменьшается влияние нестабильности мощности РLO на коэффициент преобразования RF–IF. Такая схема находит применение в недорогих См и фазовых дискриминаторах диапазона 0,1–2 ГГц.
  Смеситель с двойной балансировкой (double-balanced mixer – DBM) с диодным кольцом (рис.5а). На IF-выходе этой схемы компенсируются комбинационные продукты четного порядка. Рабочий диапазон частот ограничен симметрией трансформаторов и их коэффициентом перекрытия по частоте. На высших частотах сказывается шунтирующее влияние собственной емкости диодов. Для расширения динамического диапазона за счет повышения уровня IP3 применяют диоды с увеличенным уровнем порога открывания. Двойная балансировка обеспечивается также в См по схеме гибридного кольца (рис.5б). Такие смесители имеют повышенную чувствительность к рассогласованию сопротивления нагрузки, так как отраженные сигналы создают на диодах пиковые напряжения, значительно превышающие номинальный уровень, соответствующий линейной нагрузке.
  Смеситель с тройной балансировкой (triple balanced mixer – TBM, рис.6). Применение двух диодных колец и дополнительных трансформаторов позволяет заметно расширить динамический диапазон и увеличить, минимум на 6 дБ, развязку между портами LO–RF.
  Балансный См с накачкой на субгармонике выходной частоты (Subharmonic Mixer, рис.7). В качестве полезной используется вторая или третья гармоника колебания на LO-входе. Развязку (изоляцию) между IF- и RF-портами в схеме рис.7 должны обеспечивать дополнительные внешние фильтры. Благодаря тому, что частота опорного сигнала fLO выбирается в два или три раза ниже, чем в базовой схеме, изоляция портов LO–IF на частоте fLO выше, а на частоте 2fLO намного выше, чем в других схемах. Эта техника находит применение в квадратурных (I/Q) модуляторах сантиметрового и миллиметрового диапазонов, где необходимый уровень развязки трудно обеспечить даже в схемах с двойной балансировкой.
  Смесители на гармониках (Harmonic Mixer) отличаются тем, что используют на RF-порте комбинационные продукты более высокого порядка в качестве полезных, подавляя ближайшие компоненты первого порядка за счет оптимизации вольт-амперных характеристик диодов и схемной балансировки. Возможность работать с частотой опорного генератора в целое число раз ниже (в два, четыре или шесть), чем в базовых схемах, как и в См с накачкой на субгармониках, позволяет снизить стоимость разработки источника fLO, особенно в миллиметровом диапазоне. См на гармониках имеют более широкий динамический диапазон, чем базовая схема, благодаря повышенному уровню P-1 дБ на RF-порте.

  ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ НА ОСНОВЕ СМЕСИТЕЛЕЙ
  Интерес представляют следующие функциональные узлы, выполненные на основе См частот.
  Модулятор/демодулятор бинарного фазоманипулированного сигнала (BPSK, рис.8). В этой схеме на LO-вход подается гармоническое колебание несущей частоты, на входы D1 и D2 – модулирующие информационные сигналы. В схеме происходит двустороннее расширение спектра (Double Sideband – DSB).
  Смеситель с подавлением зеркального канала (Image Reject Mixer – IR) для преобразования частоты вниз (рис.9). Мощность продуктов первого порядка в зеркальной полосе, а также удвоение полезной мощности в выделяемой полосе обеспечивает применение двух идентичных балансных нелинейных элементов (НЭ). ВЧ-сигналы поступают на них синфазно через делитель мощности ДМ, а опорные – со сдвигом на 90° через гибридный (Quadrature Hybrid) фазовращатель (Фвр). Выбором одного из выходов выходного Фвр задается полезная полоса сигнала IF. Полосовая фильтрация в схеме почти не требуется. Иногда для подавления зеркального канала используют четыре опорных колебания с частотой fLO одинаковой амплитуды, сдвинутые по фазе на 90, 180, 270 и 360°, соответственно.
  Квадратурный модулятор/демодулятор (Quadrature or in-phase/quadrature – I/Q, рис.10). Если информационные сигналы I и Q – входные, то на выходе RF-порта формируется сигнал ФМ-4 (QPSK). Если же на входной RF-порт подается фазоманипулированный сигнал, то схема работает как квадратурный демодулятор, выходные сигналы I и Q снимаются с IF1- и IF2-портов.
  Такая же схема может быть использована для однополосного преобразователя частоты (Single Sideband – SSB) без применения полосового фильтра. Это особенно ценно, когда основная и зеркальная полосы близки. Например, при прямой модуляции видеосигналом от постоянного тока до некоторой граничной частоты.
  Фазовый дискриминатор (Phase Comparator) организуется на основе См типа SBM, DBM или TBM, если на LO- и RF-порты поступают сигналы одинаковых частот с подлежащим измерению сдвигом по фазе j, а IF-выход имеет передачу по постоянному току. Его дискриминационная характеристика близка к косинусоидальной eфд(j) @ Еcosj, где множитель Е пропорционален амплитуде сигнала на RF-входе. Такой дискриминатор способен работать в широком диапазоне СВЧ-сигналов.
  Частотный дискриминатор (ЧД, рис.11). На LO-вход поступает входной сигнал u(t), а на RF-вход – выходной сигнал полосно-пропускающего фильтра (ППФ), возбуждаемого копией u(t). С выхода фильтра нижних частот (ФНЧ) снимается напряжение eчд, пропорциональное отклонению частоты f – f0 от заданного значения eчд @ Sчд(f – f0), где Sчд – крутизна дискриминатора. Такой частотный дискриминатор отличается простотой и высоким быстродействием.
  Широкополосный умножитель частоты (Fullband Frequency Multiplier – MF, рис.12), реализуемый при последовательном включении инвертора-разветвителя (ИР), НЭ (смесителей с параллельным включением RF и LO входов), сумматора С и ППФ. Если на входе ППФ сигналы от НЭ складываются синфазно, то за счет балансировки плеч умножителя происходит компенсация нечетных и сложение мощности четных гармоник частоты входного сигнала. При этом узел становится удвоителем (Doubler) или учетверителем (Quadrupler) частоты. В утроителе (Tripler) и упятерителе (Quintupler) частоты сумматор выполняется с инвертированием входных сигналов, поэтому мощности нечетных гармоник складываются, а четных – компенсируются. Выходной фильтр ППФ подавляет остаточную мощность мешающих гармоник частоты входного сигнала. При построении умножителей частоты высокой кратности дополнительно используют широкополосные малошумящие усилители входного и выходного сигналов и входной фильтр нижних частот СВЧ.
  Делитель частоты (Frequency Divider) входного сигнала в два раза (ё2) вида, приведенного на рис.12, если НЭ выполнены в виде варикапов (варакторов) с запертым pn-переходом и с нелинейной вольт-фарадной характеристикой. Эффект параметрического деления частоты в совокупности с ППФ на входе и ФНЧ на выходе позволяет получить высокий коэффициент передачи по мощности. В диапазоне входных частот менее 1 ГГц возможно применение счетчиковых делителей частоты: в таких узлах коэффициент деления частоты устанавливается произвольным с помощью внешних перемычек или загрузкой управляющего кода.

  СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НОМЕНКЛАТУРЫ СМЕСИТЕЛЕЙ
  Моделей См и устройств на их основе выпускается огромное число [2]: свыше 40 фирм поставляют нелинейные СВЧ-узлы на диапазон частот от единиц мегагерц до сотен гигагерц, а общее число моделей, даже без учета коммутационных схем (управляемые аттенюаторы, коммутаторы, манипуляторы), превышает 3000. В табл.1 представлены обобщенные сведения о некоторых фирмах-производителях таких изделий, расположенные в порядке возрастания числа предлагаемых моделей, а в табл.2 – основные параметры некоторых моделей См и преобразователей частоты общего назначения, расположенные в порядке возрастания рабочей частоты.
  В корпусе интегральной схемы FX40-27 собран частотный дискриминатор, в котором фильтры ППФ и ФНЧ выполнены на сосредоточенных элементах (см. рис.11). При замене фильтра ППФ можно изменять центральную частоту. Фазовый дискриминатор MPD-21 имеет высокую линейность характеристики ефд(j). Частотно-фазовый дискриминатор HMC403S8G чувствителен не только к разности фаз входных сигналов, но и к разности их частот, что улучшает свойства синтезатора частоты с ФАПЧ.
  Среди См, представленных в табл.2, можно обратить внимание на модели MCA-36FH с двойной и MCA-50H с тройной балансировкой, отличающиеся повышенным уровнем изоляции во всех нежелательных направлениях. Модель HMC411MS8G выделяется сверхширокой полосой пропускания по IF-порту – от постоянного тока до 5 ГГц. В состав ряда моделей входят микросхемы широкополосных усилителей по одному, по двум или по трем портам. Этим достигается снижение требований к мощности входного (UNCL-R1, STM-3116) или опорного (RF9986, HMC265LM3) сигналов, а также дополнительная межпортовая развязка. В моделях Front End, предназначенных для работы во входных цепях приемников, на RF-входе встроен малошумящий усилитель. Благодаря этому коэффициент шума, например, в модели RF9986 составляет 1,4 дБ.
  См миллиметрового диапазона часто используют работу на гармониках и/или на субгармониках. Например, модель HMC265LM3 работает со второй гармоникой опорного сигнала и обеспечивает очень высокую (-47 дБ) развязку IsoL-I. Входные частоты до 110 ГГц (модель MSH-10-3) не являются предельными для таких узлов: производители анонсируют модели См с частотами до 260 ГГц.
  В табл.3 представлены фазовые модуляторы/демодуляторы и преобразователи частот, расположенные по группам основного назначения в порядке возрастания рабочей частоты. Среди бинарных фазовых модуляторов можно выделить HMC380QS16G, в котором достигнута превосходная (-48 дБ) изоляция IsoL-R. Квадратурный демодулятор IQ-0618 отличается высоким (-35 дБ) подавлением зеркальной полосы частот, а SRF-2016 демонстрирует хорошую идентичность балансируемых каналов по амплитудам и по фазам. Квадратурный модулятор STQ-3016 имеет высокое подавление несущей и зеркального канала, а также низкий уровень входного сигнала на IF-порте. В некоторых моделях (например, HMC137) можно изменять назначение портов и использовать их или в качестве модулятора, или демодулятора. Сравнительно низкие входные частоты для SRF-2016 объясняются тем, что схема предназначена для высококачественной работы в тракте промежуточной частоты.
  В табл.4 приведены характеристики широкополосных умножителей и делителей частоты на основе нелинейных преобразовательных узлов, расположенных в порядке возрастания кратности и выходной частоты. Среди удвоителей частоты (ґ2) можно выделить D-0840 с диапазоном перекрытия по частоте 5:1. В MAX2M132152 за счет встроенного входного усилителя с ФНЧ удалось получить необычайно высокое (-60 дБ) подавление побочных компонент на входе. В утроителе частоты миллиметрового диапазона MUT-10 высокий уровень подавления паразитных компонент достигнут благодаря технике симметрирования. Выпускаются умножители частоты высокой (до ґ64) кратности. В таких микросхемах задача фильтрации усложняется из-за уменьшения шага паразитных компонент по частоте. Тем не менее, в ряде случаев удается получить высокий уровень подавления побочных компонент: в умножителе ґ13 модели MAX13M104104 уровень побочных компонент на входе и на выходе не превышает -50 дБ.
  В широкополосных делителях частоты уровень спектральной плотности мощности (СПМ) собственного белого фазового шума составляет (-140…-155) дБ/Гц при отстройке 100 кГц, что не больше, чем соответствующий уровень СПМ фазового шума ГУН [1]. Во многих делителях (HMC438MS8G, HMC494LP3, SP8902) нижняя граница рабочего диапазона частот практически не существенна, так как проявляется эффект цифрового деления. Можно выделить фирму Inphi Corp., которая предлагает линейку широкополосных делителей частоты с кратностью от 2 до 8, каждый из которых работает с номинальными входными частотами от 100 МГц до 25 ГГц. Например, модель ё8 типа 25673-QFN имеет весьма низкий уровень входного сигнала (-25 дБмВт) и предназначена для применения в качестве предварительного делителя частоты ГУН в составе синтезатора частот.

  Для чего предназначаются преобразователи частоты в радиоприемниках

  ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

  Если усиление принимаемых высоко­частотных сигналов производится на одной постоянной частоте, то радиоприемник освобождается от недостатков, присущих приемникам прямого усиления. Характерным элементом супергетеродинного при­ емника является преобразователь частоты (ПЧ), расположенный между усилителем радиочастоты (или входной цепью) и усилителем

  

  промежуточной частоты. В преобразователе частоты происходит пре­ образование колебаний, принимаемых радиоприемником сигналов одной частоты в колебания другой. При преобразовании частоты про­исходит процесс линейного переноса спектра принимаемого сигнала по шкале частот из одной части радиочастотного диапазона в другую без изменения соотношений между его составляющими. Для модулирован­ных сигналов это означает повышение или понижение несущей частоты с сохранением вида и закона модуляции (рис. 12.1).

  Частота сигнала, полученная после преобразования, называется промежуточной и обозначается f_пр. Таким образом, основной задачей преобразования в радиоприемнике является преобразование частоты принимаемого сигнала f_с в промежуточную частоту f_пр. Одновременно происходит усиление или ослабление принимаемого сигнала, а также выделение промежуточной частоты из спектра выходного тока преобра­ зовательного прибора. В структурную схему преобразователя частоты (рис. 12.2) входят преобразовательный прибор ПП, гетеродин Г и избирательная цепь ИЦ с цепями связи т₁ и т₂. Процесс преобразо­ вания частоты осуществляется с помощью параметрических преобра­ зовательных систем. В связи с малым уровнем подаваемых на вход преобразователя сигналов f_с электронные приборы (биполярные и полевые транзисторы, диоды, электронные лампы) по отношению к ним можно считать линейными. Поэтому преобразовательные при­ боры можно представить в виде линейных активных двухполюсников

  

  Рис. 12.2 Структурная схема преобразователя частоты.

  или четырехполюсников с периоди чески изменяющимися под воздей ствием большого напряжения гете родина параметрами. Преобразова ние частоты в этом случае можно рассматривать как параметриче ское. Избирательная цепь служит для выделения составляющих спек тра выходного тока преобразова­ теля вблизи выбранной промежуточной частоты. В качестве избира­тельных цепей преобразователей частоты применяются фильтры со­ средоточенной селективности (ФСС), двухконтурные полосовые филь­ тры или одиночные контуры.

  Принцип преобразования частоты

  

  Преобразование частоты осуществляется с помощью нелиней­ ных систем или систем с периодически изменяющимися парамет­рами. При использовании нелинейной системы на нее воздейству­ ют Два колебания: колебание частоты принимаемого сигнала и ко­ лебание вспомогательной частоты гетеродина. Схема простейшего преобразователя g диодом в качестве нелинейной системы приведе­ на на фиг. 6.1.

  Ток разностной (промежуточной) частоты, возникающий в цепи диода, выделяется на колеба­ тельном контуре, настроенном на эту ча­ стоту

  f пр = f г – f с. Нелинейными элемен­тами таких систем также могут быть тран­зисторы, электронные лампы, полупровод­ никовые и параметрические диоды.

  К системам с изменяющимися парамет­ рами относятся электронные лампы с дву­ мя управляющими сетками и полевые транзисторры с двумя затворами.

  Рассмотрим процесс преобразования частоты в цепи с нелиней­ ным элементом, вольт-амперная характеристика которого задана полиномом второй степени:

  

  где и — сумма напряжений сигнала и гетеродина.

  Определим составляющую тока в цепи нелинейного элемента при воздействии на него напряжений двух частот

  

  Подставив значение и в выражение (6.1) и использовав форму­лы тригонометрического разложения

  

  Из формулы (6.6) видно, что ток i кроме составляющих основ­ ных ча

  стот ω_Г и ω_С содержит постоянные составляющие (первый, четвертый и пятый члены выражения), токи вторых гармоник 2ω_С, 2ω_Г ( шестой и седьмой члены) и составляющие разностной и сум­ марной частот (последние члены).

  Следует отметить, что составляющую разностной частоты можно получить двумя путями: f _пр = f _г – f _с , f _пр = f _с — f _г . В соответствии с этим различают «верхнюю» настройку гетеродина, ко­торая обычно используется в диапазонах длинных, средних и ко­ ротких волн ( f _г = f с + f п_Р), и «нижнюю»

  ( f _г = f _с — f _пр ), которая применяется иногда в диапазоне СВЧ. Ток на выходе нелинейного элемента, являющийся током промежуточной частоты, определяется предпоследним членом выражения (6.6)

  ОСНОВНЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

  Качество работы преобразователя частоты оценивается следую­щими показателями.

  Коэффициентом передачи (усилением), который определяется при точной настройке гетеродина, когда промежуточная частота равна своему номинальному значению.

  • Коэффициент передачи может быть по напряжению или мощности; К_пч = U_nPIU_c ; К_пч = Р_пр/Р_с, где U_пр, Р_пр — напряжение и мощ­ность промежуточной частоты на выходе ПЧ; U_c , Р_с — напряжение и мощность полезного сигнала на входе ПЧ.

  Диапазоном частот гетеродина преобразователя частоты, кото­рый должен быть таким, чтобы перестройка гетеродина совместно с перестройкой входной цепи или входной цепи и УРЧ диапазонного приемника обеспечивала постоянную промежуточную частоту в рабо­ чем диапазоне частот.

  Избирательностью преобразователя частоты по соседнему ка­налу, которая определяется его резонансной нагрузкой. На качество работы преобразователя частоты большое влияние оказывает стабиль­ ность частоты гетеродина которая может изменяться в процессе рабо­ ты радиоприемника под влиянием изменения температуры, влажности, напряжения источника питания и механических воздействий. При произвольном изменении частоты гетеродина будет изменяться проме­ жуточная частота и, следовательно, уменьшится коэффициент усиления каскадов УПЧ и возникнут искажения сигнала на выходе прием­ника.

  Стабильность частоты гетеродина, характеризующаяся относи тельным изменением частоты гетеродина ∆f/f_0r под влиянием деста билизирующих факторов, должна быть как можно выше. Величина ее может лежать в пределах от 10 -3 до 10 -10 . Так как сигнал па входе преобразователя обычно имеет низкий уровень, то важным параметром, характеризующим преобразователь частоты, является e го коэффи­ циент шума или температура шума, особенно в приемниках СВЧ диапазона.

  Транзисторные и ламповые преобразователи частоты различаются по способу получения напряжения гетеродина. Схемы преобразова­ телей могут быть с отдельным гетеродином или с совмещенным, при котором функции смесителя и гетеродина объединены в одном усили­ тельном приборе.

  Транзисторные преобразователи различаются способом включения транзистора в смесителе. Наибольшее распространение получили преобразователи, у которых напряжение сигнала подается в цепь базы, а напряжение гетеродина — в цепь эмиттера. Ламповые пре­ образователи частоты различают по типу применяемых смесительных ламп — диодов, триодов, пентодов и специальных смесительных ламп — гептодов.

  Похожие публикации:

  1. Smd элементы как распознать на плате
  2. Почему гроза попадает в дома
  3. Почему луч преломляется в призме
  4. Что такое эффективное значение тока и напряжения