Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина - Рудольф Сворень

Смысл этого названия пояснить довольно трудно. Дело в том, что сравнительно давно был предложен так называемый гетеродинный метод радиоприема, который позволил получить более высокие результаты, чем с обычными приемниками прямого усиления. Затем гетеродинный приемник был усовершенствован, в результате чего появился новый замечательный тип радиоприемника, который и был назван «супергетеродин», что в переводе означает «намного лучше гетеродинного», а точнее, «сверхгетеродин».

Но дело, конечно, не в названии. Как бы ни назывался приемник, выполненный по супергетеродинной схеме, он и в наше время остается самым совершенным типом радиоприемного устройства.

В самой различной радиоаппаратуре важнейшую рать играют так называемые нелинейные процессы, к числу которых относятся уже знакомые нам детектирование, модуляция, выпрямление переменного тока, а также усиление сигнала в случае, когда появляются нелинейные искажения. Основным признаком всякого нелинейного процесса является изменение формы электрического сигнала, в результате чего в этом сигнале и появляются новые составляющие (рис. 77, 88, 107). Так, например, при детектировании и выпрямлении переменного тока форма сигнала резко изменяется — переменный ток превращается в пульсирующий. При этом появляется возможность выделить низкочастотную (детектирование) или постоянную (выпрямление) составляющую сигнала. Изменяется форма сигнала в результате нелинейных искажений и в усилителе низкой частоты. Появляющиеся при этом новые составляющие воспринимаются нами в виде посторонних шумов и хрипов, искажающих передачу.

Нелинейный процесс можно получить лишь в том случае, если в цепи имеется какой-либо элемент, изменяющий форму сигнала (нелинейный элемент), например полупроводниковый или вакуумный диод, электронная усилительная лампа, работающая в определенном режиме, полупроводниковый триод и др. В обычных электрических цепях, не искажающих форму сигнала, нам никогда не удалось бы осуществить ни модуляцию, ни детектирование, ни выпрямление переменного тока.

К числу нелинейных процессов относится и преобразование частоты, которое лежит в основе работы супергетеродинного приемника.

Если к нелинейному элементу, например к полупроводниковому диоду или электронной лампе, одновременно подвести два электрических сигнала с разными частотами, то в цепи этого элемента появятся самые различные составляющие каждого из этих сигналов. Среди них будет и переменная составляющая разностной или, как ее еще называют, промежуточной частоты. Такое название эта составляющая получила потому, что ее частота численно равна разности частот двух сигналов, подведенных к нелинейному элементу. Так, например, если к диоду подвести сигналы с частотами f1 = 1800 кгц и f2 = 1300 кгц, то в цепи диода появится новая переменная, составляющая с разностной (промежуточной) частотой fпр= 1800 – 1300 = 500 кгц. Выделить эту составляющую можно с помощью обычного колебательного контура LпрCпр, настроенного на частоту 500 кгц.

Появление сигнала промежуточной частоты можно упрощенно объяснить с помощью графиков (рис. 122, 123).

Рис. 122. Если подключить к какой-либо цепи два генератора с двумя различными частотами f1 и f2, то из общего тока можно будет выделить только две составляющие I1 и I2 с частотами f1 и f2.

Рис. 123. Однако, если в цепь включить нелинейный элемент, например полупроводниковый диод или электронную лампу, то произойдет преобразование частоты (своего рода нелинейное искажение), кроме I1 и I2 в цепи появятся новые составляющие и в том числе составляющая Iпр с разностной (промежуточной) частотой fпр, которую можно выделить с помощью контура.

Протекая в общей цепи, переменные токи I1 и I2 различных частот f1 и f2 суммируются. В некоторый момент времени t1 оба тока протекают в одном и том же направлении, и амплитуды их складываются. Но постепенно положительная амплитуда тока I2 с меньшей частотой f2 будет все больше и больше «запаздывать», и наконец наступит момент t2, когда оба тока будут протекать в разных направлениях, а амплитуда общего тока Iобщ будет равна разности I1 и I2. Дальнейшее «запаздывание» тока I2 приведет к тому, что в момент t3 направления обоих токов вновь совпадут, и общий ток возрастет. Таким образом, амплитуда общего тока Iобщ  будет периодически изменяться, чем-то напоминая модулированный сигнал (рис. 122). Частота изменения амплитуды общего тока как раз и равна разности частот f2 — f1. Это легко доказывается простейшим примером: если частота f1, равна 10 гц, а частота f2 = 8 гц, то в течение каждой секунды второе колебание «отстает» от первого на два полных периода, или, иными словами, в течение каждой секунды второе колебание дважды отстает от первого на целый период. Это значит, что дважды в течение каждой секунды амплитуды токов I1 и I2 совпадут, и амплитуда общего тока достигнет наибольшей величины. Таким образом, частота изменения амплитуды общего тока равна 2 гц, то есть равна разности f1 и f2 (10 — 8 = 2 гц).

Рассмотренный нами пример относится к низким частотам, но совершенно то же самое произойдет, если f1 и f2 будут измеряться килогерцами или мегагерцами.

Если в общую цепь, где протекает суммарный ток Iобщ, включить детектор, то переменный ток будет преобразован в пульсирующий (рис. 123) и можно будет выделить сигнал с разностной частотой, подобно тому как мы выделяли низкочастотную составляющую продетектированного сигнала.

Напомним, что без детектора или другого нелинейного элемента получить сигнал промежуточной частоты невозможно, точно так же как без детектора из модулированного сигнала невозможно получить низкочастотную составляющую. Объясняется это тем, что сигнал промежуточной частоты, как и низкочастотная составляющая, при детектировании появляется лишь в результате изменения формы сигнала, то есть в результате нелинейных процессов. До того как модулированный сигнал попал на детектор, это был только высокочастотный сигнал, не содержащий никакой низкочастотной составляющей. Да это и понятно. Ведь низкая частота, если бы она даже поступила в антенну передатчика, не образовала бы радиоволн и тем более не прошла бы через контуры приемника. Точно так же без нелинейного элемента в общей цепи двух генераторов протекал суммарный ток, который с помощью фильтров можно только разделить на две составляющие I1 и I2. Выделив эти две составляющие, мы не обнаружили бы в цепи никаких признаков сигнала промежуточной частоты. Этот сигнал может появиться только после включения в цепь нелинейного элемента.

Сигнал промежуточной (разностной) частоты несет на себе следы каждого из «породивших» его двух сигналов: если один из этих двух сигналов будет модулированным, то и сигнал промежуточной частоты окажется промодулированным точно так же (рис. 124).

Рис. 124. В супергетеродине имеется вспомогательный генератор — гетеродин, который вместе с сигналом принимаемой станции создает сигнал ПЧ (промежуточной частоты). В дальнейшем сигнал ПЧ усиливается и детектируется.

Используя преобразование частоты, можно построить приемник по супергетеродинной схеме (см. рис. 124, 134). В таком приемнике сигнал принимаемой станции Uc (раньше это обозначение соответствовало напряжению на сетке) с частотой fс подается на преобразователь частоты, в качестве которого в простейшем случае может быть использован точечный полупроводниковый диод. Одновременно к преобразователю подводится еще один высокочастотный сигнал UГ с частотой IГ. Этот сигнал создается специальным вспомогательным генератором (гетеродином), расположенным в самом приемнике. В результате нелинейных процессов в цепи преобразователя появляется сигнал промежуточной частоты Uпр с частотой fпр, равной разности частот fГ— fс, или, наоборот, fс — fГ (в зависимости оттого, какая из частот больше). Так, например, если мы принимаем станцию с частотой fс = 1300 кгц, а частота гетеродина составляет fГ = 1800 кгц, то мы получим промежуточную частоту fпр = 500 кгц (1800–1300). Такую же промежуточную частоту мы получим если возьмем частоту гетеродина fГ = 800 кгц (1300—800). При этом очень важно еще раз отметить, что если сигнал принимаемой станции (1300 кгц) окажется модулированным, то сигнал промежуточной частоты (500 кгц) будет промодулирован точно так же. Сигнал промежуточной частоты выделяется специальным колебательным контуром LпpCпp и подается на вход усилителя промежуточной частоты (усилитель ПЧ).