Супергетеродинный радиоприёмник

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 радиоприемником прямого усиления в том, что наиболее критичные для качества приема части приемного тракта (узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не должны перестраиваться под разные частоты, 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.

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 приемниках 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 за счёт дополнительного усиления на промежуточной частоте, не приводящего к паразитной генерации: положительная обратная связь не возникает из-за того, что в каскадах ВЧ и ПЧ усиливаются разные частоты;
• 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. Они позволяют получить сколь угодно узкую полосу пропускания с очень большим подавлением сигналов за ее 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 приемник 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 также 83 − 76,5 = 6,5 МГц не будет подавлен 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 еще и перестраивать по частоте. Во-вторых, промежуточную частоту выбирают достаточно высокой по сравнению с частотой приема. В этом случае зеркальный канал приема оказывается относительно далеко по частоте от основного, и входной фильтр приемника может более эффективно его подавить. Иногда ПЧ даже делают намного выше частот приёма (так называемое «преобразование вверх»), и при этом ради упрощения приемника вообще отказываются от входного полосового фильтра, заменяя его неперестраиваемым фильтром низких частот. В высококачественных приемниках часто применяют метод двойного (иногда и тройного) преобразования частоты, причем, 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 приемника по соседнему каналу. Подобные приёмники, несмотря на достаточно высокую сложность построения и наладки, широко применяются в профессиональной и любительской радиосвязи (см. Р-250 (радиоприёмник), Трансивер UW3DI).

Кроме того, в супергетеродине возможен паразитный прием станций, работающих на промежуточной частоте. Его предотвращают экранированием отдельных узлов и приемника в целом.

В целом супергетеродин требует гораздо большей тщательности в проектировании и наладке, чем приемник прямого усиления. Приходится применять довольно сложные меры, чтобы обеспечить стабильность частоты гетеродинов, так как от нее сильно зависит качество приема. Сигнал гетеродина не должен просачиваться в антенну, чтобы приемник сам не становился источником помех. Если в приемнике 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 приемника. С этим явлением борются, рационально выбирая частоты гетеродинов и тщательно экранируя узлы приемника друг от друга.

История

Использовать в приемнике вспомогательный генератор колебаний впервые предложил американец Феденссен в 1901 г. Он же создал термин «гетеродин». В приемнике Феденссена 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 приемник прямого преобразования). Гетеродинные приемники быстро усовершенствовались с изобретением в 1913 г. лампового генератора высокой частоты (до этого применялись электромашинные генераторы).

В 1917 г. французский инженер Л. Леви запатентовал принцип супергетеродинного приема. В его приемнике частота сигнала пребразовывалась 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 еще и тем, что тогдашние лампы не обеспечивали нужного усиления на частотах выше нескольких сот килогерц. Сдвинув спектр сигнала в область более низких частот, можно было повысить чувствительность приемника. 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. Прием сопровождался интерференционными свистами, проникающий в антенну сигнал гетеродина создавал помехи другим приемникам. Дальнейшее совершенствование ламп позволило сильно упростить и удешевить приемник: 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 трех-четырех лампах, не считая выпрямителя^[2][3]. Благодаря этому и другим усовершенствованиям с 1930-х годов супергетеродинная схема стала доминирующей для связных и радиовещательных приемников. Кроме того, в 1930 г. истек срок патента на принцип супергетеродинного приема.

В России и СССР первым серийным супергетеродином был, по одним источникам, приемник танковой радиостанции 71-ТК разработки 1932 г.^[4] (завод № 203 в Москве), по другим — радиоприемник «Дозор», разработанный в конце 20-х годов в «Остехбюро» и переданный в серийное производство на завод им. Козицкого в Ленинграде.^[5] Первый бытовой супергетеродин выпущен не позже 1931 г. (СГ-6, также завод им. Козицкого),^[6] а первым, выпускавшимся в больших количествах, стал СВД 1936 года. Примерно с конца 1950-х гг. бытовые радиовещательные и телевизионные приемники в СССР строились исключительно по супергетеродинной схеме (кроме некоторых сувенирных приемников и радиоконструкторов.)

См. также

• Радиоприёмник прямого усиления
• Рефлексный радиоприёмник
• Радиоприёмник прямого преобразования
• Регенеративный радиоприёмник
• Электронный усилитель
• Гетеродинирование
• Гептод

Примечания

1. ↑ National NC-300
2. ↑ Лаборатория РФ. Супер на новых лампах.//«Радиофронт», 1936, № 1, с. 27
3. ↑ Куксенко П. Н. Трехламповые суперы.//«Радиофронт», 1936, № 1, с. 59
4. ↑ Радиомузей РКК. Архивные и справочные материалы
5. ↑ ВНИИРТ. Страницы истории. — М.:«Оружие и технологии», 2006
6. ↑ Нелепец В. С. СГ-6, фабричный супергетеродин.//«Радиофронт», 1931, № 11-12, с. 651—654

Литература

• Бобров Н. В. Радиоприемные 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

• http://www.rfdesign.ru/components/mixers/mix-fet.htm Смесители и преобразователи сигналов для устройств подвижной связи. Смесители на полевых транзисторах
• http://digteh.ru/WLL/PrmSupGeter.php Супергетеродинный приемник (теория)