Гетеродин — принцип преобразования частоты¶

Гетеродин — это генератор электромагнитных колебаний с устойчивой, точно заданной частотой, применяемый в радиотехнике для преобразования частоты сигнала. В более широком смысле гетеродином называют сам принцип (метод) гетеродинирования — суперпозицию двух колебаний различной частоты с целью получения сигнала на разностной (или суммарной) частоте. Метод является основой работы большинства радиоприёмников, измерительных приборов и систем радиолокации.

¶Физический принцип

При подаче на нелинейный элемент (детектор, смеситель) двух сигналов — с частотами f₁ (сигнал) и f₂ (гетеродин) — в спектре тока на выходе появляются компоненты на частотах суммы и разности: f₁ + f₂ и |f₁ − f₂|. Разностная частота называется первой промежуточной частотой (ПЧ). Если частота гетеродина настраивается, то разностная частота может быть сделана постоянной для всего принимаемого диапазона — это и есть принцип супергетеродинного приёмника, предложенный Эдвином Армстронгом в 1918 году.

Для работы гетеродина необходима нелинейность, поэтому в роли преобразователей частоты выступают ламповые, полупроводниковые (диодные, транзисторные) или кристаллические смесители.

¶Основные параметры

Ключевые характеристики гетеродина:

• Номинальная частота — частота, на которую рассчитан генератор.
• Диапазон перестройки — диапазон изменения частоты (для перестраиваемых гетеродинов).
• Дрейф частоты — медленное самопроизвольное изменение частоты под действием температуры, напряжения питания и старения компонентов. Один из главных параметров, определяющих стабильность приёмника.
• Выходная мощность — должна быть достаточной для уверенного возбуждения смесителя, но не избыточной, чтобы не ухудшать шумовые характеристики.
• Помехоемкость — отношение мощности сигнала гетеродина к мощности паразитных колебаний, проникающих в приёмный тракт.

¶Виды гетеродинов

По типу активного элемента:

• Ламповые — применялись в ранних супергетеродинных приёмниках (1920–1950-е годы).
• Транзисторные —最常见的 тип в бытовой радиоаппаратуре XX века.
• Генераторы на полевых транзисторах — используются в современных маломощных схемах.
• Кварцевые — частота стабилизирована кварцевым резонатором, применяются в узкополосных системах.
• Синтезируемые (синтезаторы частоты) — формируют частоту на основе кварцевого стандарта и фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Современный стандарт для радиостанций и измерительной техники.

По характеру перестройки:

• Настраиваемые — частота изменяется вручную или автоматически (например, в радиоприёмниках).
• Неперестраиваемые (фиксированные) — используются в узкополосных устройствах и системах с несколькими преобразованиями частоты.

¶Применение

¶Радиоприёмники

Основная область применения — супергетеродинный радиоприёмник. Гетеродин здесь формирует сигнал, который смешивается с принятым антенной сигналом; разностная частота затем выделяется полосовым фильтром ПЧ и усиливается. Такая схема обеспечивает высокую избирательность и чувствительность при приёме на любой частоте диапазона.

¶Радиолокация

В радиолокационных станциях гетеродин (локальный генератор) используется в приёмном тракте для гетеродинного преобразования отражённого сигнала. Измерение разностной частоты позволяет определить скорость цели (доплеровский эффект).

¶Измерительная техника

Гетеродинный метод лежит в основе частотомеров, анализаторов спектра и волномеров. При измерении неизвестной частоты она сравнивается с частотой гетеродина; по величине разностной частоты делается вывод об отклонении измеряемой частоты от номинала.

¶Связь и радиовещание

В передатчиках гетеродин используется для генерации несущей или для преобразования частоты модулированного сигнала в полосу передачи.

¶История

Метод гетеродинирования был предложен независимо несколькими исследователями в начале 1910-х годов. Термин «гетеродин» происходит от греч. heteros — «другой» и dynamis — «сила». Наиболее известная практическая реализация — супергетеродинный приёмник, запатентованный Эдвином Армстронгом в 1918 году во время Первой мировой войны для радиопеленгации. В СССР супергетеродинная схема получила широкое распространение в массовых радиоприёмниках «Рекорд», «Минск», «Селга» и других моделях, выпускавшихся с 1930-х годов.

¶Недостатки

Основной недостаток гетеродинного метода — паразитные каналы приёма. При наличии в схеме одного гетеродина на любой частоте диапазона существует набор «зеркальных» частот, на которых приёмник также принимает сигнал. Для борьбы с этим применяют предварительные узкополосные фильтры перед смесителем, а также схемы с двойным преобразователем частоты (два гетеродина).

Второй недостаток — сам гетеродин излучает электромагнитные колебания, которые могут быть приняты другими радиоприёмниками; в военной технике это учитывается при построении режимов радиомолчания.

¶Источники

• Дворкович В. Г. «Радиоприёмные устройства»
• Сиванов М. П., Хрущов С. Е. «Радиоприёмные устройства»
• Фрадков А. Б. «Основы радиотехники»
• Бессонов Л. А. «Теоретические основы электротехники»
• Armstrong E. H. «Some recent developments in the super-heterodyne method», Proceedings of the IRE, 1924