Супергетеродинный приёмник

Супергетеродинный приёмник — это тип радиоприёмного устройства, в котором принимаемый сигнал преобразуется в сигнал промежуточной частоты (ПЧ) с помощью смесителя и гетеродина, с последующим усилением и детектированием. Основной принцип работы супергетеродина заключается в переносе спектра принимаемого сигнала на фиксированную, более низкую частоту, что позволяет эффективно фильтровать и усиливать сигнал, обеспечивая высокую избирательность и чувствительность. Данный тип приёмника является доминирующим в современной радиотехнике, от бытовых радиоприёмников до профессиональных систем связи и радиолокации.

История

Предпосылки создания

До появления супергетеродина основными типами радиоприёмников были детекторные (на основе кристаллического детектора) и регенеративные (с положительной обратной связью). Детекторные приёмники обладали крайне низкой чувствительностью и избирательностью, а регенеративные — склонностью к самовозбуждению и нестабильности, особенно при работе на коротких волнах. С развитием радиовещания в начале XX века возникла потребность в приёмнике, способном одновременно принимать сигналы от разных станций с высокой чёткостью.

Изобретение

Принцип супергетеродинного приёма был впервые предложен и запатентован американским инженером Эдвином Говардом Армстронгом в 1918 году. Армстронг, работая над улучшением характеристик радиоприёмников для военных нужд (в частности, для приёма сигналов на коротких волнах), предложил использовать преобразование частоты с помощью гетеродина и смесителя. Первый патент (US 1,342,885) был подан в 1918 году и выдан в 1920 году. Армстронг назвал своё устройство «супергетеродином» (от лат. super — сверх, hetero — другой, dyn — сила), подчёркивая, что преобразование частоты происходит с помощью внешнего генератора (гетеродина), в отличие от более ранних гомодинных схем.

Раннее внедрение

Первые супергетеродинные приёмники были сложными и дорогими, требовали нескольких радиоламп и точной настройки. В 1920-е годы они использовались в основном в профессиональной связи (военной, морской). Массовое внедрение в бытовую технику началось в 1930-х годах с появлением дешёвых многосеточных ламп (пентодов, гептодов), которые позволили объединить функции смесителя и гетеродина в одном баллоне. К 1940-м годам супергетеродин вытеснил регенеративные и прямого усиления приёмники в радиовещании.

Принцип работы

Основная идея супергетеродина — преобразование принимаемого высокочастотного сигнала (с частотой \( f_c \)) в сигнал фиксированной промежуточной частоты (\( f_{пч} \)). Это достигается за счёт смешивания сигнала с колебанием гетеродина — перестраиваемого генератора, частота которого (\( f_g \)) отличается от частоты сигнала на величину \( f_{пч} \).

Структурная схема

Типовой супергетеродинный приёмник состоит из следующих каскадов:

Входная цепь (преселектор) — фильтр, подавляющий зеркальный канал и внеполосные помехи. Обычно представляет собой перестраиваемый контур.
Усилитель радиочастоты (УРЧ) — необязательный каскад, усиливающий слабый сигнал до уровня, достаточного для работы смесителя. Улучшает чувствительность и подавление шумов.
Смеситель — нелинейный элемент (транзистор, диод, лампа), на который подаются сигнал с УРЧ (или напрямую с антенны) и сигнал гетеродина. На выходе смесителя образуются колебания комбинационных частот: \( f_g \pm f_c \), \( 2f_g \pm f_c \) и т.д.
Гетеродин — перестраиваемый генератор, частота которого изменяется синхронно с настройкой преселектора. Обычно частота гетеродина выбирается выше частоты сигнала (\( f_g = f_c + f_{пч} \)).
Фильтр промежуточной частоты (ФПЧ) — узкополосный фильтр (чаще всего кварцевый, пьезокерамический или LC-фильтр), настроенный на \( f_{пч} \). Он выделяет разностную частоту \( f_g - f_c \) (или \( f_c - f_g \)) и подавляет все остальные продукты смешения.
Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) — многокаскадный усилитель, настроенный на \( f_{пч} \). Обеспечивает основное усиление приёмника (до 60–100 дБ).
Детектор — восстанавливает модулирующий сигнал (звуковой, видеосигнал). Для амплитудной модуляции (АМ) используется диодный детектор, для частотной (ЧМ) — частотный дискриминатор.
Усилитель низкой частоты (УНЧ) — усиливает продетектированный сигнал до уровня, достаточного для работы динамика или другого оконечного устройства.

Выбор промежуточной частоты

Значение ПЧ выбирается исходя из компромисса между избирательностью, подавлением зеркального канала и устойчивостью к самовозбуждению. Типичные значения:

Для АМ-вещания (диапазон ДВ, СВ, КВ): 465 кГц (в СССР и России), 455 кГц (в США и Европе).
Для ЧМ-вещания (диапазон УКВ): 10,7 МГц.
Для телевизионного сигнала: 38,0 МГц (для видеосигнала) и 31,5 МГц (для звукового сопровождения) в системах PAL/SECAM.
Для спутниковой связи и радиолокации: 70 МГц, 140 МГц, 1,2 ГГц и выше.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая избирательность: Фильтр ПЧ, работающий на фиксированной частоте, может быть выполнен с очень крутыми скатами (например, на кварцевых резонаторах или ПАВ-фильтрах), что позволяет эффективно подавлять соседние каналы.
Высокая чувствительность: Усиление сигнала происходит на относительно низкой частоте, где легко получить высокое усиление без самовозбуждения.
Стабильность: Усилитель ПЧ не требует перестройки, что упрощает конструкцию и повышает надёжность.
Универсальность: Один и тот же тракт ПЧ может обрабатывать сигналы из разных диапазонов (например, ДВ, СВ, КВ), просто меняя частоту гетеродина и преселектор.

Недостатки

Зеркальный канал: Приёмник может принимать сигнал на частоте \( f_c + 2f_{пч} \) (если \( f_g = f_c + f_{пч} \)), так как разностная частота с этим сигналом также будет равна \( f_{пч} \). Для подавления зеркального канала требуется качественный преселектор.
Побочные каналы приёма: Кроме зеркального, существуют и другие комбинационные частоты (например, \( 2f_c - f_g \)), которые могут создавать помехи.
Сложность: Наличие гетеродина и смесителя усложняет схему по сравнению с приёмником прямого усиления.
Излучение гетеродина: Гетеродин может излучать сигнал в антенну, создавая помехи другим приёмникам (требуется экранировка).

Классификация

Супергетеродинные приёмники классифицируются по различным признакам:

По диапазону частот

Длинноволновые (ДВ): 150–408 кГц.
Средневолновые (СВ): 525–1605 кГц.
Коротковолновые (КВ): 1,6–30 МГц.
Ультракоротковолновые (УКВ): 30–300 МГц (включая FM-диапазон 88–108 МГц).
Микроволновые: выше 300 МГц (радиолокация, спутниковая связь).

По типу модуляции

Амплитудной модуляции (АМ): Для приёма АМ-сигналов (вещание, радиосвязь).
Частотной модуляции (ЧМ): Для приёма ЧМ-сигналов (FM-радио, звуковое сопровождение ТВ).
Фазовой модуляции (ФМ): Для цифровых систем связи.
Импульсной модуляции: Для радиолокации.

По числу преобразований

Однократное преобразование: Классическая схема с одним смесителем.
Двойное (многократное) преобразование: Используется в профессиональных и связных приёмниках для улучшения подавления зеркального канала. Первая ПЧ выбирается высокой (например, 10,7 МГц), вторая — низкой (например, 455 кГц).

Применение

Супергетеродинные приёмники являются основой для:

Бытовые радиоприёмники: Все современные радиоприёмники (включая автомобильные, портативные, Hi-Fi-тюнеры) построены по супергетеродинной схеме.
Телевизионные приёмники: В телевизорах используется двойное преобразование частоты (для видеосигнала и звука).
Связные приёмники: Профессиональные радиостанции (УКВ-диапазон, КВ-связь), системы транкинговой связи.
Радиолокационные станции (РЛС): Для обработки отражённых сигналов.
Спутниковая связь: Приём сигналов со спутников (например, в спутниковом телевидении).
Измерительная техника: Спектроанализаторы, измерительные приёмники.

Современные тенденции

С развитием цифровой обработки сигналов (DSP) появились цифровые супергетеродинные приёмники (SDR — Software-Defined Radio). В них аналоговый сигнал после преобразования на ПЧ оцифровывается, а дальнейшая фильтрация, демодуляция и декодирование выполняются программно. Это позволяет реализовать функции, недоступные аналоговым схемам (например, одновременный приём нескольких каналов, адаптивную фильтрацию). Однако базовый принцип супергетеродина (преобразование частоты) остаётся неизменным.

Источники

Армстронг, Э. Г. (1920). Patent US 1,342,885: Method of receiving high frequency oscillations. United States Patent Office.
Радиоприёмные устройства: Учебник для вузов / Под ред. В. И. Сифорова. — М.: Советское радио, 1974.
Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 2003. — Т. 1.
Справочник по радиоприёмным устройствам / Под ред. А. П. Жуковского. — М.: Энергия, 1978.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →