Принцип работы. Основные технические параметры. Преобразователь частоты передатчика предназначен для преобразования сигнала промежуточной частоты в сигнал СВЧ. На смеситель UZ схемы (рисунок 5.3) подают: на вход 1 – напряжение сигнала u_c, представляющего собой ЧМ колебания промежуточной частоты, т.е. f_c = f_пр, с мощностью Р_с; на вход 2 – немодулированные СВЧ колебания от гетеродина G с напряжением u_r и мощностью P_r. Эти колебания одновременно поступают на нелинейный элемент смесителя, например полупроводниковый диод, для которого зависимость между входным напряжением u_вх и выходным током i_д можно записать в виде:

, (5.4)
u_вх = u_c + u_r ; (5.5)

а_m – постоянные коэффициенты, определяемые по вольт-амперной характеристике диода.

Выходной ток смесителя будет содержать колебания с частотами гармоник сигнала и гетеродина и со всевозможными комбинациями этих частот. Частота и мощность колебаний на выходе смесителя обозначены fS и Р₃. Значения частот fS определяем того, что сигнал на промежуточной частоте имеет спектр шириной П_мч, а уровень выходного сигнала смесителя падает с ростом m и n (рисунок 5.4). Выходной ФДП Z выделяет одну из боковых полос: верхнюю или нижнюю, в зависимости от расстановки частот на РРС. Выделенную полосу частот называют рабочей. Неиспользуемую полосу – второй боковой полосой.

Рисунок 5.3. Функциональная схема Рисунок 5.4–Панорама преобразователя частоты частот

В качестве нелинейных элементов в смесителях применяют полупроводниковые диоды двух типов: диоды с переменным сопротивлением (мощные смесительные диоды) и варикапы, работающие в режиме нелинейной емкости. Такие варикапы называются варакторами.

Для преобразователя частоты передатчика принято указывать следующие параметры: коэффициент преобразования К_пр или потери преобразования а_пр, коэффициент использования мощности гетеродина К_г (или КПД в цепи гетеродина) и общий КПД преобразования h . Их определяют так:

(5.6)

где Р_вых – мощность сигнала на выходе преобразователя частоты.

Если преобразователи частоты работают при сигналах ПЧ, имеющих мощность много меньшую, чем колебания ГТ, то для них значения К_г и h совпадают. Однако при расчетах режимов работы мощных преобразователей частоты важно их различать.

Эффективность работы преобразователя тем выше, чем меньше потери преобразования и выше КПД. Кроме того, преобразователь частоты должен иметь в пределах рабочей полосы частот равномерный коэффициент преобразования и равномерную характеристику ГВЗ, как и любое другое устройство ВЧ тракта. От преобразователя частоты передатчика обычно требуют довольно высокую выходную мощность: от десятков милливатт до ватта и более. Большие значения Р_вых нужны в передатчиках, выполненных полностью на транзисторах и не имеющих УМ. В них обеспечивают высокий КПД в цепи гетеродина К_г. Для этого используют специальные мощные смесительные диоды с малыми потерями преобразования и варакторы, выдерживающие большие подводимые мощности. Для мощных преобразователей частоты обычно указывают наибольшие допустимые значения подводимых ПЧ и СВЧ колебаний, выходную мощность и потери преобразования.

Смесители передатчика строят по однотактной и двухтактной схемам. В двухтактной схеме к смесителю можно подвести примерно вдвое большую мощность, чем в однотактной, так как в первой суммируются мощности, рассеиваемые двумя диодами.

Прежде чем приступить к рассмотрению схем преобразователей частоты отметим следующие их особенности. Во-первых, в преобразователе частоты на диод приходится подавать колебания СВЧ от ГТ и снимать с этого же диода выходной сигнал СВЧ. Для разделения этих СВЧ колебаний обычно используют специальные СВЧ устройства: направленные ответвители, мостовые устройства, ферритовые циркуляторы и др. Во-вторых, к диоду приходится подводить одновременно колебания СВЧ, которые в аппаратуре РРЛ обычно передают по волноводам, и сигнал ПЧ, который передают по коаксиальному кабелю. Для этого часто используют волноводно-коаксиальный переход, в котором установлена смесительная головка. Наконец, ФБП пропускает только сигналы в рабочей полосе частот, а остальные продукты преобразования от него отражаются. Для того чтобы они не попадали снова в смеситель или ГТ и не нарушали режима работы, что проявляется, например, как ухудшение характеристики ГВЗ, в схеме преобразователя частоты устанавливают устройства для их поглощения: фильтры и ферритовые вентили. В некоторых схемах мощных смесителей на варакторах такие продукты преобразования используют для получения выходного сигнала. Это позволяет повысить КПД и выходную мощность преобразователя частоты.

Названные СВЧ устройства: направленные ответвители, мостовые устройства, ферритовые вентили и циркуляторы (ФВ и ФЦ), фильтры и другие в АРРС второго поколения выполнены на отрезках полых волноводов. Эти системы сейчас находятся в эксплуатации. В ЦРРС, в АРРС третьего поколения, в аппаратуре спутниковой связи эти устройства, как правило, выполняют на полосовых и микрополосковых линиях или волноводах с диэлектрическим заполнением. Обладая такими же направленными свойствами, что и устройства на полых волноводах, они имеют значительно меньшие габариты. Это позволяет устанавливать их в аппаратуре, выполненной на микросхемах, гибридных интегральных схемах и т.п.

Рисунок 5.5. К пояснению работы квадратурного мостового устройства в режиме передачи из плеча I (а), плеча II (б), плеча III (в), плеча IV (г) и в режиме отражения при подаче сигнала в плечо I (д).

Двухтактный преобразователь на мощных смесительных диодах. В этой схеме для разделения СВЧ сигнала и колебаний гетеродина используют мостовые устройства.

Мостовое устройство (рисунок 5.5) имеет четыре плеча, которыми его соединяют с другими устройствами схемы. Каждое из плеч I – IV связано с двумя другими и развязано с третьим, так что плечи I и II, а также III и IV развязаны между собой. Сигнал, поданный в плечо I, поступит в плечи III и IV и не попадет в плечо II. На рисунке 5.5а сигналы обозначены S₁ и S₂, фазы этих сигналов в плечах III и IV - j ₁ и j ₂. Сигналы попадают в разные плечи, из фазы различаются на величину D j = j ₂ - j ₁, а мощности одинаковы. Мостовые устройства, в которых получают D j =p / 2 , называют квадратурными, существуют также противофазные (D j = p ) и синфазные (D j =2p ) мостовые устройства.

При подаче сигнала с фазой j ₁₀ в любое из плеч квадратурного мостового устройства, фазы в двух других плечах определяются по рисунку 5.5,а-г при условии j ₂ - j ₁=p / 2 .

Если в плечах III и IV происходит полное отражение сигнала, то отраженные волны Q₁ и Q₂ (рисунок 5.5д) поступают в плечо II с фазами j *₂ и j *₁. Теперь запаздывает волна Q₁, так что если принять j *₂= j ₂, то j *₁= j ₂+p / 2 , j *₂ - j *₁=j ₂ –(j ₁+p / 2 )=j ₁+p / 2 –(j ₁+p / 2 )=0. Фазы отраженных волн в плечах III и IV совпадают.

Квадратурное мостовое устройство, реализованное на полых волноводах, называют щелевым мостом (ЩМ). Он представляет собой два прямоугольных волновода, имеющих общую стенку с отверстием для связи.

Рисунок 5.6. Структурная схема двухтактного преобразователя на мощных смесительных диодах.

В составе преобразователя частоты (рисунок 5.6) сдвоенная смесительная головка UZ на мощных диодах VD1 и VD2, фильтры гармоник Z1 и Z2, щелевой мост WE, ферритовые вентили WS1 и WS2, ФБП Z3. Колебания гетеродина через ФУП Z4 и WS2 попадают в плечо I щелевого моста, а оттуда они поступают в плечи III и IV и к диодам VD2 и VD1. На диоды подают также напряжение сигнала ПЧ диоды открыты и поглощают энергию гетеродина. Во время действия отрицательной полуволны напряжения сигнала VD1 и VD2 закрыты, при этом колебания СВЧ, отразившись от смесительной головки, возвращаются к щелевому мосту и поступают в плечо II. Напряжение сигнала ПЧ выбирают таким большим, что изменение коэффициента отражения К_отр от диодов практически происходит по закону, показанному на рисунке 5.7. Диоды VD1 и VD2 подбирают с идентичными вольт-амперными характеристиками. Сигнал в плече II представляет собой АМ колебания частоты гетеродина (u_II). На выходе ФБП выделяют колебания u_вых с частотой передатчика, например f₂=f₀₁ – f_пр. Энергию колебания второй боковой полосы частот, отраженную от ФБП, поглощает WS1.

Ферритовые вентили обладают свойством пропускать прямую волну (вносимое ослабление примерно 0,1…0,3 дБ) и сильно ослаблять (на 20 дБ и более) волну, распространяющуюся в обратном направлении. В схеме рисунок 5.6 WS1 должен вносить максимальное затухание для отраженной волны на частотах второй боковой полосы. При неидентичности вольт-амперных характеристик диодов VD1 и VD2 часть мощности сигнала ПЧ будет направлена в плечо I. Ее поглощает WS2. Для подавления Колебаний, возникающих на гармониках частоты гетеродина, служат ФГ.

Преобразователи частоты на варакторах. В преобразователях частоты на варакторах для разделения СВЧ сигналов обычно используют ферритовые Y-циркуляторы. В таком циркуляторе три линии (волноводных либо микрополосковых, либо других) соединены под углом 120° . В центре сочленения установлен ферритовый элемент. Энергия в циркуляторе распространяется только в одном направлении, которое в схеме указано стрелкой (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8. Ферритовый Y – циркулятор:
а – изображение на схемах; б – пути прохождения сигналов; в – работа в режиме вентиля.

Циркулятор обладает тем свойством, что волна, подаваемая в любое плечо, поступает только в соседнее плечо, но не идет в третье плечо. На рисунке 5.8б тонкими линиями указаны возможные пути волн. Циркулятор используют и как вентиль. В этом случае к одному из плеч подключают балластную нагрузку R, как показано на рисунке 5.8в. Волна, подаваемая в плечо 2, попадает в плечо 3, а отраженная часть энергии этой волны (показана штриховыми линиями) возвращается в плечо 1 и поглощается.

К варактору VD1 (рисунок 5.9) приложены напряжение гетеродина, поступающее через ФУП Z4, WS, WE и ФГ Z2, а также напряжение смещения и ЧМ сигнала ПЧ, поступающие от МУПЧ А1. Под их воздействием емкость варактора меняется нелинейно. Поэтому ток в нагрузке смесительной головки UZ также нелинеен. Сигнал в рабочей полосе частот выделяет ФБП Z3. Для разделения СВЧ колебаний гетеродина и выходного сигнала служит ФЦ WE, другой ФЦ используется как вентиль WS.

Рисунок 5.9. Структурная схема однотактного преобразователя на варакторах.

Колебания второй боковой полосы, отражаясь от Z3, возвращаются в плечо 2 WE, затем попадают в WS и в поглощающую нагрузку R. Колебания на гармониках гетеродина поглощает ФГ Z2. Смесительная головка кроме варактора содержит ФНЧ Z1, который препятствует прохождению СВЧ колебаний в тракт ПЧ. Эта схема получила название однотактной циркуляторной. В ней используют варакторы средней мощности с помощью рассеяния около 1 Вт.

Рисунок 5.10. Двухтактная циркуляторная схема преобразователя частоты.

В двухтактной циркуляторной схеме (рисунок 5.10) смесительная головка UZ содержит варакторы VD1 и VD2. На них от МУПЧ А1 поступают напряжение смещения и сигнал ПЧ. Конструкция смесительной головки обеспечивает подачу колебаний гетеродина на VD1 и VD2 в противофазе. Эти колебания поступают через ФУП Z2 и WE. При идентичности диодов колебания на четных гармониках частоты гетеродина на выходе UZ не возникают. Фильтр боковой полосы Z1 отражает колебания второй боковой полосы к WS, в нагрузке которого они поглощаются. Мощность, рассеиваемая варакторами, удваивается по сравнению со схемой рисунка 5.9. Это позволяет, увеличив мощности гетеродина и сигнала ПЧ, получить бóльшую выходную мощность. Значения U_c, Р_г и Р_вых на рисунке относятся к ПрЧ передатчика КУРС-4, не имеющего УМ. Развязка СВЧ колебаний гетеродина и выходного СВЧ сигнала достигнута с помощью WE и WS.