Преобразователь частоты

Изобретение относится к радиотехнике в приемопередающей аппаратуре и измерительной технике для преобразования частот. Технический результат заключается в увеличении развязки между цепями входного сигнала и сигнала гетеродина и обеспечении утроенной частоты сигнала гетеродина. Преобразователь частот (фиг.1) содержит входной контур (1), биполярный транзистор (22), выходной контур (24), полевые транзисторы (6-8), используемые в пассивном режиме управляемого сопротивления, включенные параллельно по переменному току со стороны низкого входного сопротивления преобразователя частоты, затворы которых управляются сигналами синусоидальной формы с частотой гетеродина (5) при взаимном фазовом сдвиге 2π/3, поступающими с выхода фазовращателя (4). 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при преобразовании частот в приемопередающей аппаратуре, измерительной технике.

Из уровня техники известен преобразователь частоты (Авторское свидетельство СССР №1020969, 1983 г.). Данный преобразователь частоты содержит входной колебательный контур, два однотипных полевых транзистора, имеющих объединенные стоки и истоки, нагрузку, дифференциальный трансформатор, источник гетеродинного сигнала. Полевые транзисторы использованы в пассивном режиме и открываются на пиках гетеродинного напряжения, поступающего с дифференциального трансформатора дважды за период гетеродинного напряжения, при этом суммарная проводимость между колебательным контуром и нагрузкой изменяется дважды за период гетеродинного напряжения, в результате чего происходит преобразование частоты входного сигнала на удвоенной частоте гетеродина.

Недостатком данного типа смесителя является низкий коэффициент преобразования, вызванный использованием полевых транзисторов в пассивном режиме, низкая кратность частоты гетеродина и сложность реализации, вызванная необходимостью использования дифференциального трансформатора.

Наиболее близким техническим решением является смеситель частот (Авторское свидетельство СССР №1510067, 1987 г.), который и выбран в качестве прототипа. Он содержит входной колебательный контур, полевые транзисторы, имеющие объединенные истоки и стоки, нагрузку, фазовращатель, источник напряжения смещения. Полевые транзисторы использованы в пассивном режиме, при этом суммарная проводимость сток - исток изменяется. На затворы полевых транзисторов подается открывающее напряжение с выхода фазовращателя, определяющего фазу нахождения в открытом состоянии у всех полевых транзисторов, в результате чего происходит преобразование частоты входного сигнала на частотах, кратных частоте гетеродина, при улучшенной развязке между цепями входного сигнала и гетеродина.

Недостатком данного типа смесителя является низкий коэффициент преобразования, вызванный использованием полевых транзисторов в пассивном режиме, и малая развязка цепей гетеродина и входного сигнала вследствие значительной емкости затвор - исток полевых транзисторов.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей преобразователя частоты, а именно в обеспечении возможности преобразования частоты напряжения входного сигнала на кратных частотах гетеродина при возможности получения коэффициента преобразования, большего единицы, более высокой степени развязки между цепями напряжения входного сигнала и напряжения сигнала гетеродина.

Технический результат достигается за счет того, что в преобразователь частоты, содержащий входной контур, состоящий из второй катушки индуктивности и шестого конденсатора, фазовращатель, источник гетеродинного сигнала, второй, третий и четвертый полевые транзисторы, резистор нагрузки, пятый, шестой и седьмой резисторы, источник смещения, дополнительно введены первый, второй, четвертый, пятый конденсаторы, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый биполярный транзистор, источник питания постоянного тока, выходной колебательный контур, состоящий из первой катушки индуктивности и третьего конденсатора.

При этом первый вывод первого конденсатора, первый вывод первого резистора, первый вывод третьего конденсатора и первый вывод первой катушки индуктивности соединены между собой и подключены к положительному выводу источника питания постоянного тока. Второй вывод первого конденсатора, второй вывод второго резистора, второй вывод шестого конденсатора, второй вывод второй катушки индуктивности, первый вывод фазовращателя, второй вывод третьего резистора, первый вывод четвертого резистора, второй вывод резистора нагрузки соединены между собой и подключены к отрицательному выводу источника питания постоянного тока и положительному выводу источника смещения, соединенных с корпусом. Второй вывод фазовращателя соединен с первым выводом источника гетеродинного сигнала, второй вывод которого соединен с третьим выводом фазовращателя. Второй вывод второго конденсатора, второй вывод первого резистора, первый вывод второго резистора соединены между собой и подключены к базе первого биполярного транзистора, коллектор которого подключен к соединенным между собой второму выводу третьего конденсатора, второму выводу первой катушки индуктивности и первому выводу четвертого конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом резистора нагрузки. Первый вывод шестого конденсатора, первый вывод второго конденсатора, первый вывод второй катушки индуктивности соединены между собой и подключены к входу преобразователя частоты.

Эмиттер первого биполярного транзистора подключен к точке соединения первого вывода третьего резистора и первого вывода пятого конденсатора, второй вывод которого подключен к объединенным стокам второго, третьего и четвертого полевых транзисторов, истоки которых объединены и подключены к второму выводу четвертого резистора. Затвор второго полевого транзистора соединен с четвертым выводом фазовращателя и первым выводом пятого резистора, затвор третьего полевого транзистора соединен с пятым выводом фазовращателя и первым выводом шестого резистора, затвор четвертого полевого транзистора соединен с шестым выводом фазовращателя и первым выводом седьмого резистора, а вторые выводы пятого, шестого и седьмого резисторов соединены между собой и подключены к отрицательному выводу источника смещения.

На Фиг.1 приведена схема электрическая принципиальная преобразователя частоты, содержащая входной контур 1, состоящий из второй катушки индуктивности 2 и шестого конденсатора 3, фазовращатель 4, источник гетеродинного сигнала 5, второй полевой транзистор 6, третий полевой транзистор 7 и четвертый полевой транзистор 8, резистор нагрузки 9, пятый резистор 10, шестой резистор 11 и седьмой резистор 12, источник смещения 13, дополнительно введены первый конденсатор 14, второй конденсатор 15, четвертый конденсатор 16, пятый конденсатор 17, первый резистор 18, второй резистор 19, третий резистор 20 и четвертый резистор 21, первый биполярный транзистор 22, источник питания постоянного тока 23, выходной контур 24, состоящий из первой катушки индуктивности 25 и третьего конденсатора 26.

При этом первый вывод первого конденсатора 14, первый вывод первого резистора 18, первый вывод третьего конденсатора 26 и первый вывод первой катушки индуктивности 25 соединены между собой и подключены к положительному выводу источника питания постоянного тока 23. Второй вывод первого конденсатора 14, второй вывод второго резистора 19, второй вывод шестого конденсатора 3, второй вывод второй катушки индуктивности 2, первый вывод фазовращателя 4, второй вывод третьего резистора 20, второй вывод резистора нагрузки 9, первый вывод четвертого резистора 21 соединены между собой и подключены к отрицательному выводу источника питания постоянного тока 23 и положительному выводу источника смещения 13, соединенных с корпусом. Второй вывод фазовращателя 4 соединен с первым выводом источника гетеродинного сигнала 5, второй вывод которого соединен с третьим выводом фазовращателя 4. Второй вывод второго конденсатора 15, второй вывод первого резистора 18 и первый вывод второго резистора 19 соединены между собой и подключены к базе первого биполярного транзистора 22, коллектор которого подключен к соединенным между собой второму выводу третьего конденсатора 26, второму выводу первой катушки индуктивности 25 и первому выводу четвертого конденсатора 16, второй вывод которого соединен с первым выводом резистора нагрузки 9. Первый вывод шестого конденсатора 3, первый вывод второго конденсатора 15, первый вывод второй катушки индуктивности 2 соединены между собой и подключены к входу преобразователя частоты.

Эмиттер первого биполярного транзистора 22 подключен к точке соединения первого вывода третьего резистора 20 и первого вывода пятого конденсатора 17, второй вывод которого подключен к объединенным стокам второго 6, третьего 7 и четвертого 8 полевых транзисторов, истоки которых объединены и подключены к второму выводу четвертого резистора 21. Затвор второго полевого транзистора 6 соединен с четвертым выводом фазовращателя 4 и первым выводом пятого резистора 10, затвор третьего полевого транзистора 7 соединен с пятым выводом фазовращателя 4 и первым выводом шестого резистора 11, затвор четвертого полевого транзистора 8 соединен с шестым выводом фазовращателя 4 и первым выводом седьмого резистора 12, а вторые выводы пятого 10, шестого 11 и седьмого 12 резисторов соединены между собой и подключены к отрицательному выводу источника смещения 13.

Преобразователь частоты работает следующим образом.

Первый биполярный транзистор 22, первый блокировочный конденсатор 14, второй 15, четвертый 16, пятый 17 разделительные конденсаторы по постоянному току, первый резистор 18, второй резистор 19, третий резистор 20, определяющие режим первого биполярного транзистора 22 по постоянному току, третий конденсатор 26 и первая катушка индуктивности 25, составляющие выходной колебательный контур 24, шестой конденсатор 3 и вторая катушка индуктивности 2, составляющие входной колебательный контур 1, настроенный на частоту входного сигнала, образуют усилительный каскад с расщепленной нагрузкой.

Напряжение входного сигнала поступает на вход усилительного каскада с расщепленной нагрузкой относительно корпуса.

В общем случае, коэффициент передачи усилительного каскада с расщепленной нагрузкой определяется соотношением: К≈R_экв/R_диф,

где R_экв - эквивалентное сопротивление нагрузки на промежуточной частоте, определяемое индуктивностью первой катушки индуктивности 25, емкостью третьего конденсатора 26 и сопротивлением резистора нагрузки 9, подключенным к выходу преобразователя частоты;

R_диф - эквивалентное дифференциальное сопротивление последовательной отрицательной обратной связи по переменному току каскада с расщепленной нагрузкой.

На Фиг.2 представлены временные соотношения:

a) гетеродинного сигнала Uгет,

b) сигналов ф1, ф2, ф3 с выходов фазовращателя 4,

c) сопротивления отрицательной обратной связи Rдиф.

Проводимость второго 6, третьего 7, четвертого 8 полевых транзисторов изменяется с частотой гетеродина и является периодической функцией времени гетеродинного сигнала, поступающего от источника гетеродинного сигнала 5.

Синусоидальное напряжение с выходов фазовращателя 4 имеет взаимный фазовый сдвиг, равный 2π/3. При этом амплитуда этого напряжения будет определять фазу нахождения в открытом состоянии второго 6, третьего 7 и четвертого 8 полевых транзисторов. Для рассматриваемого случая частота сигнала промежуточной частоты будет определяться частотой входного сигнала и количеством выходов фазовращателя 4. При количестве выходов, равном трем, имеет место преобразование на утроенной частоте гетеродина.

При открывании второго 6, третьего 7, четвертого 8 полевых транзисторов четвертый резистор 21 подключается по переменному току параллельно третьему резистору 20 с частотой гетеродина и уменьшает глубину отрицательной обратной связи трижды за период гетеродинного сигнала.

Коэффициент передачи каскада является периодической функцией времени и может быть представлен в виде:

К(t)=K₀+K₁cos(mωгt)+K₂cos(2 mωгt)+...+K_pcos(p mωгt)+...,

где К₀ - модуль коэффициента передачи на частоте входного сигнала,

K₁, K₂, ...K_p - модуль коэффициента передачи на соответствующих гармониках частоты преобразования, кратных mωг,

ωг - круговая частота гетеродина,

m - количество выходов фазовращателя, m=3,

p - коэффициент, определяющий номер гармоники частоты преобразования,

t - текущее время.

При поступлении на вход каскада преобразуемого сигнала с коэффициентом передачи K(t), представленного в виде U_c(t)=U_mc cos(ω_ct),

где U_mc - амплитуда входного сигнала,

ω_c - круговая частота входного сигнала,

на выходе смесителя появятся составляющие с частотами вида:

ω_пч=±pmω_г±kωc,

где р, k - целые положительные числа.

Сигнал промежуточной частоты может быть выделен из спектра выходного сигнала параллельным выходным колебательным контуром 24.

Вследствие подключения коммутируемых с частотой гетеродина второго 6, третьего 7, четвертого 8 полевых транзисторов к каскаду с расщепленной нагрузкой со стороны низкого входного сопротивления влияние паразитной проходной емкости сток - затвор второго 6, третьего 7, четвертого 8 полевых транзисторов на просачивание токов с частотой гетеродина на сигнальный вход и выход преобразователя существенно снижается. Такое построение схемы позволяет обеспечить высокую степень развязки между входом преобразователя и источником гетеродинного сигнала 5, а также между источником гетеродинного сигнала 5 и выходом преобразователя частоты.

Преобразователь частоты, содержащий входной контур, состоящий из второй катушки индуктивности и шестого конденсатора, фазовращатель, источник гетеродинного сигнала, второй, третий и четвертый полевые транзисторы, резистор нагрузки, пятый, шестой и седьмой резисторы, источник смещения, отличающийся тем, что в него вновь введены первый конденсатор, второй конденсатор, четвертый конденсатор, пятый конденсатор, первый резистор, второй резистор, третий резистор, четвертый резистор, первый биполярный транзистор, источник питания постоянного тока, выходной контур, состоящий из первой катушки индуктивности и третьего конденсатора, при этом первый вывод первого конденсатора, первый вывод первого резистора, первый вывод третьего конденсатора и первый вывод первой катушки индуктивности соединены между собой и подключены к положительному выводу источника питания постоянного тока, второй вывод первого конденсатора, второй вывод шестого конденсатора, второй вывод второй катушки индуктивности, второй вывод второго резистора, второй вывод третьего резистора, первый вывод четвертого резистора, первый вывод фазовращателя, второй вывод резистора нагрузки соединены между собой и подключены к отрицательному выводу источника питания постоянного тока и положительному выводу источника смещения, соединенных с корпусом, второй вывод фазовращателя соединен с первым выводом источника гетеродинного сигнала, а третий вывод фазовращателя соединен со вторым выводом источника гетеродинного сигнала, второй вывод второго конденсатора подключен к второму выводу первого резистора, первому выводу второго резистора и базе первого биполярного транзистора, коллектор которого подключен к второму выводу третьего конденсатора, второму выводу первой катушки индуктивности и первому выводу четвертого конденсатора, второй вывод которого является выходом преобразователя частоты, первый вывод шестого конденсатора, первый вывод второго конденсатора, первый вывод второй катушки индуктивности соединены между собой и подключены к входу преобразователя частоты, второй вывод четвертого конденсатора подключен к первому выводу резистора нагрузки, эмиттер первого биполярного транзистора подключен к точке соединения первого вывода третьего резистора и первого вывода пятого конденсатора, второй вывод которого подключен к объединенным стокам второго, третьего и четвертого полевых транзисторов, истоки которых объединены и подключены к второму выводу четвертого резистора, затвор второго полевого транзистора соединен с четвертым выводом фазовращателя и первым выводом пятого резистора, затвор третьего полевого транзистора соединен с пятым выводом фазовращателя и первым выводом шестого резистора, затвор четвертого полевого транзистора соединен с шестым выводом фазовращателя и первым выводом седьмого резистора, а вторые выводы пятого, шестого и седьмого резисторов соединены между собой и подключены к отрицательному выводу источника смещения.