Глава 6. Что такое “супергетеродин” ?
“Спец”: Первый супергетеродинный приемник капитан корпуса связи армии США Эдвин Говард Армстронг, служивший в то время во Франции, (а это было время Первой Мировой войны) собрал на территории Европы. Он подал заявку на патент в США из Парижа 30 декабря 1918 года, а получил патент 3 июля 1920 г. Супергетеродин — это величайшее достижение не только Армстронга, но всей электронной техники вообще!
“А”: Что, неужели за 80 лет не появилось никакой более удачной идеи?
“С”: Представь себе — нет! Хотя вариаций на тему супергетеродинного принципа имеется великое множество! Первоначально Армстронг разработал супергетеродин с целью изыскать способ усиления сигнала на тех частотах, которые были недоступны для электронных ламп того времени. Именно с появлением супергетеродинной схемы, радиотехника стала бурно развиваться!
“Н”: Уважаемый Спец! Но что же представлял из себя супергетеродин Армстронга? И в чем заключается его феноменальный секрет?
“С”: Вот структурная схема супергетеродина (рис. 6.1). 
Принцип супергетеродинного приема состоит в том, что принятые колебания преобразуются по частоте в некоторую ПРОМЕЖУТОЧНУЮ частоту. Вот на ней и происходит основное усиление сигнала! А поскольку, промежуточная частота — фиксирована, в УПЧ можно задействовать значительное число контуров, обеспечивающих необходимую избирательность!
“Н”: Но ведь ранее мы знакомились с замечательными свойствами колебательного контура! Разве с его помощью нельзя добиться необходимой избирательности? Зачем для этого нужна целая система контуров?
“С”: Дорогой Аматор! Что слышу я из уст нашего друга? Вы разве не касались вопроса АЧХ связанных контуров? Или того, какова может быть предельная избирательность?
“Н”: Это я виноват! Слишком торопил Аматора согласиться на мое участие в вашей с ним беседе!...
“С”: Не беда! Однако, поскольку супергетеродин — это очень серьезно и никаких “галопом по европам” здесь не будет, я попрошу нашего уважаемого Аматора прямо сейчас продолжить тему о колебательных контурах и избирательности !
“А”: С удовольствием! Для чего предлагаю вернуться еще раз к АЧХ колебательного контура. Но сейчас в наши рассуждения мы добавим немного конкретики (см. рис. 6.2). Так все СЕМЬ представленных частот f1. — f1, а также f 0 разделены частотным промежутком, или интервалом, равным 10 кГц. Представим, что резонансная частота, на которую настроен входной контур, совпадает с f 0. И, кроме того, что прием ведется в диапазоне КВ. Для удобства рассуждений принимаем f0 = 10 МГц! То есть длина волны составляет 30 метров!
Кроме того принимаем, что добротность контура Q = 100.
“С”: Должен заметить, что это весьма неплохой контур!
“А”: Согласен! Теперь подсчитаем, чему равна полоса пропускания нашего контура и увековечим ее очертания на представленном выше рисунке.
Q = f0 / D f D f =f0 /Q =107 /10 2 = 105 Гц!
То есть полоса нашего контура равна 100 кГц! И это по уровню 0,707!...
“Н”: Как же так!? Ведь из этого следует, что наш контур не обладает, практически, НИКАКОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ!
“А”: Совершенно верно, Незнайкин! Приведенный пример ясно показывает, что даже на частоте 10 МГц, контур уже не обладает ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ ПО СОСЕДНЕМУ КАНАЛУ! (Это узаконенный технический термин, который показывает — во сколько раз ослабляется селекторной цепью сигнал частоты, отстоящей от f 0 на 10 кГц, если входные величины их сигналов — равны!)
“Н”: Но может стоит просто взять Q = 1000?
“А”: Ты воображаешь, что это так просто сделать? В какой-то степени дело можно улучшить, если резко увеличить размеры катушки. Намотать ее толстым проводом, лучше посеребреным, на очень качественном диэлектрическом каркасе. Но и в этом случае, для реального контура получить Q больше 250 вряд ли удастся! А поскольку, как ты еще убедишься дальше, катушек таких в серьезном приемнике достаточно много, то габариты его могут стать вовсе неприемлемыми!
“С”: А кроме всего прочего, даже это не спасает положения! При Q = 250, полоса пропускания находится на уровне 40 кГц!
“А”: Легко видеть, что в полосе приема этого контура (Q = 250) будет прослушиваться ПЯТЬ каналов одновременно!
“Н”: Но ведь подобный преселектор — это ВСЕ, чем располагает “прямичок” для отстройки от мешающих станций!
“А”: Не совсем так... Мы ведь еще не рассматривали системы СВЯЗАННЫХ КОНТУРОВ. Их еще называют ПОЛОСОВЫМИ ФИЛЬТРАМИ. Простейшие полосовые фильтры состоят из двух связанных между собой высокодобротных контуров, настроенных на несущую частоту. Изменяя связь между ними, можно значительно улучшить форму АЧХ, приблизив ее к идеальной, прямоугольной.
“Н”: Как можно представить себе полосовые фильтры?
“А”: Да вот хотя бы так, как показано на рис. 6.3. Хотя возможны и другие конфигурации. Полосовые фильтры не дают заметного повышения добротности, но зато делают более крутыми боковые склоны АЧХ. 
“Срез” АЧХ полосового фильтра по уровню 0,707 в отличие от одиночного контура, очень незначительно превосходит по ширине свое “основание”!
“Н”: Но полностью задачу это ведь все равно не решает?
“А”: Ну конечно нет! Вот почему и возник вопрос о том, нельзя ли для повышения избирательности по соседнему каналу, каким-либо способом понизить несущую частоту сигнала в приемнике, сохранив ее, однако, в передатчике! Оказалось, именно это блестяще и подтвердил Армстронг, что подобное вполне реально!
“Н”: А с помощью какой лампы Алладина это удалось сделать?
“А”: С помощью так называемого СМЕСИТЕЛЯ, осуществляющего процесс преобразования частоты!
“С”: Вообще в различной радиоаппаратуре особую роль играют, так называемые, НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ. Это и детектирование, и модуляция, и даже некоторые случаи усиления сигнала. Основным признаком всякого нелинейного процесса является, Аматор...
“А”: ...Изменение формы электрического сигнала, в результате чего в его спектре появляются НОВЫЕ ЧАСТОТНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ! Однако нелинейный процесс осуществляется только в том случае, если в состав цепи вводится простой или сложный, но обязательно НЕЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ! Вот именно к числу таких, нелинейных процессов, относится и ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ, лежащее в основе СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО метода приема.
“С”: Так вот, если к такому нелинейному элементу одновременно подвести два сигнала с различными частотами fj и f 2 то в цепи этого элемента появятся самые различные комбинации этих сигналов!... Вузовские курсы по радиотехнике перечисляют несколько комбинаций, которые при этом получаются! Но нас интересуют только две... Так Аматор?
“А”: Мне очень неловко в этом признаться, но я всегда считал, что только! одна!.. А именно fj — f 2 При том, что частота гетеродина f гет = f1 а f2 — частота несущей канала, в котором осуществляется прием... То есть fгет — fсигн .
“С”: Ты совершенно прав, но не следует забывать и о такой комбинации, как
fсигн — fгетер.
“А”: Ну конечно! Это ведь так важно для понимания термина ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ ПО ЗЕРКАЛЬНОМУ КАНАЛУ!
“С”: Друг мой, ты совершенно прав, но я имел в виду не только это... Кстати, чему соответствует эта разность частот?
“A”: f гет - f сигн ? Она равна fпр, то есть ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЕ! Однако особенно следует отметить следующее обстоятельство — если один из двух сигналов, породивших сигнал промежуточной частоты, будет модулированным, то сама промежуточная частота окажется ... ПРОМОДУЛИРОВАННОЙ ЭТИМ ЖЕ САМЫМ СИГНАЛОМ! Ну и совсем нетрудно понять, что поскольку f гет — это чистый, синусоидальный сигнал, то из этого следует, что произойдет перенос модулирующего сигнала (речь, музыка) на fпр !
“Н”: Здорово! А какой обычно выбирается промежуточная частота?
“С”: Дорогой Незнайкин! Спросил бы ты это, скажем, лет 20 назад, то я не моргнув глазом, с чувством глубокой убежденности ответил бы так. А именно, что промежуточная частота .строго стандартизирована и равна в Европе — 465 кГц, а в США и Японии — 455 кГц!
“А”: А сейчас, как писал Дюма, “20 лет спустя”, разве это не так?
“С”: Мы еще не раз будем иметь возможность убедиться, что совсем не так! Но не будем пока брать это в голову! Продолжай пожалуйста, Аматор!
“А”:...Так вот, давайте посмотрим, чему будет равна полоса пропускания полосового фильтра, настроенного на частоту 465 кГц, если его добротность -100?
“Н”: Даже я могу легко подсчитать, что полоса составляет 4,65 кГц!
“А”: И это в то самое время, как каналы от f1 и до f 6 по-прежнему разделены промежутком в 10 килогерц! Прошу взглянуть на рис. 6.4. Теперь в полосе, приема оказалась ТОЛЬКО ОДНА СТАНЦИЯ! 
Поскольку после смешения частот и получения fпром в АЧХ “вмещается” только ОДИН канал! Приведем численное обоснование сказанного:
Итак,
f0 = 10 МГц; f гет = 10,465 МГц; тогда: f гет – fпром = 465 кГц.
Рассмотрим ситуацию с ближайшим каналом, частота которого равна:
f3 = 10,010 МГц.
При той же частоте гетеродина, равной 10,465 МГц, имеем: fгет - f3 = 10,465 МГц - 10,010 МГц = 455 кГц. В полосу пропускания контура промежуточной частоты Г 3 уже НЕ ПОПАДАЕТ!
“Н”: Вот что дает перенос полезного сигнала на новую несущую, равную f пром ? Мне кажется, что добротности, равной 100, здесь даже многовато!
“С”: Совершенно верно! Поэтому полосовые фильтры на 465 кГц, используемые для радиовещательных приемников, имеют обычно Q = 70—80. Попутно решалась задача, стоящая перед Армстронгом — как получить устойчивое высокое усиление для сигнала радиочастоты.
“Н”: А разве для ВЧ сигнала действительно необходимо высокое усиление?
“А”: Давай посмотрим... Пусть на антенном входе интересующая нас станция развивает сигнал, величина которого равна 50 микровольт!
“Н”: Так мало?
“А”: Ты хотел сказать — так много?! Потому что сигнал, обычно, несколько меньше!... Подать на вход детектора необходимо хотя бы милливольт 100 — 200! Таким образом, даже при самом грубом подсчете, коэффициент усиления по напряжению до детектора — порядка нескольких тысяч! А реально, учитывая потери в аттенюаторе, преобразователе частоты и т.п. — несколько десятков тысяч раз!
“С”: А то и больше!
“А”: Однако сделать хороший усилитель высокой частоты (имеется в виду — однокаскадный) с коэффициентом усиления по напряжению “всего” 50 раз — задача очень непростая!' Ты, Незнайкин, еще вспомнишь мои слова на сей счет! В то же время сделать хороший УПЧ с коэффициентом усиления НЕСКОЛЬКО ТЫСЯЧ — задача значительно более легкая! .
“Н”: Ты меня убедил! А что, недостатков у супергетеродина действительно нет?
“А”: Да может ли такое быть? Это ведь не божественная сущность, а техническое устройство! Основными недостатками супергетеродина является наличие ДВУХ крайне нежелательных каналов приема, которые всегда существуют независимо от того, в каком диапазоне осуществляется прием...
“С”: Я, пожалуй, не стал бы так категорически утверждать, что “всегда”, хотя для рассмотренной структурной схемы супергетеродина Армстронга— Леви это действительно справедливо!... Но дорогой Аматор, прошу прощения за вмешательство!
“А”: Я только благодарен за него, дорогой Спец, поскольку если с этими недостатками существуют средства борьбы, то я искренне рад!
“Н”: Не отвлекайтесь, пожалуйста!.. Так какие это ДВА канала?
“А”: Это ПОБОЧНЫЕ каналы приема, в дальнейшем будем называть их ПОМЕХАМИ. Первый — это ЗЕРКАЛЬНЫЙ канал (зеркальная помеха). Второй — помеха с частотой, равной промежуточной. Итак, во-первых, рассмотрим, что представляет из себя помеха по зеркальному каналу.
Мы уже говорили, что в супергетеродинах частота гетеродина ВСЕГДА выше частоты принимаемой станции. Будь это не так, мы просто не смогли бы принимать станции, расположенные в диапазоне длинных волн, поскольку частота гетеродина при этом должна была бы стать ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ! Но представим себе, что прием ведется в диапазонах СВ или КВ. Наш приемник настроен на частоту, равную 10 МГц. Мы ведь уже имели с ней дело, не так ли? При этом частота гетеродина: fгет = 10,465 МГц.
А теперь вообразим (фантазия для этого нужна не бог весть какая), что на вход приемника поступает еще один сигнал, частота которого:
fc2 = 10,930 МГц. В этом случае разностная частота равна ... 465 кГц!
“Н”: Значит для тракта промежуточной частоты совершенно безразлично, какой из двух сигналов усиливать! Если на вход УПЧ поступают вышеупомянутые частоты (10 МГц и 10,930 МГц), то усиливаться и детектироваться они будут ВМЕСТЕ и ОДНОВРЕМЕННО!
“А”: Именно так! Поэтому с полным основанием можем записать:
fзерк =2f пром =930 кГц!
Это соотношение справедливо при ЛЮБОЙ настройке приемника!
“Н”: А разве 930 кГц разницы — это мало?
“А”: А вот сейчас посмотрим (см. рис. 6.2)!... Входной преселектор, собственно и нужен, чтобы отсечь зеркальный канал или “зеркалку”! И для частоты 10 МГц это удается сделать достаточно удовлетворительно. Действительно: f 0 - 10 МГц; Q = 100. Тогда полоса частот по уровню 0,707 равна 100 кГц! Вроде бы — все отлично! Но не забывай, Незнайкин, что мы говорим про уровень 0,707! А что будет, если посмотреть “колокольчик” по уровню 0,1, скажем?
“Н”: Да ведь полоса тогда почти ВЧЕТВЕРО шире!
“А”: Да и запас селективности уже невелик! То есть в этом случае преселектор уже не в силах существенно подавить помеху по “зеркалке”! И если нежелательная станция создаст на входе сигнал, раз в 20—30 больший, чем сигнал интересующей нас станции, то амплитуда зеркальной помехи будет равна или даже будет превосходить амплитуду принимаемого сигнала! Ситуация эта встречалась достаточно часто!
“Н”: Но без преселектора было бы еще хуже?
“А”: Вне сомнения! Поэтому в супергетеродинах преселектор ставится всегда! Чтобы хоть как-то ослабить зеркальный канал!
“С”: У преселектора есть и дополнительные обязанности. Благодаря ему значительно снижается напряжение шумов, действующих на входе.
“А”: Давайте о шумах побеседуем отдельно, если вы не против!
“С”: И о шумах, и о помехах мы еще будем говорить! А пока, Аматор, продолжай.
“А”: Кроме помехи по зеркальному каналу, существует еще одна. Несмотря на то, что промежуточная частота выбрана из того расчета, что она “свободна” от радиостанций, в процессе работы двигателей, сварочных аппаратов, рекламных щитов и т.д., наводки с частотой 465 кГц достаточно часто проникают в приемную антенну!
Для борьбы с этим видом помехи, в антенной цепи приемника устанавливают различные фильтры. Например, фильтр — пробку, представляющий собой обычный параллельный колебательный контур, настроенный на частоту 465 кГц и включенный в антенную цепь. А поскольку на резонансной частоте такой контур имеет большое сопротивление, он не пропустит на вход приемника сигналы с частотой равной 465 кГц!
“С”: Ну, что же, сегодня мы начали говорить о супергетеродине. И, согласитесь, он стоит того, чтобы продолжить эту тему завтра!
| 
