Супергетероди́нный радиоприёмник (супергетероди́н) — один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим его усилением. Основное преимущество супергетеродина перед радиоприёмником прямого усиления в том, что наиболее критичные для качества приёма части приёмного тракта (узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не требуют перестройки по частоте при настройке на радиостанции, работающие на разных частотах, что позволяет выполнить эти части со значительно лучшими характеристиками.
Супергетеродинный приёмник изобрели почти одновременно немец Вальтер Шоттки и американец Эдвин Армстронг в 1918 году, основываясь на идее француза .
Устройство
Упрощённая структурная схема супергетеродина с однократным преобразованием частоты показана на рисунке. Радиосигнал из антенны подаётся на вход усилителя высокой частоты (в упрощённом варианте он может и отсутствовать), а затем на вход смесителя — специального нелинейного элемента с двумя входами и одним выходом, осуществляющего операцию преобразования сигнала по частоте. На второй вход смесителя подаётся сигнал с локального маломощного генератора высокой частоты — гетеродина, частота которого отличается от частоты принимаемого сигнала на известную величину.
Таким образом, на выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот гетеродина и принимаемой радиостанции. Кроме того, на выходе смесителя может образовываться другой сигнал с промежуточной частотой, отличающийся от частоты принимаемого сигнала на удвоенную промежуточную частоту — так называемый сигнал или помеха по зеркальному каналу. Эта помеха снижается с помощью входного радиочастотного фильтра, настроенного на частоту принимаемого сигнала (подробнее о зеркальной помехе далее).
Разностный сигнал постоянной промежуточной частоты (ПЧ) выделяется с помощью полосового фильтра и усиливается в усилителе ПЧ, после чего поступает на демодулятор, восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты. Чтобы изменить частоту настройки приёмника, нужно изменить частоту гетеродина и, возможно, перестроить входные фильтры, настроенные на частоту сигнала. Фильтры ПЧ при этом перестраивать не нужно. Основное усиление сигнала происходит в усилителе ПЧ.
В обычных вещательных приёмниках длинных, средних и коротких волн промежуточная частота, как правило, равна нескольким десяткам или сотням килогерц (в СССР чаще всего — 465 кГцЛевитин Е. А., Левитин Л. Е. Радиовещательные приёмники. Справочник. М.: «Энергия», 1967), в бытовых ультракоротковолновых радиоприёмниках для приёма сигналов с частотной модуляцией — несколько мегагерц. В телевизорах ПЧ составляет десятки мегагерцЕльяшкевич Е. А., Пескин А. Е. Устройство и ремонт цветных телевизоров. — М.: Издательство ДОСААФ СССР, 1987, с. 57..
В связных и высококлассных вещательных приёмниках применяют двойное (редко — тройное) преобразование частоты. О преимуществах такого решения и критериях выбора первой и второй ПЧ сказано ниже.
Преимущества Высокая чувствительность. Супергетеродин позволяет получить большее усиление по сравнению с приёмником прямого усиления. В супергетеродинах основное усиление осуществляется на промежуточной частоте, которая, как правило, ниже частоты приёма; чем ниже частота сигнала, тем проще построить для него устойчивый усилитель с большим коэффициентом усиления. Высокая избирательность, обусловленная фильтрацией сигнала в канале ПЧ. Фильтр ПЧ можно изготовить со значительно более высокими параметрами, так как его не нужно перестраивать по частоте. Например, широко используют кварцевые, пьезокерамические и электромеханические фильтры сосредоточенной селекции, а также фильтры на поверхностных акустических волнах. Они позволяют получить сколь угодно узкую полосу пропускания с очень большим подавлением сигналов за её пределами. Возможность принимать сигналы с модуляцией любого вида, в том числе с амплитудной манипуляцией (радиотелеграф), однополосной модуляцией и частотной модуляцией.
Недостатки
Помехи по зеркальной частоте
Наиболее значительным недостатком является наличие так называемого зеркального канала приёма — второй входной частоты, дающей такую же разность с частотой гетеродина, что и рабочая частота. Сигнал, передаваемый на этой частоте, может проходить через фильтры ПЧ вместе с полезным сигналом.
Например, пусть приёмник имеет ПЧ и настроен на радиостанцию, передающую на частоте тогда частота гетеродина равна На выходе фильтра ПЧ будет выделяться сигнал с частотой 76,5 — 70 = 6,5 МГц. Однако, если на частоте работает другая мощная радиостанция, и её сигнал может просочиться на вход смесителя, то разностный сигнал с частотой 83 − 76,5 = 6,5 МГц не будет подавлен, пройдёт через усилитель ПЧ и создаст помеху полезному сигналу. Величина подавления такой помехи (избирательность по зеркальному каналу) зависит от эффективности входного фильтра и является одной из основных характеристик супергетеродина.
Помехи по зеркальному каналу уменьшают двумя путями. Во-первых, применяют более сложные и эффективные входные полосовые фильтры, состоящие из нескольких колебательных контуров. Это усложняет и удорожает конструкцию, так как узкополосный входной фильтр нужно ещё и перестраивать по частоте, притом согласованно с перестройкой частоты гетеродина, удерживая при перестройке разность частот сигнала и входного полосового фильтра равной ПЧ. Во-вторых, промежуточную частоту выбирают достаточно высокой по сравнению с частотой приёма. В этом случае зеркальный канал приёма оказывается сдвинутым относительно далеко по частоте от полезного сигнала, и даже несложный входной фильтр приёмника может более эффективно его подавить. Иногда ПЧ даже делают намного выше частот приёма (так называемое преобразование вверхХоровиц П., Хилл У., Робинсон Я. Искусство схемотехники. Том 2. — М.: «Мир», 1984, с. 303, при этом часто, ради упрощения приёмника, вообще отказываются от входного полосового фильтра, заменяя его неперестраиваемым фильтром нижних частот. В селекторах каналов аналоговых телевизионных приёмников, являющихся по сути преобразователем частот сигналов из эфира в промежуточные частоты звука и изображения телевизионного приёмника, наоборот, применяют фильтр верхних частот. В высококачественных связных приёмниках часто применяют метод двойного (иногда и тройного) преобразования частоты, причём, если первую ПЧ выбирают высокой по описанным выше соображениям, то вторую делают низкой (сотни, иногда даже десятки килогерц), что позволяет более простыми методами сужать принимаемую полосу частот и более эффективно подавлять помехи от близких по частоте станций, то есть повышать избирательность приёмника по соседнему каналу. Приёмники с многократным преобразованием частоты, несмотря на достаточно высокую сложность построения, наладки и стоимости, широко применяются в профессиональной и любительской радиосвязи (см., например, Р-250, Трансивер UW3DI).
Паразитный канал приёма сигналов с промежуточной частотой Кроме того, в супергетеродине возможен паразитный приём сигналов с промежуточной частотойЭто в большей степени относится к возможному приёму помех на промежуточной частоте. Стандартные промежуточные частоты, как правило, не используются для вещания и связи.. При этом сигнал с антенны с частотой, попадающей в полосу пропускания канала ПЧ, проходит через входные цепи и смеситель на вход усилителя ПЧ и усиливается им. Эту помеху подавляют экранированием отдельных узлов и приёмника в целом, а также применением на антенном входе фильтра-пробки (режекторного фильтра), настроенного на промежуточную частоту, применённую в данном приёмнике.
В целом, супергетеродин требует гораздо большей тщательности в проектировании и наладке, чем простой приёмник прямого усиления. Приходится применять меры для обеспечения стабильности частоты гетеродинов, так как от неё зависит точность настройки на станцию и соответственно качество приёма. Сигналы гетеродина или гетеродинов не должны с высокой мощностью просачиваться в антенну, чтобы приёмник сам не становился источником помех. Если в приёмнике больше одного гетеродина, существует вероятность того, что биения между какими-то из их гармоник окажутся в полосе звуковых частот и дадут помехи в виде свистов на выходе приёмника. Это устраняют рациональным выбором частот гетеродинов и тщательным экранированием узлов приёмника друг от друга.
История
Использование в приёмнике вспомогательного местного генератора радиочастотных колебаний впервые предложил американец Фессенден в 1901 году. Он же впервые применил термин «гетеродин», слово составленное из греческих слов «гетеро» — «чужой» и «дин» — «сила». В приёмнике Фессендена гетеродин работал на частоте очень близкой к частоте принимаемого сигнала, и возникающие при этом биения со звуковой частотой между колебаниями гетеродина и сигналом принимаемой станции позволяли принимать непрерывный сигнал (без амплитудной модуляции), или телеграфный сигнал на слух (этот принцип теперь применяется в приёмниках прямого преобразования, в таких приёмниках гетеродин принято называть гомодином).
Гетеродинные приёмники быстро усовершенствовались с изобретением в 1913 году лампового генератора высокой частоты (до этого применялись электромашинные генераторы повышенной частоты).
В 1917 году французский инженер запатентовал принцип супергетеродинного приёмаПатенты Франции 493.660 и 506.297. В его приёмнике частота радиочастотного сигнала преобразовывалась не непосредственно в звуковую частоту, а в промежуточную частоту, которая выделялась на колебательном контуре настроенном на эту частоту, и уже после этого поступала на детектор.
В 1918 году В. Шоттки дополнил структуру Леви усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Структура супергетеродина была выгодна в то время ещё и тем, что лампы того времени не обеспечивали нужного усиления на частотах выше нескольких сот килогерц из-за эффекта Миллера в триодах. Посредством гетеродинирования спектр сигнала сдвигался в область более низких частот и можно было за счёт увеличения коэффициента усиления повысить чувствительность приёмника.
Независимо от Шоттки к аналогичной структуре пришел Э. Армстронг (его патент получен в декабре 1918 года, патентная заявка Шоттки сделана в июне). Армстронг впервые построил и испытал прототип супергетеродинного приёмника. Он же указал на возможность многократного преобразования частоты.