Расчёт супергетеродинного приёмника

                                              Введение

В 1887 году немецкий физик Генрих Герц построил искровой передатчик радиоволн (радиопередатчик) с катушкой Румкорфа и полуволновой дипольной Беспроводная связь зародилась за тысячелетия до открытий и изобретений, ставших основой радио; это была связь акустическая и оптическая. Европа вступила в XIX век, имея сеть линий семафорного оптического телеграфа. На возвышенных местах были сооружены башни и от одной к другой по цепи станций специальным кодом на большие расстояния передавались важные и срочные сообщения военного, политического или хозяйственного содержания. По скорости доставки депеш этот телеграф многократно превосходил курьерскую почту.
Открытия и изобретения физиков в последние годы XVIII в. и особенно в первой половине XIX в. привели к созданию и быстрому внедрению в жизнь проводной электросвязи: вначале телеграфа, а затем и телефона. Эти достижения науки и техники положили начало настойчивым поискам путей к осуществлению электросвязи без проводов. На рубеже XIX и XX столетий поиски увенчались успехом, был создан и начал быстро развиваться радиотелеграф предшествующий созданию радио.
Создание радио связывают с успешным практическим применением радиоволн в регистрации дальних атмосферных грозовых разрядов, осуществленным А.С. Поповым в России в 1895 г., и последовавшим затем началом быстрого развития искрового радиотелеграфа. Однако первым, кто отметил распространение электрических процессов в атмосфере, является Луиджи Гальвани. Гальвани в 1771 году установил, что искровые разряды в электрофорной машине действуют на небольшом расстоянии на мышцу препарированной лягушки, вызывая ее вздрагивание, если во время разряда к ней прикасается металлический предмет.
В еще более интересном опыте мышца лягушки была соединена с проводом, поднятым на крышу дома, а нерв лягушки с проводом, опущенным в колодец. Ученый отметил, что если в окрестностях происходили грозовые разряды, то лапка лягушки вздрагивала. В соответствии с современной радиотехнической терминологией два провода, примененные Гальвани в этих экспериментах, с достаточным основанием.Cогут быть названы первой антенной и заземлением, поскольку существовавший ранее и сходный по устройству громоотвод имел существенно иное назначение.
Лягушечья лапка, использованная в опытах Гальвани, может с достаточным основанием считаться первым приемником радиосигналов естественного происхождения. В 1791 году, том самом году, когда Гальвани опубликовал материалы своих наблюдений и открытий, в Англии родился будущий великий физик Майкл Фарадей. В числе множества исследований и открытий, связанных с его именем, одним из самых важных результатов было открытие в 1831 году связи электрических и магнитных явлений, электромагнитной индукции. Более того, Фарадей был ближе всех ученых на Земле к доказательству наличия и к раскрытию свойств электромагнитных волн.
В письме от 12 марта 1832 года Майкл Фарадей сформулировал «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества». Фарадей писал, что результаты исследований привели его к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, и что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. При этом распространение похоже на колебания взволнованной водной поверхности или на звуковые колебания частиц воздуха.
По аналогии Фарадей считал возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции.
Другим великим ученым, которому принадлежит заслуга развития идей Фарадея и создания теории электромагнитных волн, был Джеймс Клерк Максвелл. В 1865 году он на основании/На этом основании утверждения, сформулированного Л.Гальвани, и следует считать, что началась предыстория радиотехники. С учетом последствий этих опытов можно связать их и с возникновением электротехники вообще.
Не случайно в немецком языке для термина «радио» имеется более распространенный синоним «функ», что означает также «искра». Первые успешные шаги на пути к всемирному распространению радиосвязи были сделаны более 100 лет тому назад, в 1895 году, когда Гульельмо Маркони впервые удалось передавать на расстояния в сотни метров без проводов тексты посредством азбуки Морзе; это был именно искровой радиотелеграф.
Первые искровые передатчики не отвечали этому условию: искровые разряды индукционной катушки передатчика воспроизводились не как тон, а как треск. Повышение В передатчике, схема которого показана слева, П — вращающийся прерыватель, ТК — телеграфный ключ, ИК — индукционная катушка, Р — разрядник. Далее следует колебательный контуВключение микрофона в цепь большой мощности потребовало разработки специальной конструкции с интенсивным внешним охлаждением.
Попытки радиотелефонной связи с включением микрофона в цепь антенны предпринимались в начале 1900-х годов и с искровыми передатчиками. При высокой частоте искр удавалось
получать слабо затухающие колебания, однако существенного успеха эти попытки не принесли.
Дуговые передатчики в целом ряде усовершенствованных конструктивных вариантов применялись как для телеграфной, так и для телефонной радиосвязи. Вплоть до 1930 года мощности дуговых радиостанций достигали 100 киловатт и более.
В 20-е годы началось интенсивное развитие вакуумной электроники. Электронные лампы, изобретенные еще в первом десятилетии XX в., интенсивно совершенствовались и внедрялись в серийное и массовое производство. На протяжении 20-х годов радиопередатчики и радиоприемники стали ламповыми и оставались ламповыми вплоть до 50–60-х годов. В радиопередатчиках большой мощности электронные лампы применяются
и в настоящее время.
По окончании второй мировой войны были раскрыты накопленные фонды новых систем и конструкций, связанные преимущественно с военной радиотехникой. Разработанные и осуществленные в 30-е и 40-е годы микроволновые радиолокационные системы и устройства стали главным фактором и ресурсом для создания и развития новых средств радиосвязи с большой пропускной способностью.
В 50-е и 60-е годы в большей части стран были сооружены сети радиорелейных линий большой протяженности и с большой пропускной способностью. Эти сети создавались и служат в данное время главным образом для передачи телевизионных программ, а также, наряду с кабельными, для многоканальной телефонной связи между городами, регионами и странами.
В 60-е и последующие годы в комплексные релейные сети были введены радиолинии спутниковой связи. Все три системы дополняют друг друга, обеспечивая практически неограниченную пропускную способность, а также взаимозаменяемость и надежность.
Еще более глубокое, эпохальное достижение в технике радиосвязи второй половины века связано со стремительным развитием полупроводниковой электроники. Подобно тому, как в
20-е годы произошло тотальное внедрение в системы радиосвязи вакуумных электронных ламп, 50-е годы отмечены практически полной транзисторизацией радиоаппаратуры всех назначений.
Электронные лампы сохранили свое доминирующее положение только в мощных блоках радиопередатчиков.
Германиевый транзистор с точечными контактами, изобретателями которого были Бардин, Браттейн и Шокли, ставшие за свои заслуги нобелевскими лауреатами, был первым звеном
в непрерывной последовательности изобретений и усовершенствований электроники.
Начиная с 60-х годов, идет непрерывный процесс совершенствования конструкций и технологии производства радиоаппаратуры в направлении дальнейшей миниатюризации, характеризуемый в терминологии как микроэлектроника. В конечном счете, стало возможным разместить на кристалле с поверхностью в несколько квадратных миллиметров сотни и тысячи микроскопических транзисторов со всеми необходимыми соединениями между ними.
Итогом столетнего развития радиосвязи и характерным индикатором тенденций этой области на рубеже нового тысячелетия стали сотовый радиотелефон.8 приемник персональной радиосвязи — пейджер. Появление этих устройств знаменует исполнение прогноза, опубликованного сто лет тому назад, когда стали известны первые достижения в телеграфировании без проводов. Автор этого прогноза, английский физик и изобретатель У. Айртон писал: «... человек, пожелавший переговорить с другом и не знающий где тот находится, позовет электрическим голосом, который услышит только тот, чье электрическое ухо настроено на этот вызов; он спросит: где ты? И прозвучит ответ: я в глубине шахты, на вершине Анд, или в далеком океане. Но может быть не будет никакого ответа, и тогда он будет знать, что друг его умер».
Как ни высоки и впечатляющи были темпы научно-технического прогресса радиосвязи на протяжении всего истекшего столетия, только сейчас пророчество Айртона близится к исполнению. В персональной радиосвязи человек, по сути, получает нечто вроде нового органа чувств, который позволяет ему общаться с любым другим человеком, где бы тот ни находился: на нашей планете или в космосе.
 В 1895 году в Петербурге Александр Степанович Попов на более чем скромной базе учебного заведения, изготовив из подручных деталей когерер и применив для его встряхивания обыкновенный электрический звонок, осуществил свой знаменитый «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний». Именно так называлась статья А.С. Попова, опубликованная в журнале Русского физико-химического общества при Императорском Санкт-Петербургском университете в 1896 г. Этот радиоприемник вместе с катушкой Румкорфа в качестве генератора волн позволил проводить лабораторные исследования и лекционные демонстрации, а с включением самописца сделал возможной регистрацию на больших расстояниях грозовых атмосферных разрядов. Так был создан знаменитый «грозоотметчик», вошедший в историю радиотехники и описанный в школьных учебниках физики.

р из конденсатора С и индуктивной катушки L, настраиваемый на желательную частоту изменением положения отвода от катРассмотренная в упомянутой выше статье А.С. Попова схема радиоприемника показана на рис. 1.7. Приведем оригинальное описание действия схемы приемника (прибора). «Ток батареи в 4-5 В постоянно циркулирует от зажима Р к платиновой пластинке А, далее через порошок, содержащийся в трубке, к другой пластинке В и по обмотке электромагнита реле
обратно к батарейке. Сила этого тока недостаточна для притягивания якоря реле, но, если
трубка АВ подвергнется действию электрического колебания, то сопротивление мгновенно
уменьшится и ток увеличится притянется. В этот момент цепь, соединяющая батарею с якорем звонкового реле, прерванная в точке С, замкнется и звонок начнет действовать, но
тотчас же сотрясения трубки опять уменьшат ее проводимость и реле разомкнет цепь звонка. В моем приборе сопротивление опилок после сильного встряхивания бывает около 100000 Ом, а реле, имея сопротивление около 250 Ом, притягивает якорь при токах от 5 до 10 мА (пределы регулировки), т.е. когда сопротивление всей цепи падает ниже 1000 Ом. На одиночное колебание прибор отвечает коротким звонком; непрерывно действующие разряды спирали отзываются довольно частыми, через приблизительно равные промежутки следующими звонками».

ушки. Аналогично настраивается и цепь передающей антенны.
В приемнике, схема которого показана справа, также имеется колебательный контур. В эти же годы Олег Владимирович Лосев создал в Нижегородской лаборатории первые полупроводниковые генераторы — кристадины. Начала развиваться советская радиоэлектроника.
Из большинства публикаций по истории отечественного радиовещания известно, что 1924 год считается годом начала регулярного РВ. Еще до 1924 года проводились опытные передачи, среди которых особо отметим следующие:

• 27 февраля 1919 года в 10.02 и 11.08 по среднеевропейскому времени впервые по радио вместо сигналов азбуки Морзе прозвучало: «Алло, алло. Говорит Нижегородская радиолаборатория. Раз, два, три. Как слышно?». Это была проба работы радиотелефонного передатчика;

• 11 января 1920 года осуществлен первый опыт радиотелефонной передачи из Нижегородской радиолаборатории. Передача началась в 10 часов вечера на волнах 1200 и 1500 м. Приемная станция находилась в 4 км от лаборатории;

• 27 и 29 мая 1922 года Нижегородская радиолаборатория передала первые радиоконцерты, принятые на расстоянии 3000 км;

• 17 сентября 1922 года Московская радиотелефонная станция передала первый радиоконцерт.
Все перечисленные радиопередачи относятся к категории отдельных, разовых трансляций. Для ускорения начала регулярного вещания требовался мощный стимул, причем на государственном уровне. Таким стимулом стало постановление СНК СССР от 28 июля 1924 года «О частных приемных радиостанциях», согласно которому частным пользователям разрешалось иметь приемные радиоустройства, а радиолюбителям — конструировать радиоприемники. Ранее подобное дело считалось незаконным.
Кроме того, постановление стимулировало развертывание промышленной базы по выпуску радиовещательных приемников.
 

Цепь антенны и колебательный контур настраиваются в резонанс на частоту передатчика таким же способом, как и в передатчике. Кроме того предусмотрена регулировка емкости колебательного контура. Д — кристаллический детектор, причем для подбора оптимального режима его действия предусмотрена батарея Б с делителем напряжения. Для воспроизведения принимаемого сигнала служит телефон Т.
Значительный период в истории радиосвязи связан с применением передатчиков, основанных на использовании свойств вольтовой дуги — дуговых передатчиков. Явление самовозбуждения колебаний в цепи с вольтовой дугой было известно еще с 1892 г., когда оно было открыто Элью Томсоном (США).
Выбором материалов для электродов (например, медь и уголь), последовательным включением нескольких дуг, применением водородного или водяного охлаждения, воздействием на дугу магнитного поля и другими мерами удалось получать колебания большой мощности с частотами до сотен килогерц. В отличие от искрового генератора получаемые колебания тока — незатухающие синусоидальные колебания.
Свойство дуги генерировать колебания с частотами порядка 10 кГц было исследовано в 1900 г. английским физиком У. Дудделем. Датский физик В. Поульсен, поместив дугу в атмосферу водорода, получал частоты генерируемых колебаний до 100 кГц, после чего дуговой генератор, подключенный к антенне, стал использоваться в качестве радиопередатчика. После 1908–1910 гг. мощные дуговые радиопередатчики получили значительное развитие и широкое применение, продолжавшееся вплоть до 20-х годов.
Упрощенный пример схемы дугового передатчика с рядом дуг, соединенных последовательно, приведен на рис. 1.5. Здесь не показаны входящие в конструкцию передатчика мощные агрегаты для создания в камере дуг газовой среды и сильного магнитного поля, для отвода тепла и др. На рисунке М — микрофон, посредством которого осуществлялась радиотелефонная связь: изменение сопротивления микрофона при действии на него звуков речи приводило к изменению энергии колебаний в антенне. В результате амплитуда получаемых волн изменяется соответственно речевому сигналу, происходит амплитудная модуляция радиосигналов.
частоты искр было достигнуто введением взамен электромагнитного прерывателя Румкорфа многоконтактных вращающихся прерывателей.
Принимая этот вариант, конструкторы радиоаппаратуры в сущности вернулись к принципу, предложенному еще в 1885 году Т.А. Эдисоном.
Для преобразования радиочастотных импульсов, принимаемых от искрового передатчика, в последовательность импульсов постоянного тока, вызывающую звук в телефоне, потребовалось применить устройство, обладающее способностью выпрямлять переменный ток. Из ряда вариантов решения этой задачи предпочтительным оказался детектор в виде полупроводникового кристалла с точечным контактом в виде острого конца проволочной пружинки. Пригодность для этой цели ряда кристаллов была еще в конце прошлого века выявлена в процессе исследований К.Ф. Брауна.
Другим вариантом разрядника в передатчике была специальная многопластинчатая конструкция, автором которой был М. Вин. Разряды получались в узких параллельных промежутках между медными пластинами, ряд которых представлял собой последовательную цепь, подобную отопительному радиатору в миниатюре. Это устройство и действовало как радиатор, поскольку нуждалось в отведении выделяемой в разряднике тепловой энергии; для этого применялось воздушное или водяное охлаждение.
Необходимость охлаждения была вызвана непрерывно возраставшей мощностью создававшихся в те годы радиопередатчиков.

Электрическая искра, впервые выполнившая тогда роль радиопередатчика, была к тому времени известна уже на протяжении столетия. Она была изучена еще до того, как был открыт постоянный электрический ток и были изобретены его первые источники — гальванические батареи. Электрические искры были получены в результате исследований и изобретений в электростатике.
Электрофор, ставший основой электрофорной электрической машины изобрел Алессандро Вольта (1745–1827). Он же изобрел и электроскоп с соломенными листочками (1781), став-
ший одним из первых электроизмерительных приборов. Ему же принадлежит новая интерпретация некоторых опытов Гальвани с «животным электричеством». Проверяя эти опыты, он определенно установил, что в них важную роль играли контакты металлов с жидкостью, при которых мог получаться постоянный ток. В итоге исследований им был изобретен в 1800 году источник постоянного тока с высоким напряжением, ныне известный как «Вольтов столб». Не случайно в физике и электротехнике применяется единица электрического напряжения — вольт.
В 1820 году Эрстед обнаружил, что пропускание тока по проводу вызывает отклонение находящейся на небольшом расстоянии магнитной стрелки. Это открытие послужило основой для построения различных электроизмерительных приборов, обеспечивших дальнейшие исследования и развитие электротехники; оно же сыграло важную роль в создании электрической связи — проводной и беспроводной.
Предложение использовать открытие Эрстеда для электрической сигнализации было, по-видимому, впервые высказано Ампером. Включая и выключая ток в проводе, а также изменяя величину тока, можно вызывать отклонение стрелки и возвращать ее в первоначальное положение, а увеличивая длину провода — получать этот эффект на расстоянии. Эта возможность привела к мысли о возможности сигнализации. В отличие от оптического телеграфа, видимого в ясную погоду на обширной территории всеми, электрическая сигнализация могла осуществляться в любое время суток, невидимо для посторонних лиц.
Идеи беспроводной электрической сигнализации возникли вскоре после работ Гальвани и Фарадея, получив убедительное подтверждение в экспериментах их последователей и, в особенности, в теории Максвелла. Основой первого этапа осуществления и развития радиосвязи стали исследования и изобретения Герца и Лоджа; их можно считать условным началом истории радио, определяя факты предшествующего им столетия как предысторию.
На этапе предыстории были найдены первые способы и устройства для получения радиоволн: искровой разряд Лейденской банки, электрофорная машина, индукционная катушка с прерывателем и искровым разрядником.
В 1840 году Джозеф Генри (США) показал, что разряд конденсатора имеет колебательный характер и это позволяет получать колебания с различными частотами. Колебательный разряд изучал также У. Томсон. В 1853 году им получена известная «формула Томсона» для частоты колебаний в цепи, содержащей конденсатор и индуктивную катушку. С этого, по сути, нарождалась техника радиопередатчиков.
По определению, радиоприем — получение информации из радиоволн. На этом основании можно считать одним из первых радиоприемников устройство, испытанное и описанное Гальвани:

• вертикальный провод — антенна;

• присоединенная к антенне определенным образом лягушечья лапка;

• провод, соединяющий другую точку лапки лягушки с землей.
Для обнаружителей пространственных электрических процессов, позволяющих получить полезную информацию, с прошлого века применяется термин «детекторы». Радиоприемное
устройство Гальвани состояло из антенны, частью которой, по сути, является и заземление, и детектора. На протяжении всего столетия такая структура воспроизводилась многими исследователями и изобретателями. Общим элементом в их изобретениях и разработках оставалась антенна в нескольких конструктивных модификациях, детекторы же были основаны на иных принципах.
Стимулом для совершенствования детекторов стал переход от лабораторных исследований волн к демонстрациям их свойств в лекционной аудитории. Джозеф Генри одним из первых отказался от «физиологического» детектора Гальвани и применил искусственный приемник. Его детектор представлял собой катушку с расположенными внутри нее иглами. В докладе, прочитанном в 1842 году, Генри сообщил, что сигналы от искрового передатчика — электрофорной машины с излучающим проводом — антенной принимались им в здании на расстоянии около 10 м, через два межэтажных перекрытия. При подключении к приемнику антенны в виде провода и заземления им был получен прием излучений от отдаленных грозовых разрядов.
В 1875 году профессор Элью Томсон (США) провел и в начале 1876 года описал в журнале Франклиновского института эксперимент с передачей сигналов внутри здания, между разными этажами, на расстоянии около 25 м. Передатчиком служила индукционная катушка Румкорфа с искровым разрядником. Детектор волн представлял собой стержень с узким искровым промежутком. При включении передатчика в искровом промежутке приемника проскакивали искорки. Впоследствии подобный приемник был применен и в 1888 году описан Генрихом Герцом.
Конструкция этого приемника была разработана Т.А. Эдисоном. Изобретатель угольного микрофона (1878 год) Д.Э. Хьюз демонстрировал в 1879 и 1880 годах ряду известных ученых опыты передачи сигналов без проводов на расстояниях до сотен метров. Он применил искровой передатчик с катушкой Румкорфа. В передающем устройстве Д.Э. Хьюз использовал угольный микрофон, а для воспроизведения сигналов был применен телефон.
В опытах участвовали известные английские физики: У. Прис, У. Робертс-Оустин, У. Крукс, Дж. Стокс, Гриллс Адамс, Грове и Т. Хаксли.
В 1882 году опыты беспроводного телеграфирования проводил также и А. Долбэр. Имеются сведения, что Долбэр, помимо телеграфирования, проводил и опыты беспроводной передачи
речи. Для этого он питал первичную обмотку индукционной катушки от микрофона. Разборчивый прием, хотя и с искажениями, был в этих опытах возможен на расстоянии 1 км, дальность же телеграфной связи достигала 20 км.
В 1885 году Т.А. Эдисон получил патент США (№ 465971) на беспроводный телеграф для связи с кораблями на море. Как и несколько ранее Долбэр, он применил антенны с заземлением и на
своих пятилетних исследований высказал убеждение, что свет имеет электромагнитную природу. В 1879 году он опубликовал «Трактат по электричеству и магнетизму», в котором доказал электромагнитную природу света. Максвелл ввел понятие тока смещения и построил свою знаменитую математическую теорию электромагнитных процессов. Уравнения Максвелла были и остаются краеугольным камнем теории радиотехнических устройств и систем. Практическая радиотехника полностью подтвердила справедливость теории Максвелла. Решающую роль в утверждении этой теории сыграли фундаментальные дальнейшие исследования и изобретения Генриха Герца.редающей антенной (первый в мире радиопередатчик радиоволн) и искровой приёмник радиоволн (первый в мире радиоприёмник), осуществил первую в мире радиопередачу и радиоприём радиоволн, доказал существование радиоволн, предсказанное Максвеллом и Фарадеем и изучил некоторые основные свойства радиоволн (прохождение, поглощение, отражение, преломление, интерференция, стоячая волна и др.).

Датой рождения радиприёма считается 7 мая 1895 года, когда А.С. Попов продемонстрировал первый в мире радиоприёмник (грозоотметчик) на заседании Русского физико-химического общества.

В 1899г. постороена первая линия связи, протяжённостью 45 км, которая соединяла остров Гогланд и город Котка. В период первой мировой войны начинают применяться электронные лампы и получает развитие приёмник прямого усиления.

В 1918г. в США (Армстронг) и во Франции (одновременно) был предложен принцип супергетеродинного приёмника. Из-за низкого качества электронных ламп, супергетеродинный принцип приёма не мог быть качественно реализован, так лампы работали плохо как на высоких, так и низких частотах.

В 1929-30гг. с появлением экранированных ламп и пентодов супергетеродинный приёмник становиться основным типом.

В 1960-х годах распространяются транзисторные радиоприёмники.

С 1980г. распространяются приёмники на интегральным микросхемах.

В настоящее время радиоприёмники развиваются путём большой интеграции узлов структурной схемы и широкого применения цифровой обработки сигналов, принятых на фоне помех.