Как работает кольцевой балансный модулятор

Р, 1955, №6

Часто применяющийся в аппаратуре дальней связи кольцевой балансный модулятор, схема которого приведена на рис. 1, в настоящее время начинает использоваться радиолюбителями-коротковолновиками для преобразования частот в диапазонных возбудителях с кварцевой стабилизацией (см. статью Л. Лабутина «Диапазонный возбудитель с кварцевой стабилизацией» в «Радио» № 5 за 1955 год). Это объясняется тем, что такой модулятор даёт на выходе наименьшее по сравнению с другими типами преобразователей количество вредных дополнительных комбинационных частот.

Рис. 1. Принципиальная схема кольцевого балансного модулятора

Для того чтобы понять, как работает кольцевой балансный модулятор, разберёмся сначала в том, что происходит в цепи, состоящей из генератора переменного напряжения, диода и батареи с переключателем П1, позволяющим изменять направление её включения (рис. 2, а).

Рис. 2. а - принципиальная схема, поясняющая принцип действия кольцевого балансного модулятора; б - графическое изображение тока в цепи в зависимости от направления включения батареи.

Известно, что ток через диод может протекать только в одном направлении. Это направление называют прямым. Если напряжение батареи выбрать больше амплитуды напряжения генератора, то, когда переключатель П1 будет находиться в положении 1, в цепи потечёт пульсирующий ток, а при положении 2 переключателя П1 тока в цепи не будет (рис. 2, б). При включении в такую цепь первичной обмотки трансформатора Тр1 в его вторичной обмотке будет наводиться напряжение, пропорциональное напряжению генератора, только тогда, когда переключатель П1 установлен в положение 1. Меняя полярность включения батареи, мы изменяем сопротивление диода от некоторой малой величины Ri, зависящей от свойств диода (переключатель находится в положении 1, диод открыт), до очень большой величины (переключатель П1 установлен в положение 2, диод закрыт). В кольцевом балансном модуляторе одно из двух преобразуемых напряжений, имеющее частоту f₁ подаётся на обмотку I трансформатора Тр1. Второе напряжение, имеющее частоту f₂, подаётся на средние точки обмоток II трансформаторов Tp1 и Тр2 и служит для изменения сопротивления диодов. Его частота f₂ должна быть больше частоты f₁ На рис. 3, а и б показаны эквивалентные схемы кольцевого балансного модулятора для двух полупериодов напряжения с частотой f₂. На схеме сплошными стрелками обозначено направление тока с частотой f₂, а пунктирными - с частотой f₁. Ток с частотой f₂ не может создать напряжения в обмотке I трансформатора Тр2, так, как он протекает в половинах катушки II в разные стороны. Создать напряжение в обмотке I трансформатоpa Tp2 может ток, протекающий по обмотке II в одном направлении. Величина этого тока пропорциональна мгновенному значению напряжения с частотой f₁, а направление изменяется через каждый полупериод частоты f₂. На рис. 4 показаны напряжения Uf₁, Uf₂ и U_Rн в случае, когда частота f₂ в десять раз больше частоты f₁.

Рис. 3. Эквивалентные схемы кольцевого балансного модулятора для двух полупериодов несущей частоты

Известно, что всякую периодически изменяющуюся во времени величину, в частности и напряжение U_Rн, можно разложить на сумму величин, изменяющихся во времени по синусоидальному закону. Для того чтобы определить амплитуды и частоты синусоидальных напряжений, из которых состоит выходное напряжение U_Rн, нужно познакомиться с векторным изображением периодически изменяющихся во времени величин.

Рис. 4. Зависимость от времени преобразуемых и выходного напряжений кольцевого балансного модулятора.

Представим себе неподвижный вектор ОА, вокруг начала которого (точка О) в плоскости рис. 5, а вращается с постоянной угловой скоростью ω=2πf рад/сек прямая. Точка О делит эту прямую на положительную и отрицательную полупрямые. Величина проекции вектора ОА на эту прямую Оа будет изменяться во времени по синусоидальному закону. Проекция какого-либо другого вектора на эту же ось будет изображаться синусоидой, сдвинутой по фазе по отношению к первой. Амплитуда этой синусоиды будет равна абсолютной величине этого вектора, а сдвиг фазы в угловой мере будет соответствовать углу между векторами. Таким образом, любой изменяющейся во времени по синусоидальному закону с частотой f величине будет соответствовать неподвижный вектор, имеющий определённую величину и положение в плоскости рис. 5, а. На рис. 5, а показаны два сдвинутые на 180° вектора, имеющие одинаковую величину. Соответствующие им синусоиды показаны на рис. 5, б. На рис. 5, в показана зависимость амплитуды колебаний, или, что то же самое, величины этих векторов от времени. Таким образом, вектор OA изображает в плоскости рис. 5, а синусоидальное напряжение и с частотой f, поэтому его можно назвать «вектором величины u». Если синусоидальное напряжение модулировано по амплитуде, то величина изображающего его вектора изменяется во времени. На рис. 6 показаны модулированное напряжение и зависимость соответствующего ему изображающего вектора от времени, причём частота f₂ (несущая) выбрана в десять раз больше частоты модулирующего напряжения f₁, т. е. соотношение между ними такое же, как и для рис. 4. Вектор, изменяющийся во времени, можно получить, складывая вектор постоянной величины с вектором, величина и направление которого меняются (рис. 7, а). Нетрудно видеть, что период изменения его величины должен быть равен периоду модулирующей частоты f₁. В свою очередь и этот вектор можно получить, складывая два равномерно вращающихся в разные стороны вектора.

Рис. 5. Векторное изображение синусоидальных напряжений

Расположение вращающихся векторов в зависимости от времени показано на рис. 7, б. Как видно из рис. 7, а и б, за время одного периода модулирующей частоты f₁ эти векторы сделают один оборот. Следовательно, вектор, поворачивающийся против часовой стрелки, будет иметь по отношению к вращающейся по часовой стрелке с угловой скоростью ω=2πf₂ рад/сек прямой, угловую скорость, равную сумме их скоростей, т. е. напряжение, соответствующее этому вращающемуся вектору, будет иметь частоту, равную сумме частот несущего и модулирующего напряжений.

Рис. 6. Модулированное напряжение и зависимость изображающего его вектора от времени

Рассуждая таким же образом, легко увидеть, что частота напряжения, соответствующего вектору, вращающемуся по часовой стрелке, будет равна разности несущей и модулирующей частот.

Рис. 7. Временное и векторное изображения напряжений боковых частот модулированного колебания

Таким образом, напряжение, показанное на рис. 7, в, соответствующее вектору рис. 7, а, является суммой двух синусоидальных напряжений с частотами f₂+f₁ и f₂-f₁. Это напряжение очень похоже на выходное напряжение кольцевого балансного модулятора U_Rн (рис. 4). Некоторое различие в формах этих напряжений объясняется тем, что на выходе кольцевого балансного модулятора, кроме суммарной и разностной частот преобразуемых колебаний, имеются ещё напряжения с частотами n * f₁+-f₂, где n может принимать значения 3, 5, 7 и т. д. Однако эти напряжения легко могут быть отфильтрованы.

Желающие более подробно познакомиться с анализом работы кольцевого балансного модулятора могут найти интересующие их сведения в книге Н. Баева и К. Егорова «Основы дальней связи» (Связьиздат, 1948 г.).

С. Ершов

BACK