А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 34

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 34)

Эффект акустического детектирования обусловлен нелинейной зависимостью деформаций среды при распространении акустических волн конечной амплитуды от возникающих в среде упругих напряжений. В частности, при распространении в среде амплитудно-модулированных высокочастотных акустических колебаний возбуждаются акустические волны с частотой модуляции.

Как и в случае оптического детектирования, прямое детектирование акустических колебаний оказывается малоэффективным вследствие сравнительно слабой акустической нелинейности используемых на практике веществ. Поэтому акустическое детектирование не используется при передаче информации с помощью акустических волн, но находит применение в экспериментальной физике и измерительной технике для изучения нелинейных свойств твердых тел и измерения некоторых упругих характеристик.

5.12. Преобразование частоты Преобразованием частоты, или гетеродинирооанием, называют преобразование сигнала, в процессе которого происходит изменение его несущей частоты при сохранении вида и характера модуляции. В результате преобразования спектр сигнала целиком сдвигается по оси частот.

При этом сохраняются частотные интервалы между всеми компонентами спектра, а также амплитудные и фазовые соотношения между нилги. Преобразование частоты может быть осуществлено либо с помощью нелинейных элементов, либо с помощью линейных элементов, но с переменными параметрами. В качестве нелинейного элемента можно использовать, например, полупроводниковый диод. Схема преобразователя частоты на полупроводниковом диоде показана на рис. 5.25. Кроме полупроводникового диода У)2, преобразователь содержит источник сигнала и,, генераРпс.525.

Прпнцяппачьнаясхе- тор высокочастотного гармонического напряжения и„ ма преобраювателя частоты на называемый также гетеродином, н колебательпый кон- тур Ь. С. 22. Колебательный контур выполняет функции 5.12. Преобразование частоты 127 иг = (7 ьг созмг1 (5.52) Пусть сигнал также является гармоническим колебанием с амплитудой У „. и частотой ыс и, = У, совы,Ф. (5.53) Считаем, что напряжения и, и и„малы и поэтому вольт-амперную характеристику диода можно аппроксимировать квадратичным выражением г о = оо+ а,и+ а,и, (5.54) Полагая в этом выражении и = и, + и„получим о = оо + а,и, + а,и„+ ахи, + а,и„+ 2аги,и,.

2 о (5.55) Легко убедиться, что в выражении (5.55) все слагаемые, за исключением последнего, являются либо постоянными величинами, либо величинами, изменяющимися с частотой сигнала или гетеродина, либо величинами, изменяющимися с частотами вторых гармоник сигнала или гетеродина. Последнее слагаемое в правой части (5.55) соответствует составляющей тока 1,„, которая одновременно зависит от напряжений и сигнала, и гетеродина.

Используя (5.52) и (5.53), для составляющей тока 1,„получим 1„= аоУ,У, ~ сов(ы, + оо,)1+ сов(ш, — оо,)1~. (5.56) Отсюда видно, что ток 1„содержит две спектральные составляющие, амплитуды которых пропорциональны амплитуде сигнала, а частоты отличаются от частоты сигнала на величину ~оо,. Использование этих компонентов тока позволяет осуществить преобразование сигнала, при котором его частота сдвигается на величину частоты гетеродина ы,. Если в результате преобразования частоты нужно повысить частоту сигнала, то колебательный контур на выходе преобразователя настраивают на частоту ы, + ю„т.

е. выделяют колебание, соответствующее первому слагаемому в правой части выражения (5.56). При этом все остальные спектральные составляющие подавляются. Если требуется понизить частоту сигнала, то колебательным контуром выделяют колебание, соответствующее второму слагаемому в выражении (5.56). Предположим теперь, что сигнал представляет собой колебание, модулированное как по амплитуде, так и по частоте. Тогда напряжение сигнала и, можно записать в виде ~и~=о .рЬ ° ~ о-.- /о до~. (5.57) Подставляя (5.52) и (5.57) в последнее слагаемое в правой части выражения (5.55), для тока 1,„получим 1 о =аог1 (1)У сов (ыо + оос)Ф + Ьы(й)Ф + сов (ыо ы )1 + йище(1)й Отсюда видно, что и в случае модулированного сигнала ток 1 является суммой двух слагаемых.

Оба слагаемых представляют собой колебания, модулированные как по амплитуде. так и по частоте точно так же, как и входной сигнал. При этом несущая частота первого слагаемого выше частоты сигнала на величину ы, частоты гетеролина. а несущая частота второго ниже частоты сигнала на ту же величину ы,.

Колебательным фильтра, выделяющего на выходе преобразователя колебания с частотами, находящимися в требуемой области спектра. Будем считать, что гетеродин вырабатывает гармоническое напряжение с амплитудой У , и частотой и„: Глава б. П еобразование сигналов в нелинейных системах 128 контуром на выходе преобразователя можно выделить одно из этих колебаний и подавить все остальные составляющие тока диода. При этом закон модуляции сохраняется без изменения. Образование комбинационных частот ьэ, ~ ьэ, называют еще смешением частот сигнала и гетеродина. По этой причине устройства, предназначенные для осуществления преобразования частоты, называют преобразователями частоты или смесителями.

Заметим, что наше рассмотрение было ограничено учетом только первых трех членов в разложении (5.54) вольт-амперной характеристики диода. Таким образом, для осуществления преобразования частоты достаточна квадратичная нелинейность. Нетрудно убедиться, что преобразование частоты возможно и при использовании нелинейности более сложного вида. 5.13. Преобразование частоты оптического излучения Для осуществления преобразования частоты, или гетеродинирования, лазерного излучения используется нелинейная зависимость поляризации Р вещества от напряженности Е электрического поля (5.50). Для этого достаточно квадратичной нелинейности.

Поэтому в дальнейшем в выражении (5.50) будем принимать во внимание только квадратичный член. Пусть на среду, удовлетворяющую соотношению (5.50), падают две волны Е,(т, С) = Е, соз(ьээС вЂ” кэг) и Е,(т, С) = Е, соз(ьээС вЂ” )гэг). (5.58) Тогда напряженность поля в среде определится выражением Е(т, С) = Е,(т, С) + Е,(т, С). (5.

59) Подставляя (5.58), (5.59) в (5.50), найдем, что вклад Р квадратичного члена в полную поляризацию Р среды определяется выражением ХЕэ э ХЕэ э ХЕэ,э ХЕ' э Р = — + + — сох 2(ьээС вЂ” )г,г) + — сох 2(ьээС вЂ” )гэг)+ 2 2 2 2 (5.60) + ХЖпэЕпэсоз((ьээ + ыэ)С ()гэ +)гэ)гэ+ ХЕаэЖеэсозэ(ьээ ьээ)С ()гэ )гэ)э. Еэ(т, С) = Е,„э сох[(ьээ + ьэДС вЂ” )гэгов, Е (т, С) = Е 4 соз((ьээ — ээээ)С вЂ” )гэг). (5.61) Эти волны получают энергию от исходных волн с частотами ьээ и ьээ через волны поляризации. Для того чтобы передача энергии от волн поляризации к волнам (5.61) с комбинационными частотами не нарушалась прн распространении излучения в среде необходимо, чтобы сохранялись неизменными фазовые соотношения между волнами поляризации и соответствующими волнами излучения с комбинационными частотами.

Сравнивая последние слагаемые в выражении (5.60) с соотношениями (5.61), приходим к заключению, что фазовые соотношснэш будут неизменными при выполнении условий (5.62) )гэ = кэ+)гэ, (г„=)г, — )гэ. Эти выражения называются условиями синхронизма. Прп выполнении первого пз условий (5.62) по мере распространения волн в среде будет увеличиваться амплитуда суммарной комбинационной волны. Выполнение второго условия (5.62) обеспечивает рост амплитуды разиостной комбинационной волны. На практике из-за дисперсии саста сдвиг Два последних слагаемых в этом выражении описывают волны поляризации, имеющие комбинационные частоты ьээ + ьээ и ьээ — ьээ.

Эти две компоненты поляризации подоб- но перемещающимся в пространстве антеннам порождают электромагнитные волны с частотами ьээ+ ьээ и ьээ — ьээ, которые можно записать в виде 129 5.14. Умножение частоты фаз между волнами поляризации и порождаемыми нми волнами излучения сохраняется лишь на ограниченных расстояниях.

Если волны проходят большее расстояние, то вследствие прогрессирующего нарушения оптимальных фазовых соотношений передача энергии от исходных волн с частотами м, и ы, к волнам излучения на комбинационных частотах ык, ~ ы, сначала ухудшается, а затем начинает осуществляться в обратном направлении.

Следовательно, для того чтобы волны с комбинационными частотами могли получить как можно больше энергии от исходных волн, необходимо обеспечить выполнение условия синхронизма на больших расстояниях, Это удается сделать, например, в двулучепреломляюших кристаллах. Благодаря этому преобразование частоты в оптическом диапазоне осуществляется почти так же просто, как на радиочасготах. 5.14.

Умножение частоты Умножением частоты называется преобразование электрических колебаний, имеющее целью получение новых колебаний, частота которых в целое число раз выше частоты исходных. Умножение частоты осуществляется с помощью нелинейных элементов.

Характеристики

Список файлов книги