超外差式接收机
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7.3 教學活動
7.3.1 超外差式接收機
1.下圖為超外差式接收機(Superheterodyne Receiver)的方塊圖
其原理是將接收到射頻號與本地振盪電路進行混波以產生較低頻的中頻信號，中頻信號經過放大後再進行檢波以還原原始信號，最後經聲頻放大以推動喇叭。超外差式接收將射頻轉換成中頻，主要是因為高頻放大不易且增益有限。因此，中頻放大電路的增益關係著接收機大部份的增益，而且關係著接收機的選擇性。
2.超外差式接收機的結構中輸入電路是作天線與射頻電間的阻抗匹配以及選頻工作。射頻(RF)放大器並非是必須的，但有射頻放大器者接收性能表現亦較佳。RF放大器通常是寬頻放大器。接收信號經過輸入電路及RF放大器選頻及放大後與本地振盪器輸出進行混波，混波電路可利用一些非線性電路（例如C類放大器）產生和、差以及原信號。這些信號進入極窄頻的中頻放大器（例如A類放大器），使得中頻級的差信號得以進入及放大。最後，信號送入檢波器，還原出原始信號，再經聲頻放大級放大，推動喇叭。
3採用超外差接收機的通信或廣播型式有AM、FM、SSB、電視以雷達系統等，應用非常廣泛。其應用之廣，主因是其中頻放大器是窄頻功能放大器，可有效排除非中頻信號，即進一步排除了其它電台的干擾，此優點是超外差式接收機一項重要的優點。
7.3.2 假像頻率
1.大部份的接收機，其本地振盪電路的輸出頻率都是遠高於所接收的RF信號頻率，且其值 fo=fRF+fIF，其中fo為本地振盪電路輸出頻率，fRF為射頻信號頻率，fIF、為中頻信號頻率。因此，當fo與fRF混波後產生的差頻 fo-fRF=fIF可正確無誤地通過中頻放大電號。但若另外有一信號 fi 其頻率為 (fo+fRF) 、即 fi=fRF+2fIF經過過混波所產生差頻亦剛好等中頻 fIF ，亦會進入中頻放大器造成干擾。此干擾的信號頻率則稱之為假像頻率(Image Frequency)。 fi=fRF+2fI
2假像頻率的去除，可藉由輸入與射頻放大電號以雙調譜電路調譜於
fRF方式，有效去除。因此接收機的選擇性佳者，可排除假像頻率之干擾。而且，排除假像率的工作須在中頻放大級之前完成。
7.3.3 輸入電路
1.輸入電路的主要工作，即是在作天與RF放大電路的阻抗匹配以及選頻的工作。如下圖所示為阻抗比RF放大器輸入阻抗大時的輸入電路
若天阻抗比RF放大器阻抗低，則可利用中心抽頭的方式降低阻抗
(tap-down) ，如下圖所示
另外吾人亦可利用多個帶通濾波器(BPF)以選擇欲接收的頻帶
2.輸入電號除了作阻抗匹配外，其選頻功能可以減少假像頻率干擾，並能衰減二次輻射，即接收機天線向外輻射，的情形可以減少。另外輸入電路的調譜電路儘可能採用高Q值及高選擇性電路。
7.3.4 射頻放大電路
1射頻 (RF) 放大電路在超外差接收機中並非絕對必須者，當然，接收機有此級可以使得接收性能表現比沒有RF放大器的接收機好。然而，射頻放大技術不易、增益提升有限。因此，增加RF放大器即增加成本，然而，表現改善有限，使得有些接收機並不採用RF放大器，直接將調譜電路所選到的射頻信號與本地振盪輸出作混波。
使用RF放大器，還是有下列優點:
(1)提升增益，自然提升了接收機的靈敏度及S/N比
(2)提供接收機與天線較佳的耦合
(3)提升接收充排玉假像頻率的能力
(4)增加接收機的選擇性
(5)防止本地振盪器透過接收機天向外輻射電波。
2.RF放大電路由於處理高頻率信號，為提升S/N比，須使用低雜訊或適合高頻、高電子移動速率的元件。例如石電化鎵(GaAs)製成的FET等。
3.下圖為一單調譜的RF放大器電路例
下圖則為雙閘極MOS FET所組成的RF放大器
由於MOSFET的回授電容量較低、故適合作較高頻如VHF以上信號之射頻放大器之主動元件。雙閘替可提供接收信號之輸入以及自動增益控制 (AGC)
控制信號之輸入。
7.3.5 變頻器 (混波器)
1.變頻電路在超外差式接收機中的主要作用是將射頻信號轉換成中頻
(IF)信號，以便將信號作適當之放大之用。其原理是將RF信號與可調的本地振盪信號共同輸入非性裝置或電號以產生原來頻率信號，雨頻率和信號，兩頻率差信號以及其高次譜波，再利濾波器取出較低頻的差頻信號(即IF信號)，排除其它頻率信號，完成所謂變頻工作。
2.若混波電號與本地振盪電路不共同使用同一電晶體者稱之為他激式變頻。若共用同一電晶體者，則稱之為自激式變頻法。且依本地振盪信號的注入位置，可分為(1)基(閘)替注入式(2)集(吸)極注入式，以及(3)射(源)極注入式三種。再者，依據所使用的元件不同，混波電路又可分成下列幾種:
(1)利用二極體法、如下圖
(2)利用電晶體或 FET 組成的非線性電路，如下圖
其中本地振盪信號是由L4與L5所組成M耦合提供給二極體的。本電路適合MF至SHF頻帶接收機之用。
(3)利用電晶體或 FET 組成的平衡調變器，如下圖
(4)利用二極體組成的雙平衡調變器 (DBM)，如下圖
7.3.6 中頻 (IF) 放大電路與中頻頻率的選擇
1.由於射頻放大不易，因此中頻 (IF) 放大電路決定了整個接收機大部份的增益，靈敏度以及頻率選擇性。通常中頻放大電路不只一級以其能獲得更高增益以及接收靈敏度。而且若採用 FET 或IC作成的放大電路則採用雙調諧較為常見，雙極性接面電晶體(Bipolar Transistor) 作成的 IF 放大電路則以單調諧為多。通常雙調諧電路即輸入與輸出部份皆裝置有調諧電路，其排除相鄰頻率干擾之能力遠比單調諧電路佳，但是相對地，也會影響增益的下降。 下圖所示為一中頻放大器例
2.中頻頻率之選擇必須採用折衰方式，既不可定太高，以防放大不易，選擇性，靈敏度下降且易發生鄰近頻道干擾，但若將中頻定太低則接收機無法有效排除假像頻率且選擇性太高導致旁波帶不易通過濾波器衛生信號失真的問題。中頻定太低，接收機無法排除假像頻率的理由是，假像頻率 fI ，其值 為
fI = fRF +2fIF
若fIF值太低，造成假像頻率fI會仍在整個通訊或廣播頻帶上的機率大增，而干擾的機會即隨之增加了。
3.中頻頻率的選定，經多年的演進，可說是經在世界各地標準化了。其AM信號的中頻頻率為455KHz FM信號則為10.7Hz，SSB的中頻則是介於1.6至2.3MHz或者在30MHz以上；使用VHF波段的電視信號以及UHF波段的電視信號所使用的中頻則是判於26至46MHz之間。
