Radio a conversione di frequenza

Nelle radio a conversione di frequenza, l'onda radio modulata captata dall'antenna viene dapprima amplificata, ma non sempre è necessario, poi,  dopo essere stata sintonizzata,  viene mescolata con un'onda a radio frequenza non modulata e prodotta dal ricevitore (oscillatore locale) .
Si fa in modo che la differenza in Hz fra l'onda radio sintonizzata e la radio onda prodotta dall'oscillatore locale sia sempre pari ad un valore fisso (media frequenza) di solito compresa fra i 400 ed i 500 KHz.

All'ingresso del miscelatore abbiamo dunque l'onda sintonizzata ad alta frequenza e l'onda ad alta frequenza prodotta dall'oscillatore locale; all'uscita invece  incontriamo varie frequenze fra cui  la loro differenza ed altre armoniche  che vengono fatte passare attraverso un filtro; la così detta "media frequenza" .
Poiché il filtro è tarato sulla media frequenza passerà solo l'onda avente la frequenza differenza pari appunto alla media frequenza.
Un sistema di questo tipo permette di ottenere sempre un' onda modulata di frequenza pari alla media frequenza qualunque sia la frequenza dell'onda radio modulata captata dall'antenna.

Fra le radio a conversione di frequenza ricordiamo:


  1. l'eterodina;
  2. la supereterodina;
  3. l' ultradina;
  4. l'omodina.


eterodina

 

L'eterodina è quel circuito preposto all'eterodinaggio cioè a quella tecnica di rivelazione dei segnali (omodina) oppure di conversione della loro frequenza (supereterodina, ultradina...) consistente nel far interferire il segnale sintonizzato con la frequenza nota di un oscillatore locale in modo da ottenere un terzo segnale la cui frequenza è pari alla differenza oppure alla somma fra le frequenze dei due segnali primari.

 

Supereterodina

fig.1
fig.1

Nella fig.1  è mostrato il funzionamento della supereterodina.

supponiamo che il segnale in arrivo abbia una frequenza di 1.000KHz e che il segnale prodotto dall'oscillatore ne abbia invece una di 1.450 KHz.

La differenza fra le due frequenze è di 450 KHz; i due segnali di differente frequenza vengono iniettati come indicato in fig.2.

Questa differenza di 450 KHz, che  rappresenta la media frequenza Mf, rimane fissa qualunque sia la frequenza dell'onda sintonizzata; infatti nel mentre sintonizzo un' onda di frequenza Fa (frequenza in arrivo) predispongo la frequenza FOL (frequenza dell'oscillatore locale)  al valore Fa + Mf.

fig.2
fig.2

Il segnale non modulato  VOL  di frequenza FOL viene iniettato tramite l'induttanza L5 nella griglia del triodo mescolatore, anche il segnale Va di frequenza Fa viene iniettato nella stessa griglia; ciò provoca dei fastidiosi accoppiamenti; infatti il circuito di entrambi i segnali si chiude a terra tramite la stessa capacita Cgk del triodo mescolatore; insomma agendo sul condensatore variabile del triodo mescolatore si provoca uno slittamento della frequenza dell'oscillatore locale che va quindi riportata al suo valore originario.

Così facendo però si ha uno slittamento di frequenza nel circuito del segnale in arrivo  e così di seguito; insomma,  agendo un po su un condensatore un po su l'altro si ottengono i giusti valori delle frequenze (i due condensatori sono indipendenti).

Il problema si riduce se i due segnali vengono iniettati su griglie diverse (dovrei avere nel tubo del mescolatore due griglie), anche in questo caso però avrei degli accoppiamenti dovuti alla capacita interelettrolitica fra le due griglie problema che verrebbe ulteriormente ridotto ponendo una griglia schermo fra le due che ridurrebbe notevolmente la capacità interelettrolitica.

Da  questi ragionamenti sono  nati i tubi elettronici appositamente studiati per operare la conversione di frequenza; tali tubi contenendo in se sia l'oscillatore (triodo) che il mescolatore (primo rivelatore) che può essere un tetrodo o un pentodo.

I due segnali  Va e  VOL  trovandosi sulla griglia del triodo mescolatore vengono amplificati e si trovano sulla placca (diagramma C di fig.1) dello stesso.

Come si arriva  alla rettifica del battimento (diagramma D di fig.1)?

per rispondere a questa domanda bisogna supporre che la caratteristica del tubo convertitore sia parabolica ossia che ia = avg + bvg2 dove vg è pari a:

vg=  VOL senωOLt + Va senωat;

sostituendo tale espressione nella precedente equazione si ottiene:

ia= aVOL senωOLt + aVasenωat +b VOL2sen2ωOLt + bVa2sen2ωat + bVOLVaCos( ωOLa)-bVOL Vacos(ωOL + ωa)t.

Da questa espressione si osserva che la corrente ha le seguenti frequenze :

FOL, Fa, 2FOL, 2FaFOL-FaFOL+Fa.

Il filtro di media frequenza mi farà passare solo FOL-Fa cioè la media frequenza.

Una volta ottenuta la media frequenza modulata con la stessa modulazione del segnale in arrivo questa va amplificata e poi rivelata per ottenere l'audio frequenza.

Per capire perché la media frequenza mantenga la stessa modulazione del segnale in arrivo, facciamo il seguente esempio:

Supponiamo di avere una portante di 1.000KHz modulata a 2.000Hz e di avere una media frequenza di 450KHz, potrò scrivere:

tensione in arrivo                tensione locale        tensione di battimento
1002 KHz onda laterale  1450 KHz  448 KHz onda laterale
1000 KHz portante  1450 KHz  450 KHz portante
998 KHz onda laterale  1450 KHz  452 KHz onda laterale

Dall'esame della tabella notiamo che la tensione di battimento è ancora modulata a 2.000 Hz.

Agli esordi della supereterodina il valore della media frequenza era pari a 80, 100 KHz; tale valore portava però qualche complicazione dovuta alla frequenza immagine.

Infatti, nell'ipotesi che la Media frequenza sia di 100 KHz,  se il circuito d'ingresso viene per esempio sintanizzato sui 1.000 KHz è molto probabile che non vengano attenuate sufficientemente in ingresso frequenze pari a 1.200 KHz in tal modo la differenza fra la frequenza dell'oscillatore locale 1.100 e la frequenza non voluta di 1.200 KHz sarebbe di 100 KHz pari alla   frequenza intermedia; Sullo stesso punto della scala parlante mi troverei pertanto due stazioni interferenti ( con frequenze di portante distanti fra loro del doppio della media frequenza).

Aumentando la frequenza intermedia a valori di 400,500 KHz il rischio suddetto è molto meno probabile.

Un'altro modo per ridurre il problema della frequenza immagine è quello di rendere molto acuta la sintonia d'ingresso.

Negli esempi finora fatti abbiamo visto che la frequenza dell'oscillazione prodotta dall'oscillatore locale è sempre maggiore  di quella dell'onda sintonizzata; cosa cambia se succede invece il contrario?

dal punto di vista teorico non dovrebbe cambiare nulla ma dal punto di vista pratico nascerebbero alcuni problemi che possiamo verificare dall'osservazione della seguente tabella dove si è ipotizzata una Fm pari a 400 KHz :

segnale in arrivo              segnale oscillatore locale
Fa                                             Fa+ Fm  Fa-Fm

Famax= 1.500 KHz

Famin= 500KHz

FOLmax= 1.900KHz             

FOLmin = 900KHz

FOLmax= 1.100KHz

FOLmin = 100KHz

Famax/Famin= 3 FOLmax/FOLmin= 2,11 FOLmax/FOLmin= 11
Camax/Camin= 9 COLmax/COLmin= 4,5 COLmax/COLmin= 121

Si osserva che se la frequenza dell'oscillatore locale è maggiore di quella in arrivo il campo entro cui occorre regolare FOL e COL è più ristretto di quello in cui è regolata Fa e Ca il contrario avviene se la frequenza dell'oscillatore locale è minore.

Il primo vantaggio derivante dall'avere una frequenza dell' oscillatore locale maggiore è quello di avere induttanze e capacità più piccole;  un secondo vantaggio, che poi è il vantaggio principale,  è quello di avere un campo di regolazione più limitato.

Si osserva per esempio che non è possibile avere un condensatore avente un rapporto così alto come in tabella fra COLmax e COLmin.
Per quanto sopra la frequenza dell'oscillatore locale è bene sia maggiore di quella dell'onda sintonizzata cioè che sia FOL= Fa + Fm .

fig.3
fig.3

nella fig.3 è rappresentato un tubo elettronico (6A7) che assomma le funzioni di oscillatore e di mescolatore.

l'ingresso dell'oscillazione locale è sulla prima griglia, l'ingresso dell'onda sintonizzata e sulla quarta griglia, il fatto che i due segnali entrino in griglie separate, la conformazione della terza griglia che funge da anodo del triodo oscillatore e la presenza delle griglie 3 e 5 che fungono da schermo annullano gli accoppiamenti dannosi fra il circuito oscillante e il circuito di sintonia dell'onda ricevuta.

il funzionamento dello schema di figura 3 è identico a quello di fig.2 con la differenza che in questo caso il tubo è unico ed assomma le funzioni di oscillatore e di mescolatore .

Anche in questo caso si  suppone che la caratteristica del tubo convertitore sia parabolica .

Infatti si può supporre che la corrente anodica sia funzione parabolica di un potenziale globale riferito alla quarta griglia pari a:

vg= kvg1 + vg4 = kVlsenω0Lt + Vasenωat,  perciò :

ia= avg + bvg2; sostituendo in questa formula il valore di vg si ottiene un'espressione di ia che come nel caso precedente di fig.2 comprende componenti aventi le seguenti frequenze:

FOL, Fa, 2FOL, 2FaFOL-FaFOL+Fa.

Anche in questo caso Il filtro di media frequenza mi farà passare solo FOL-Fa cioè la media frequenza.

 

ultradina

fig.4
fig.4

Il  processo di funzionamento del circuito ultradina è rappresentato in fig.4.

Esso  è completamente diverso da quello illustrato in fig. 2.

La placca della valvola rivelatrice (primo rivelatore)/mescolatrice non è alimentatata dalla tensione anodica continua  ma  unicamente dalla  tensione oscillante prodotta dall'oscillatore locale.

La differenza, rispetto al sistema supereterodina, sta nel fatto che per via della tensione anodica oscillante la corrente anodica circola solo quanto la placca è positiva e pertanto essa assume la forma indicata nel  punto D di fig.4 .

Trattasi in pratica  della media frequenza.

fig.5
fig.5

Il circuito ultradina è mostrato in fig.5.

Il circuito ultradina è stato molto utilizzato con buoni risultati; l'introduzione però dei tubi a più elettrodi, che consentono l'ottenimento di risultati notevolmente migliori, ha determinato l'abbandono di tale metodo di conversione di frequenza.

omodina 

Nell' omodina , detta anche "SINCRODINA" la frequenza intermedia è pari a zero.

La frequenza dell'oscillatore locale cioè è uguale a quella della portante del segnale sintonizzato.

il segnale che si trova nella placca della mescolatrice è pertanto il segnale demodulato.

Per prelevare il segnale è sufficiente un filtro passa basso.