المتلقي الفائق - Superheterodyne Receiver

تعمل مستقبلات (Superheterodyne) على تقليل تردد الإشارة الذي يتم خلطه في إشارة من مذبذب محلي لإنتاج التردد المتوسط ​​(IF)، كما تتمتع مستقبلات (Superheterodyne) بأداء أفضل لأنّ المكونات يمكن تحسينها للعمل بتردد متوسط ​​واحد، ويمكنها الاستفادة من الانتقائية الحسابية.

ما هو Superheterodyne؟

كلمة (heterodyne): هي مزج الترددات معاً لإنتاج تردد نبضي أي الفرق بين الاثنين، وتضمين السعة هو عملية غير متجانسة بحيث يتم خلط إشارة المعلومات مع الموجة الحاملة لإنتاج النطاقات الجانبية، كما تحدث النطاقات الجانبية بدقة عند مجموع ترددات الموجة الحاملة والمعلومات وفرقها، وهذه هي ترددات النبض وعادةً ما يرتبط تردد النبض بالنطاق الجانبي السفلي، والفرق بين الاثنين.

(super heterodyne): هو إنشاء تردد ضربات أقل من الإشارة الأصلية بحيث يقوم بالخلط عن قصد بتردد آخر في المستقبل، وذلك لتقليل تردد الإشارة قبل المعالجة.

تاريخ جهاز الاستقبال Superheterodyne:

لا يزال جهاز الاستقبال المتغاير الفائق أكثر أجهزة استقبال الميكروويف شيوعاً، وقد تم اختراعه أثناء الحرب العظمى وبعدها مباشرة وحصل على براءة اختراع في عام 1918م من قبل المهندس إدوين أرمسترونج في القرن العشرين.

مكونات جهاز الاستقبال Superheterodyne:

1. مرشح محدد (Preselector filter).
   
2. المحدد أي واقي جهاز الاستقبال (Limiter – receiver protector).
   
3. المخفف القابل للتحويل (Switchable attenuator).
   
4. مضخم صوت منخفض الضوضاء (Low noise amplifier).
   
5. مرشح رفض الصورة (Image rejection filter).
   
6. خلاط (Mixer).
   
7. مرشح التنظيف (Clean-up filter).
   
8. وسادات ثابتة (Fixed pads).
   
9. تيار التردد المتوسط (IF amp).
   
10. مذبذب التيار المحلي (LO amp).
    

مزايا جهاز الاستقبال Superheterodyne:

1. إنًه يقلل الإشارة من مصادر عالية التردد حيث لا تعمل المكونات العادية كما هو الحال في مستقبل الرادار.
   
2. يسمح للعديد من المكونات بالعمل بتردد ثابت وبالتالي يمكن تحسينها أو جعلها أقل تكلفة.
   
3. يمكن استخدامه لتحسين عزل الإشارة عن طريق الانتقائية الحسابية.
   
4. يقل التردد إلى تردد أقل، كما يمكن استخدام مكونات التردد المنخفض وبشكل عام تتناسب التكلفة مع التردد ويُعد كسب التردد اللاسلكي عند (40 جيجاهرتز) مكلفاً إذا كان الكسب عند (1 جيجاهرتز) رخيصاً مثل الأوساخ.
   
5. الحساسية الفائقة حيث يُعد تصفية الإشارات غير المرغوب فيها في (IF) مهمة أسهل بكثير من ترشيحها عند التردد اللاسلكي، لأنّ عرض النطاق الترددي المطلوب يكون أعلى بكثير بعد اختلاط الإشارة.
   
6. يمكن تصميم العديد من المكونات لتردد ثابت وحتى مشاركتها بين تصميمات أجهزة الاستقبال المختلفة، وهو أسهل وأرخص من تصميم مكونات النطاق العريض.
   

مراحل عمل جهاز الاستقبال Superheterodyne:

توجد بعض المكونات الرئيسية داخل تصميم الترددات الراديوية لمستقبل (Superheterodyne) الأساسي، وعلى الرغم من إمكانية صنع مستقبلات أكثر تعقيداً، إلّا أنّ التصميم الأساسي لدائرة التردد الراديوي يستخدم على نطاق واسع كما يمكن أن تضيف الكتل الإضافية أداءً محسناً أو وظائف إضافية ومن السهل عادةً تحديد تشغيلها داخل جهاز الاستقبال بالكامل بمجرد فهم مخطط عمل المستقبل ومراحل العمل الأساسية:

1. ضبط وتضخيم التردد الراديوي:

توفر مرحلة التردد الراديوي هذه ضمن مخطط الكتلة الكلي للمستقبل ضبطاً أولياً لإزالة إشارة الصورة، كما أنّه يوفر بعض التضخيم، وهناك العديد من الأساليب المختلفة المستخدمة في تصميم دائرة التردد الراديوي لهذه الكتلة التي تعتمد على تطبيقها، كما يقدم تصميم دائرة التردد اللاسلكي بعض التحديات وقد تحتوي أجهزة الراديو منخفضة التكلفة على دائرة خلط تضخيم تعطي بعض تضخيم التردد اللاسلكي.

قد لا ترغب أجهزة الراديو عالية التردد في كسب الكثير من الترددات الراديوية لأنّ بعض الإشارات القوية جداً المستقبلة قد تفرط في تحميل المراحل اللاحقة، وقد يتضمن تصميم (RF) بعض التضخيم بالإضافة إلى توهين التردد اللاسلكي للتغلب على هذه المشكلة، كما تميل أجهزة الراديو الخاصة بالموجات المترية (VHF) وما فوقها إلى استخدام مزيد من الكسب للحصول على رقم ضوضاء منخفض بدرجة كافية لاستقبال الإشارة.

وإذا كان أداء الضوضاء للمستقبل مهماً فسيتم تصميم هذه المرحلة لتحقيق الأداء الأمثل للضوضاء، كما ستعمل كتلة دارة مضخم التردد اللاسلكي هذه أيضاً على زيادة مستوى الإشارة بحيث تكون الضوضاء الناتجة عن المراحل اللاحقة عند مستوى أقل مقارنة بالإشارة المطلوبة، وستحتاج جميع أجهزة الراديو إلى مستوى عالٍ بدرجة كافية من رفض الصورة حيث يتم توفير ذلك من خلال ضبط التردد اللاسلكي، كما تعمل ترددات (IF) العالية على تمكين ضبط التردد اللاسلكي ليكون أكثر فعالية مع زيادة الفرق بين الإشارة المطلوبة والصورة.

2. مذبذب محلي – Local Oscillator:

يمكن أن تتخذ دارة المذبذب المحلية داخل الراديو الفائق مجموعة متنوعة من الأشكال بحيث استخدمت أجهزة الاستقبال المبكرة مذبذبات محلية تعمل مجاناً حيث كانت هناك درجة كبيرة من الخبرة في تصميم دوائر التردد اللاسلكي المستخدمة مع هذه المذبذبات في أجهزة الراديو الفائقة الأداء لضمان أقل انجراف ممكن من ملفات (Q) عالية وتكوينات دائرة الانجراف المنخفض وإدارة الحرارة لأنّ الحرارة تسبب الانجراف.

تُستخدم معظم المستقبلات اليوم واحداً أو أكثر من مجموعة متنوعة من أجهزة توليف التردد، ويكون الأسلوب الأكثر شيوعاً في تصميم دارة الترددات الراديوية هو استخدام نهج الحلقة المغلقة الطور، كما تُستخدم أجهزة توليف أحادية ومتعددة الحلقات اعتماداً على المتطلبات والأداء والتكلفة، كما يتم استخدام أجهزة التوليف الرقمية المباشرة بشكل متزايد، ومهما كان شكل المركّب المستخدم في تصميم الترددات الراديوية، فإنّها توفر مستويات أعلى بكثير من الاستقرار.

ولتتمكن من برمجة الترددات رقمياً بعدة طرق يتم عادةً استخدام شكل من أشكال وحدة التحكم الدقيقة أو نظام المعالجات الدقيقة، إنّها أكثر تعقيداً من مذبذبات التردد المتغير الأقدم وتتطلب العديد من المكونات الإلكترونية، ولكنّها توفر مستوى أداء أعلى بكثير.

3. الخلاط:

يمكن أن يكون الخلاط أحد العناصر الأساسية في تصميم التردد اللاسلكي الشامل لجهاز الاستقبال، من المهم بشكل خاص التأكد من تطابق أداء الخلاط مع أداء باقي الراديو، ويدخل كل من المذبذب المحلي والإشارة الواردة هذه الكتلة داخل مستقبل المتغاير الفائق حيث يتم تحويل الإشارة المطلوبة إلى التردد المتوسط، كما يتطلب التنفيذ الفعلي إنشاء الحد الأدنى من الإشارات الهامشية.

في بعض أجهزة استقبال البث منخفضة التكلفة للغاية، يمكن استخدام الخلاطات ذاتية التذبذب التي توفر تضخيم التردد اللاسلكي من ترانزستور واحد وبعض المكونات الإلكترونية الأخرى، أمّا بالنسبة لراديو عالي الأداء يُستخدم في الاتصالات اللاسلكية ثنائية الاتجاه، كما يتطلب أداء أفضل بكثير، ولتحقيق هذا الخلاط يمكن رؤية دوائر مثل الخلاطات المتوازنة والخلاطات المزدوجة المتوازنة وما شابه.

4. مضخم ومرشح IF:

توفر دارة مستقبل (Superheterodyne) هذه غالبية الكسب والانتقائية، ومراحل (IF) هي المكان الذي يتم فيه توفير المكسب الرئيسي، كونها ثابتة في التردد ومن الأسهل بكثير تحقيق مستويات عالية من الكسب والأداء العام، وربما تضمنت مرحلة (IF) عدداً من الترانزستورات المختلفة أو (FETs) أو الصمامات الحرارية أو الأنابيب المفرغة والمكونات الإلكترونية الأخرى.

ولكن في الوقت الحاضر من الممكن الحصول على دوائر متكاملة تحتوي على شريط (IF) كامل، كما توفر كتلة دارة الراديو هذه انتقائية القناة المجاورة ممّا يمكن استخدام المرشحات عالية الأداء مثل مرشحات الكريستال، وعلى الرغم من أنّه يمكن استخدام مرشحات (LC) أو السيراميك داخل أجهزة الراديو المحلية، كما يعتمد نوع المرشح على تصميم الراديو اللاسلكي وتطبيقه.

أيضاً في إطار فائق متعدد التحويل، قد يكون (IF) على عدد من الترددات المختلفة وعادةً ما تكون المراحل السابقة بترددات أعلى لتوفير مستويات أعلى من رفض الصورة، وترددات لاحقة عند ترددات منخفضة لتوفير الكسب وانتقائية القناة المجاورة.

5. مزيل التضمين:

لا يُظهر الرسم التخطيطي لكتلة المستقبل (Superheterodyne) المتجانسة سوى مزيل تضمين واحد، ولكن في الواقع قد تحتوي العديد من تصميمات الترددات الراديوية على واحد أو أكثر من مزيلات التضمين بحيث يعتمد على نوع الإشارات التي يتم استقبالها، وقد تحتاج أجهزة الراديو المستخدمة في تطبيقات الاتصالات الراديوية الاحترافية والمراقبة إلى القدرة على إزالة تضمين مجموعة متنوعة من مخططات التشكيل وأشكال الموجات.

يتطلب ذلك عدداً من أجهزة إزالة التضمين المختلفة التي يمكن تبديلها حسب الحاجة لها، وحتى العديد من أجهزة الراديو الإذاعية ستحتوي على (AM وFM)، لكن أجهزة الراديو الاحترافية المستخدمة للمراقبة والاتصالات اللاسلكية ثنائية الاتجاه قد تتطلب تنوعاً أكبر في بعض الحالات، إنّ وجود مجموعة متنوعة من أجهزة إزالة التضمين سيمكن من استقبال العديد من أوضاع الإشارة المختلفة ويزيد من قدرة الراديو.

6. التحكم التلقائي في الكسب – AGC:

تم دمج التحكم التلقائي في الكسب في معظم الرسوم البيانية للكتل الراديوية الفائقة، كما تتمثل وظيفة كتلة الدائرة هذه في تقليل كسب الإشارات القوية بحيث يتم الحفاظ على مستوى الصوت لأشكال التعديل الحساسة للسعة وكذلك لمنع التحميل الزائد، وعلى الرغم من أنّ المفهوم الأساسي هو نفسه من خلال جميع تصميمات الدوائر اللاسلكية، إلّا أنّ هناك بعض الاختلافات في التنفيذ.

بعض الاختلافات الرئيسية هي ثابت الوقت لنظام (AGC) أمّا بالنسبة لـ(AM) وما شابهها فإنّ ثابت الوقت البطيء نسبياً مقبول وبالنسبة إلى (SSB) يلزم وجود ثابت زمني أقصر بحيث يتم اتباع غلاف إشارة (SSB)، وهناك اختلافات في طريقة اشتقاق جهد (AGC) ومكان تطبيقه، غالباً ما يتم تطبيقه على كتل دائرة (IF) أولاً ثم على كتلة دائرة (RF) وبهذه الطريقة يتم الحفاظ على أفضل إشارة إلى نسبة الضوضاء، كما يُسهل تطبيق (AGC) نسبياً حيث يحتوي على مكونات إلكترونية قليلة نسبياً.

7. مضخم الصوت:

بمجرد إعادة تشكيله، يتم تطبيق الصوت المسترد على كتلة مضخم الصوت ليتم تضخيمه إلى المستوى المطلوب لمكبرات الصوت أو سماعات الرأس، وبدلاً من ذلك يمكن استخدام التضمين المستعاد للتطبيقات الأخرى حيث تتم معالجته بالطريقة المطلوبة بواسطة كتلة دارة معينة.

إنّ كتلة الدائرة هذه داخل راديو (Superheterodyne) هي الأكثر وضوحًا وبالنسبة للعديد من التطبيقات، سيشمل مضخم الصوت بعض التصميم المباشر للدائرة الإلكترونية، خاصةً إذا تم تطبيق الصوت على سماعات رأس بسيطة أو مكبر صوت وبالنسبة لتطبيقات الاتصالات الراديوية ثنائية الاتجاه، وقد يلزم أن يقتصر عرض النطاق الترددي الصوتي على عرض نطاق الاتصالات الذي يتراوح من (300 هرتز إلى 3.3 كيلو هرتز)، كما يمكن استخدام مرشحات الصوت أيضاً.