试论-变频管里究竟发生了什么？

直流电子管

谈到变频的原理，大家看过书的一般都是略知一二，但是通常又很少有书籍详细的解释过变频管里究竟发生了什么，现在就常用的变频电子管讨论一下变频管里发生的情况。
早期的超外差收音机，大部分使用三极管制作，那时候多极管还不够成熟，在那个年代，收音机的变频器多数由本机振荡器和混频器两部分组成，一直到1R5,6SA7这类电子管出现以后，收音机里的变频器才由一个电子管及相关线圈组成。那么看似简单的一个1A2,6A2电子管里头，究竟发生了怎样的变动？收音机是究竟如何通过变频作用将外来信号变成中频的呢？本帖试图结合一些实例和数据讨论一下变频管的工作原理。
通过查找电子管的参数可知，比如说1A2电子管，有两个跨导，一个是跨导，另一个是变频跨导。
在1A2电子管盒内附带的说明书当中，明确的写明了振荡跨导大于等于0.65mA/V，变频跨导是大于等于0.17mA/V这个参数一定的反映出了变频管的工作特点。
让我们先来讨论一下独立本振的变频器的工作情况，对于独立本振的变频器来说，比如6U1电子管，由一个电子管完成本振工作，这个电子管的工作状态就是类似于平时组装的再生式收音机的工作状态，当反馈大于一定数值的时候再生收音机里就发生了振荡。常见的外差式收音机里本振部分的电路和再生式收音机一样，几乎没有区别，只是没有天线线圈而已。
那么混频作用又是如何发生的呢？在混频器当中，其计算公式适用于三角函数乘法计算，也就是混频器符合乘法器的原理，基础就是混频器其中的两路信号是相乘关系。具体来说，对于电子管和晶体管混频器来说，通常有一种变跨导分析方法。下面我们结合变跨导分析方法分析一下其中的原理。通常对于混频管而言，其本振电压输入幅度一般大大高于外来信号电压的输入幅度。在一般电子管当中，其跨导和管电流有关，例如当一个五极管的帘栅电压下降的时候，管电流随之下降，那么对于控制栅极的跨导来说，也由于管电流的下降随之下降。也就是说，当我们改变两个栅极中一个栅极的电压的时候，或者在一个栅极的电子管当中，改变这个电子管的栅极电压的时候，电子管管电流随之改变，而栅极的跨导也随之改变，这种非线性的特点是混频管工作的前提。当混频管，例如6U1的七极部分输入本振电压的时候，电子管的屏极电流也就随着栅极的电压的变化而随之变化，此时我们在屏极得到了一个被电子管放大的本振信号，同时，电子管管电流的变化，也反作用于电子管本身，使得6U1的第一栅极的跨导(电子管的放大能力）随着本振电流的变化而变化。此时当外来信号输入到电子管内部的时候，由于第一栅极的跨导是变化的，当此时处于本振的峰值的时候，电子管的电流变大，第一栅跨导提高，因此对外来信号的放大能力增强，当本振电压恰好为零，此时管电流中等，第一栅跨导持平，对外来信号的放大能力持平，当本振电压处于低谷，此时管电流最小，对外来信号的放大能力也最低，这就让外来信号的放大量周期的随着本振的频率而变动，时而外来信号的放大量比较高，时而比较低，那么当本振信号与外来信号同时处于峰值的时候，电子管内电流最大，输出的信号最强，当本振信号和外来信号同时处于低谷的时候，电子管内电流最小，输出信号最弱幅值最低，由于本振和外来信号频率并不相同，因此由于差拍作用，两者最高峰值的叠加，或者低谷的叠加就处于周期性变动，其周期之一就是差频，而在电子管的屏极输出的信号当中，既有和频，也有差频，也有本振和外来信号，也有各自的谐波等等。从截图丙当中可以发现，只要让电子管再发生一种屏极检波的作用，就可以从第一中频变压器取出中频信号，电子管的屏极和第一中频变压器的原边LC谐振回路就构成了屏极检波器，这样就取出了中频。
变频管就是把本振电子管和混频电子管合二为一了，例如1A2电子管有三极管部分和七极管部分，第二四栅极构成了三极管 部分的屏极，同时是七极管部分的帘栅极起到隔离作用。三极管部分同6U1的三极管部分相同，二四栅极相当于一个屏极，其电流通过反馈线圈，因此产生振荡，此时整个电子管内的电流都处于同本振一样的周期性变化过程。那么1A2的第三栅的跨导也随着电子管内的电流而周期性变化，那么对外来信号的放大能力也周期性变化，因此上面所论述的情形也在1A2内发生了。最后，在电子管的屏极和中频变压器的原边产生屏极检波作用，就取出了中频。
那么为什么变频跨导要远远小于本振跨导呢？有两个因素，首先，在1A2的内部，第一栅更加靠近灯丝，第三栅远离灯丝，放大能力肯定有一定的差距，但是为什么6U1的变频跨导也小于本振跨导呢？这就是第二个因素的作用，变频跨导实际上是中频电压比外来电压放大倍数的一个参考，中频电压实际上是由峰值叠加和波谷叠加电子管放大量变化的差值决定的，是变频管内部放大量改变的能力决定的，比起单纯的控制管电流，这个放大量的改变要小的都，而且中频只是取出了差拍后波形的单侧包络，那么这样一来中频电压比起外来信号的增益十分有限，也就是电子管的变频跨导并不高的原因，因此变频管虽然有放大能力，但是其放大能力十分有限。
而且七极管内部的热噪声本身比较大，这也就是为什么超外差收音机经常能听到变频管的特殊噪音，一种被形容为丝丝流水的声音 ，其实今天形容更类似发动机的增压器的噪音，或者涡轮发动机发出的高频噪声一样的丝丝的声音。增加外来信号的强度一定程度上能压制这种噪声，同时如果改变信号栅极和本振注频栅极的位置也能提升信噪比，6U1就是这么一种情况。
前者的方式，如果收音机用来接收短波需要较高的信噪比，或者尝试中波远程接收的话，除了采用比较优秀的天线，还有一个途径就是在有三联可变电容器或者变容二极管的情况下可以增加一个调谐高放级来增加外来信号的幅度，也能压制变频管的噪声。
通常，1A2电子管往往在短波需要制作比较好的线圈，普通线圈容易造成低端停振问题，解决方法其中一个就是将屏极回路和第二四栅极回路都通过本振反馈线圈，由于屏极和第二四栅极输出的电压当中，都有和频差频，本振外来信号和谐波成分，能不能取出其中的信号电压取决于回路的谐振情况，那么因为中频变压器和本振线圈各自的谐振频率不同，因此即便是串联在同一回路当中也不会相互干扰，也就没什么问题。可以尝试这种解决方法。
以上就是通过变跨导理论分析的变频管的工作情况，搞清楚这个原理，对外差机的制作也就更加清晰了。

电真空

找一本中国人民解放军通信兵部编写的无线电收信原理就知道了。混频管的变频跨导近似等于两个控制栅极各自跨导之和的四分之一。

直流电子管

电真空 发表于 2018-7-22 19:12
找一本中国人民解放军通信兵部编写的无线电收信原理就知道了。混频管的变频跨导近似等于两个控制栅极各自跨 ...

这也符合上边分析的原理，即两栅极引起的跨导变化在屏极中的电流取出单侧边带包络。

渔翁音乐

分析的真详细，谢谢楼主！

sha_hong

就是两个信号做乘法输出，用控制栅实现的。。。。

未成之佛

这种分析很有用啊

小徒弟下山

直流7极变频管很制太多, 为什么不考虑做独立本振呢??