Билет №1. Вопрос №2.

Несмотря на то, что умножение частоты колебаний может быть осу­ществлено с помощью любых нелинейных элементов, до недавнего времени в качестве нелинейных элементов часто использовали диоды с нели­нейной емкостью р-n перехода: варакторы и диоды с накоплением заряда (ДНЗ). Эти УЧ отличаются достаточно вы­сокой эффективностью преобразования мощности, надежностью, не­большими габаритами и массой, работоспособностью на частотах вплоть до субмиллиметровых и малой потребляемой мощностью. Современные же тенденции таковы, что приоритет начинают отдавать следующим решениям:

- на диодах, включая р-i-n диоды с коротким временем переключения и диоды Шотки;

- на активных (усиливающих) четырехполюсниках, включая кремниевые и GаАs ИС, обеспечивающие в режиме насыщения широкий спектр гармоник, а также традиционные - на биполярных и GaАs транзисторах;

- на монолитных кремниевых ИС, представляющих собой двухбалансный активный смеситель.

Несмотря на схемные решения, всякое преобразование частоты (в том числе и умножение) сопро­вождается появлением в спектре выходных колебаний, помимо рабо­чей частоты, паразитных гармонических составляющих. Поэтому на выходе УЧ необходимо установить фильтр, обес­печивающий выделение колебаний рабочей частоты и подавление па­разитных гармоник. У диодных УЧ на входе умно­жителя также должен быть установлен фильтр, пропускающий коле­бание входной частоты и препятствующий проникновению на вход выходных колебаний. Оптимальная передача мощности источника колебаний ко входу умножителя и с его выхода к нагрузке обеспечи­вается соответствующим согласованием полного сопротивления диода с источником мощности на входе и нагрузкой на выходе соответствен­но. Таким образом, каждый умножитель на диоде с нелинейной емко­стью должен содержать фильтрующие и согласующие цепи на входе и выходе.

Рисунок 1 – Структурная схема умно­жителя частоты параллельного типа

По виду соединения диода со входными и выходными цепями раз­личают УЧ параллельного и последовательного типа. На рис.1 представлена структурная схема умножителя параллельного типа, где СУ1, Ф1 и СУn, Фn − согласующие и фильтрующие цепи на входе и выходе соответст­венно. В умножителях, построен­ных по этой схеме, облегчен теплоотвод от диода, поскольку один из электродов диода может быть сое­динен с корпусом. Это делает пред­почтительным применение умножи­телей частоты параллельного типа в мощных выходных каскадах пере­датчиков.

Особенностью умножителей параллельного типа является преоб­разование частот за счет нелинейности вольт-кулоновой характерис­тики емкости р-n перехода. Поэтому фильтрующие цепи умножителя должны обеспечить прохождение через диод только двух гармоник тока и выделение из спектра колебаний необходимой гармоники.

Применение р-i-n диодов является хорошей альтернативой варакторам и ДНЗ. Варакторы хотя и позволяют получить весьма эффективное умножение, являются достаточно дорогостоящими. Здесь стоит обратить внимание, что для повышения мощности выходных колебаний стоит использовать комбинированные диоды. Недостатками этих умножителей является некоторое усложнение схемы (особенно балансного умножителя), умножение лишь в нечетное число раз (ум­ножители на встречно включенных диодах) или в четное (балансная схема), а также повышенные требования к идентичности параметров применяемых дио­дов.

Стоит обратить внимание, что у р-i-n диодов наблюдается снижение эффективности умножения на более высокой частоте, вызваемое довольно продолжительным временем переключения р-i-n диода (порядка 7 нс), что явно недостаточно для формирования эффективного крутого фронта, определяющего уровни гармоник. Поэтому умножение с выходной частотой более 5 ГГц таким образом оказывается уже мало эффективным. В таких случаях следует отдать предпочтение умножению на смесительных диодах Шотки. К достоинствам таких умножителей следует отнести широкие полосы частот и устойчивость, а главными недостатками таких умножителей является их низкая эффективность и быстрая скорость уменьшения уровня гармоник с ростом их номера, а также малый уровень выходной мощности (из-за очевидных ограничений по пробивному напряжению). Поэтому на диодах Шотки чаще строятся удвоители и утроители частоты.

Рисунок 8 Рисунок 9

Как и в случае р-i-n диодных умножителей, возможны одно и двухдиодные (рис.1) схемы включения. Двухдиодная схема позволяет получить более высокий уровень выходной мощности. Схема на рис.1.б может быть использована для умножения на 3. Для умножения на 2 наиболее подходящими линиями передачи являются волновод (рис.8). Такие конфигурации широко используются в миллиметровом диапазоне. В микрополосковых устройствах аналогичная схема возбуждения диодов достигается, например, при использовании кольцевого моста (рис.9). Как видно и рисунка, диоды отнесены от фильтров входной частоты на 1/8 длины волны, что обеспечивает закорачивание анодов по удвоенной частоте, и наоборот, катоды диодов отнесены от фильтра двойной частоты (выходной) на восьмую часть длины волны, что обеспечивает их закорачивание на основной частоте. В отличие от волноводной конфигурации, обеспечивающей полосы чуть ли ни во всем диапазоне работы волновода, такая микрополосковая схема принципиально резонансная и, следовательно, достаточно узкополосная. Типовые значения потерь в диодных умножителях частоты могут колебаться от 8 до 12 дБ.

Умножители частоты на интегральных схемах основываются на использовании семейства монолитных кремниевых и GаАs 50-Омных интегральных схем - усилителей, работающих в режимах сильного насыщения.

Выходной спектр любого усилителя содержит, помимо основной, множество гармонических составляющих. Если создать условия для получения максимальной амплитуды гармоник на выходе ИМС, то устройство превратится в генератор гармоник или умножитель частоты. В случае генератора гармоник используется весь спектр гармоник; для умножения частоты используется фильтр, устанавливаемый обычно на выходе ИМС и выделяющий нужную гармонику. Наиболее эффективное умножение частоты осуществляется в тех случаях, когда выходной сигнал оказывается в пределах 3-дБ полосы усилителя.

Поскольку технология применяемых ИС основана на использовании биполярных с граничной частотой 25 ГГц или полевых с граничной частотой более 60 ГГц транзисторных структур, то в режиме насыщения ИС способны обеспечивать весьма широкий спектр медленно затухающих гармоник.

Главным достоинством использования ИС в качестве генераторов гармоник является, во-первых, то что ИС являются, как правило, потенциально устойчивыми и согласованными на 50 Ом, а, следовательно, отпадает ряд проблем, свойственных аналогичным умножителям на дискретных транзисторах, во-вторых, ИС обладают высоким коэффициентом усиления, по крайней мере, по входной частоте, что обеспечивает глубокий режим насыщения, необходимый для эффективной генерации гармоник и высоким коэффициентом усиления (более 3-5). Последне является весьма актуальным в некоторых случаях, так как диодные и транзисторные умножители обладают обычно коэффициентом умножения не выше 5, что связано с необходимостью обеспечения требуемой выходной мощности, кпд и полосы пропускания.

Еще один вариант построения умножителей на ИМС - применение ИМС балансных смесителей. Основными преимуществами удвоителей частоты на смесителях является простота реализации и фильтрации. Такие достоинства этих умножителей безусловно делают их наиболее дешевыми в сравнении с рассмотренными ранее. К недостаткам таких удвоителей относится, прежде всего, большой уровень амплитудного шума (коэффициент шума самой ИС в режиме смесителя составляет 16 дБ), а также большое потребление от источника питания.