Билет №12. Вопрос №2.

В передатчиках и приемниках СВЧ диапазона зачастую в качестве выходных каскадов тракта и блока гетеродина необходи­мо использовать умножители частоты (УЧ). Несмотря на то, что умножение частоты колебаний может быть осу­ществлено с помощью любых нелинейных элементов, в СВЧ диапа­зоне в качестве нелинейных элементов часто используются 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.

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.

Обычно при проектировании УЧ известны: тре­буемое значение мощности выходных колебаний Р_вых, выходная частота f_вых=nf_вх (п − коэффициент умножения, f_вх − частота входных колебаний), уровень подавления соседних гармонических составляющих, рабочая полоса частот ∆f, общие габариты конструк­ции.

По этим данным производят выбор диода с нелинейной емкостью и режима его работы, определяют коэффициент умножения одного или нескольких каскадов умножителей, тип согласующих и фильтрую­щих цепей, ориентировочно находят или задают КПД входной (η_вх) и выходной (η_вых) цепей умножителя. Далее производят энергетический расчет режима работы диода по заданной мощности колебаний выходной частоты Р_дn=Р_вых/η_вых, в результате которого определяются: коэффициент преобразования на диоде η_д=Р_д1/Р_д (где Р_д1 − мощность входного колебания на диоде), мощность колебания на входе умножителя Р_вх=Р_д1/η_вх, коэффициент преобразования умножителя η_уч= Р_вых/Р_вх=η_вхη_дη_вых, полное сопротивление диода на входной (z_вх) и выходной (z_вых) час­тотах. Затем осуществляют расчет согласующих и фильтрующих цепей умножителя. Проектирование умножителя заканчивается разработкой конструкции с требуемыми габаритными размерами.

Выбор коэффициента умножения УЧ. Коэффициент умножения УЧ определяется требуемыми значениями выходной мощности Р_вых и выходной частоты f_вых ум­ножителя, а также рабочей частотой f_у и мощностью Р_у существую­щих усилителей, предшествующих умножителю частоты. В этом случае коэффициент умножения

. (1)

Поскольку рабочий диапазон транзисторных усилителей ограничен, то существу­ет также ограничение на минимальное значение коэффициента умно­жения при фиксированной частоте f_вых. Стоит обратить внимание, что при п>3 с ростом ко­эффициента умножения КПД модуля уменьшается.

Общий коэффициент умножения при п≥4, может быть реализован в одном умножителе или в несколь­ких последовательно соединенных умножителях. Для уменьшения габаритов, конечно, предпочтительно использо­вать один умножитель. Однако в ряде случаев целесообразно исполь­зовать несколько умножителей. Это связано с тем, что использование отдельных умножителей с малым коэффициентом умножения (п≤3) позволяет получить большие значения выходных мощностей, а также существенно расширить рабочие полосы пропускания умножителей, что очень важно при работе модулей с широкополосными сигналами. Действительно, предельная полоса пропускания, которая может быть реа­лизована в однодиодных умножителях частоты, составляет

, (4)

В умножителях с малым п можно реализовать полосы пропускания, большие, чем определяемые формулой (4), если использовать в них комбинированное соединение двух диодов. Так, для балансных умножителей и умножителей со встречно-параллельным или встречно-последовательным соединением диодов

.

Кроме того, умножители с комбинированным соединением диодов позволяют увеличить мощность выходных колебаний приблизительно вдвое.

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.

Поскольку рабочая полоса частот умножителя должна быть меньше пре­дельной, то с ростом коэффициента умножения его рабочая полоса уменьша­ется. Это приводит к возрастанию требований к фильтрам частот (особенно к вы­ходному фильтру) и как следствие к усложнению их конструкции.

Необходимо также учитывать, что с ростом коэффициента умноже­ния возрастает влияние неста­бильности источника смещения, прикладываемого к диоду с нелиней­ной емкостью для фиксирования его начальной рабочей точки, на фазу выходных колебаний и их мощность. Умножители с таким свойством иногда применяются в качестве фазовых корректоров для уменьшения систематической фазо­вой ошибки или в качестве фазовращателей. При этом, если умножитель частоты используется в качестве фазовращателя, то максимальное отклонение фазы выходных колебаний |∆Ф|=180°. В этом случае, для уменьшения пределов изме­нения мощности выходных колебаний при управлении фазой колеба­ний необходимо, чтобы коэффициент умножения был максимально возможным. Однако с ростом п уменьшается коэффициент преобра­зования и растет фазовая нестабильность. Поэтому в умножителях-фазовращателях рекомендуется брать п=3...5.

Выбор диода с нелинейной емкостью и режима его работы. Диоды с нелинейной емкостью могут работать в двух основных ре­жимах: в режиме запертого р-п перехода и в режиме частичного от­пирания.

В режиме запертого р-п перехода умножение возможно на часто­тах f_вх<f_пред. Поскольку у современных варакторов f_пред дости­гает 400 ГГц и более, то в этом режиме возможно умножение любых частот, вплоть до субмиллиметровых.

В режиме частичного отпирания эффективное умножение возмож­но только в ограниченном диапазоне частот:

f_н<f_вх<f_в.

Нижняя граница частотного диапазона определяется временем реком­бинации неосновных носителей: f_н≈1/t_р, верхняя − временем вос­становления закрытого р-п перехода: f_в≈1/t_в. При f_вх<f_н откры­тый р-п переход вносит значительные потери и существенно снижает коэффициент преобразования. При f_вх>f_в нелинейные свойства диода выражены слабо, что также приводит к существенному снижению коэффициента преобразования. Таким образом, например, если для диода f_в не превышает 10 ГГц то в умножителях с выходной частотой ниже 10 ГГц диод может работать в обоих режимах, а в умножителях с f_вых>10 ГГц − только в режиме запертого р-п перехода.

В режиме запертого р-п перехода в отличие от режима частичного отпирания накладываются ограничения на максимальную амплитуду колебаний. Этим и обусловливаются большие рабочие мощности умножителей частоты на диодах с нели­нейной емкостью, работающих в режиме частичного отпирания. Преимуществом режима частичного отпирания является также более высокий коэффициент преобразования умножителя при одинаковых коэффициенте умножения и добротности диода. Причем при работе в режиме запертого перехода настолько резко снижается коэффициент преобразования с ростом коэффициента умножения п, что на практи­ке п>3 не используется.

Из изложенного следует, что в умножителях с выходной частотой f_вых<10 ГГц наиболее целесообразно использовать варакторы в ре­жиме частичного отпирания перехода и особенно ДНЗ, нелинейные свойства которых в этом режиме проявляются наиболее сильно.

Конструктивное выполнение умножителя частоты зависит от диа­пазона рабочих частот и электрических требований.

В умножителях СВЧ диапазона входные и выходные СВЧ цепи часто выполняют на микрополосковых линиях. При этом согласующие устройства обеспечивают согласование полного сопротивления диода на входной частоте с вол­новым сопротивлением линии на входе умножителя и полного сопро­тивления диода на выходной частоте с волновым сопротивлением ли­нии на выходе умножителя. Обычно волновые сопротивления этих линий 50 или 75 Ом.

Рисунок 3 – Схема умножителя частоты параллельного типа со шлейфами на микрополосковых линиях

Фильтрующие устройства умножителей частоты выполняются либо на разомкнутых и короткозамкнутых шлейфах, либо на фильтрах нижних частот (ФНЧ) и полосно-пропускающих фильтрах (ППФ). У узкополосных умножителей частоты с нечетным коэффициентом ум­ножения, полоса рабочих частот которых значительно меньше пре­дельной, во входной и выходной СВЧ цепях фильтры частот могут быть выполнены на четвертьволновых разомкнутых или короткозамк­нутых отрезках линий. У узкополосных умножителей частоты с четным коэффициентом умножения во входной СВЧ цепи

может быть фильтр частоты на отрезках линий, а в выходной − ППФ. У широ­кополосных умножителей частоты с любым коэффициентом умноже­ния во входной СВЧ цепи используется ФНЧ, в выходной − ППФ.

Места включения согласующих и фильтрующих цепей относитель­но диода выбираются таким образом, чтобы сопротивление выходной СВЧ цепи на входной частоте f_вх было зна­чительно больше полного сопротивления дио­да z_вх, а сопротивление входной СВЧ цепи на выходной частоте f_вых − полного сопротив­ления диода z_вых.