15. Пассивные нелинейные устройства свч

Наиболее часто применяемые нелинейные пассивные устройства СВЧ (НПУ) – широкополосные удвоители частоты и широкополосные амплитудные модуляторы. Оба устройства используют диоды. Удвоители по существу являются двухполупериодными выпрямителями. На выходе таких выпрямителей, в отсутствие фильтрующих емкостей сигнал представляется последовательностью косинусоидальных импульсов с углом отсечки порядка с амплитудой, равной амплитуде входного гармонического сигнала и периодом следования в два раза меньше чем у входного сигнала. Верхняя граница рабочей полосы частот лежит в районе 2 ГГц и определяется главным образом характеристиками магнитопровода. Определим коэффициент передачи такого удвоителя. Определим значение второй гармоники выходного сигнала, период следования которого равен , где период следования входного сигнала. Выходной сигнал можно представить как . При он обращается в ноль. Тогда коэффициент разложения для второй гармоники в ряд Фурье будет равен . Выразив в дБ получим: –13.46 дБ. Реально уровень второй гармоники на выходе варьируется от –11 до –14 дБ. Нечетные гармоники на выходе очень сильно подавлены. С выхода умножителя можно снимать четвертую (подавление порядка 26 дБ), шестую (подавление порядка 38 дБ) и т. д. Основными достоинствами умножителя является очень широкая полоса частот и отсутствие источника питания. В качестве диодов обычно используются СВЧ диоды Шоттки.

Рис. 15. 1

мплитудный модулятор представляет собой управляемый делитель напряжения на основе PIN диодов. Примерная схема делителя представлена на рис. 15. 1. Входной СВЧ сигнал подается на анод диода D1, а модулированный сигнал снимается с анода диода D2. Диод D1 по СВЧ включен последовательно с диодом D2. Модулирующий сигнал подается на первичную обмотку трансформатораТ1. Индуктивности L1, L2, L3 изолируют по СВЧ диоды от трансформатора Т1. Катод диода D2 заземлен по СВЧ через емкость С2. Напряжение смещения источника Vs1 и сопротивления R1, R2 подобраны так, что ток через диоды обеспечивает среднее значение их сопротивления. В отсутствие модулирующего сигнала сопротивление диодов одинаково и СВЧ сигнал на выходе имеет половинную амплитуду. При подаче модулирующего сигнала на каждый диод воздействует сумма сигналов смещения и модуляции. Так как сигналы модуляции прикладываются к диодам в противофазе, их сопротивление меняется тоже в противофазе и коэффициент передачи цепочки диодов меняется от максимума до минимума и снова в обратном направлении. Коэффициент модуляции зависит от уровня модулирующего сигнала.

Рис. 15. 2

НПУ также можно отнести фазовые детекторы (ФД) и модуляторы (ФМ), в том числе квадратурные. ФД и ФМ могут быть реализованы в виде одной и той же структуры, отличие заключается только в способах подключения и снятия сигналов. На относительно невысоких частотах (до 400–500 МГц) структура похожа на двойной балансный преобразователь частоты (рис. 15. 2). При использовании схемы как ФД на вход 1 подается обрабатываемый сигнал, на вход 2 – опорный сигнал той же частоты, со входа 3 снимается обработанный сигнал (при совпадении фаз нулевое значение, при опережении фазы сигнала на входе 1 по отношению к фазе сигнала на входе 2 – напряжение положительного знака, при запаздывании – отрицательного знака. При использовании как ФМ на вход 2 подается опорный сигнал, на вход 3 – модулирующий сигнал, со входа 1 снимается модулированный сигнал. На частотах порядка ГГц вместо трансформаторов необходимо использовать кольцевые мосты в противофазном включении. Квадратурные детекторы (КВД) и модуляторы (КВМ) стоятся в виде структуры, показанной на рис. 15. 3. В ней используются два преобразователя частоты по двухбалансной схеме (в КВД), они же балансные модуляторы (в КВМ). Кроме них необходим квадратурный делитель мощности на два и синфазный сумматор. На рисунке изображен КВД: на квадратурный делитель подается опорный (гетеродинный) сигнал, на синфазный – входной сигнал. Продуктами преобразования являются Q и I сигналы. Если частота входного сигнала равна частоте опорного сигнала, то Q и I представляют собой видео-сигналы. Если частоты не равны, то выходные сигналы являются радио-сигналами с разностной и суммарной несущими частотами. В режиме КВМ опорный сигнал по- прежнему поступает на квадратурный делитель, Q и I сигналы от источника информации подаются на преобразователи частоты, а с выхода синфазного делителя поступает модулированный сигнал.

На частотах до 400–500 МГц квадратурный делитель реализуется на основе трансформатора с емкостными фазосдвигающими элементами, на более высоких частотах в виде квадратурных мостов на основе сосредоточенных реактивных элементов.

90°

делитель

мощности

пополам

0°

делитель

мощности

пополам