Что такое умножители частоты. Как работают транзисторные и диодные умножители частоты. Каковы основные параметры и характеристики умножителей частоты. Где применяются умножители частоты в радиотехнике.
Принцип действия и назначение умножителей частоты
Умножители частоты — это устройства, предназначенные для повышения частоты входного сигнала в целое число раз. Они широко применяются в радиопередающей аппаратуре для получения высокочастотных колебаний.
Принцип действия умножителей частоты основан на использовании нелинейных элементов, искажающих форму входного синусоидального сигнала. В результате в спектре выходного сигнала появляются высшие гармоники, из которых выделяется нужная.
Где применяются умножители частоты?
- В передатчиках для повышения частоты сигнала возбудителя
- В синтезаторах частот
- В измерительной технике
- В системах радиолокации
Основные параметры умножителей частоты
Ключевыми характеристиками умножителей частоты являются:
- Коэффициент умножения частоты n (обычно 2-3, реже до 5-7)
- Выходная мощность на n-й гармонике
- Входная мощность
- Коэффициент преобразования (отношение выходной мощности к входной)
- КПД (для активных умножителей)
- Уровень подавления побочных гармоник
Виды умножителей частоты
По принципу действия умножители частоты можно разделить на два основных типа:
1. Умножители на основе синхронизации автогенератора
В таких умножителях используется явление синхронизации частоты автогенератора внешним сигналом, частота которого в n раз меньше собственной частоты генератора. Недостаток — сужение полосы синхронизации с ростом n.
2. Умножители на нелинейных элементах
Основаны на искажении входного сигнала нелинейным элементом и выделении нужной гармоники. Делятся на:
- Транзисторные умножители
- Диодные умножители (варакторные)
Транзисторные умножители частоты
Транзисторный умножитель частоты по схеме похож на усилитель мощности, но имеет следующие особенности:
- Выходной контур настроен на n-ю гармонику входного сигнала
- Выбирается оптимальный угол отсечки коллекторного тока
- Режим работы транзистора нелинейный
Коэффициент умножения обычно не превышает 3-4 при КПД 10-20%.
Диодные умножители частоты
Диодные умножители используют нелинейность вольт-фарадной характеристики варакторного диода. Варактор — это полупроводниковый диод, специально разработанный для применения в умножителях частоты.
Как работает варакторный умножитель?
Принцип действия основан на нелинейной зависимости емкости p-n перехода от приложенного обратного напряжения. При подаче на варактор синусоидального напряжения его емкость изменяется нелинейно, что приводит к появлению высших гармоник в спектре тока.
Схемы диодных умножителей частоты
Существуют два основных типа схем диодных умножителей:
1. Параллельная схема
- Первый контур настроен на частоту входного сигнала
- Второй контур настроен на частоту выходного сигнала
2. Последовательная схема
- Содержит два параллельных контура
- Первый контур настроен на частоту входного сигнала
- Второй контур настроен на частоту выходного сигнала
Варакторные умножители позволяют получить высокий коэффициент преобразования (до 0.6-0.7) при умножении на 2 и 3.
Особенности применения умножителей частоты
При использовании умножителей частоты следует учитывать:
- С ростом коэффициента умножения n падает эффективность преобразования
- Для получения больших n используют каскадное включение умножителей с малым n
- Между каскадами умножения часто ставят усилители
- Умножители вносят дополнительный фазовый шум, пропорциональный 20log(n)
Преимущества и недостатки умножителей частоты
Рассмотрим основные плюсы и минусы использования умножителей частоты:Преимущества:
- Позволяют получить высокие частоты от низкочастотных генераторов
- Упрощают построение синтезаторов частот
- Могут иметь высокий КПД (диодные умножители)
Недостатки:
- Вносят дополнительный фазовый шум
- Ограниченный коэффициент умножения в одном каскаде
- Необходимость фильтрации побочных гармоник
Применение умножителей частоты в современной радиотехнике
Несмотря на развитие прямых методов синтеза частот, умножители частоты продолжают широко применяться в различных радиотехнических устройствах:
- В передатчиках систем связи
- В радиолокационной аппаратуре
- В измерительной технике
- В системах навигации
- В синтезаторах частот специального назначения
Умножители частоты позволяют упростить схемотехнику и снизить стоимость аппаратуры, особенно в диапазоне СВЧ.
Лекция №3
1. Назначение, принцип действия и основные параметры
Умножители частоты в структурной схеме радиопередатчика (см. рис. 2.1) располагаются перед усилителями мощности ВЧ или СВЧ колебаний, повышая в требуемое число раз частоту сигнала возбудителя. Умножители частоты могут также входить в состав и самого возбудителя или синтезатора частот. Для входного и выходного сигнала умножителя частоты запишем:
(17.1)
где n — коэффициент умножения частоты в целое число раз.
Классификация
умножителей частоты возможна по двум
основным признакам: принципу действия,
или способу реализации функции (17.1), и
типу нелинейного элемента. По принципу
действия умножители подразделяют на
два вида: основанные на синхронизации
частоты автогенератора внешним сигналом
(см. разд. 10.3), в п
раз меньшим
по частоте (рис. 17.1,а), и с применением
нелинейного элемента, искажающего
входной синусоидальный сигнал, и
выделением из полученного многочастотного
спектра требуемой гармоники (рис.
Рис. .1. Умножители частоты
По типу используемого нелинейного элемента умножители частоты второго вида подразделяют на транзисторные и диодные.
Основными параметрами умножителя частоты являются: коэффициент умножения по частоте n; выходная мощность n-й гармоники Рn, входная мощность 1-й гармоники Р1, коэффициент преобразования Кпр=Рn/Р1; коэффициент полезного действия =Рn/Р0 (в случае транзисторного умножителя), уровень подавления побочных составляющих.
Недостаток
умножителей частоты (рис. 17.1, а)
первого вида
состоит в сужении полосы синхронизма
с увеличением номера гармоники п.
У умножителей
частоты второго вида уменьшается
коэффициент преобразования К
2. Транзисторный умножитель частоты
Схема транзисторного умножителя частоты (рис. 17.2) и методика его расчета практически ничем не отличаются от усилителя.
Необходимо только выходную цепь генератора настроить на n-ю гармонику и выбрать значение угла отсечки =120/n, соответствующее максимальному значению коэффициента n(). При расчете выходной цепи коэффициент разложения косинусоидального импульса по 1-й гармонике 1() следует заменить на коэффициент по n-й гармонике n(). Контур в выходной цепи, настроенный в резонанс с n-и гармоникой сигнала, должен обладать удовлетворительными фильтрующими свойствами.
Рис. 17.2. Схема транзисторного умножителя частоты
Коэффициент умножения схемы на рис. 17.2 обычно не превышает 3–4 раз при КПД, равном 10–20%.
3. Диодные умножители частоты
Работа
диодных умножителей частоты основана
на использовании эффекта нелинейной
емкости.
В качестве последней используется
барьерная емкость обратно смещенного
р-n-перехода.
Полупроводниковые диоды, специально
разработанные для умножения частоты,
называются варакторами. При =0,5
и 0=0,5
В для нелинейной емкости варактора
получим:
, (2)
где и — обратное напряжение, приложенное к p-n-переходу.
График нелинейной функции (17.2) показан на рис. 17.3.
Заряд, накапливаемый нелинейной емкостью, с напряжением и током связаны зависимостями:
, (3)
Две основные схемы диодных умножителей частоты с варакторами приведены на рис. 17.4.
Рис. 17.4. Диодные умножители частоты с варакторами
В
схеме диодного умножителя параллельного
вида (рис. 17.4, а)
имеются два
контура (или фильтра) последовательного
типа, настроенные в резонанс соответственно
с частотой входного
и выходного n
сигналов.
Такие контуры имеют малое
сопротивление на резонансной частоте
и большое — на всех остальных (рис. 17.5).
Рис. 17.5.Зависимость сопротивления контура от частоты
Поэтому первый контур, настроенный в резонанс с частотой входного сигнала о, пропускает только 1-ю гармонику тока, а второй контур, настроенный в резонанс с частотой выходного сигнала n, — только n-ю гармонику. В результате ток, протекающий через варактор, имеет вид:
, (4)
Поскольку емкость варактора (17.2) есть нелинейная функция, то согласно (17.3) при токе (17.4) напряжение на варакторе отлично от синусоидальной формы и содержит гармоники.
Одна из этих гармоник, на которую настроен второй контур, проходит в нагрузку.
Таким
образом, с помощью нелинейной емкости
в устройстве происходит преобразование
мощности сигнала с частотой
в сигнал с частотой n,
т.е. умножение частоты.
Аналогичным образом работает вторая схема умножителя частоты последовательного вида (рис. 17.4, б), в которой имеется два контура (или фильтра) параллельного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного и выходного n сигналов. Такие контуры имеют большое сопротивление на резонансной частоте и малое — на всех остальных. Поэтому напряжение на первом контуре, настроенном в резонанс с частотой входного сигнала , содержит только 1-ю гармонику, а на втором контуре, настроенном в резонанс с частотой выходного сигнала n, — только n-ю гармонику. В результате напряжение, приложенное к варактору, имеет вид:
, (5)
где U0 — постоянное напряжение смещения на варакторе.
Поскольку
емкость варактора (17.2) есть нелинейная
функция, то согласно (17.3) при напряжении
(17.5) ток, протекающий через варактор,
отличен от синусоидальной формы и
содержит гармоники. Одна из этих гармоник,
на которую настроен второй контур,
проходит в нагрузку.
Таким образом, с
помощью нелинейной емкости в схеме
происходит преобразование мощности
сигнала с частотой
в сигнал с частотой n,
т.е. умножение частоты.
Варакторные умножители частоты в ДЦВ диапазоне при n=2 и 3 имеют высокий коэффициент преобразования Кпр=Pn/P1=0,6…0,7. При больших величинах п в СВЧ диапазоне значение Кпр уменьшается до 0,1 и ниже.
Welcome to ООО Радиокомп
|
|
+7 495 020 40 00 / 957 77 45
|
|||||||||||
Database Products Line Review Site Map: HTML XML |
Categories |
|||||||||||
|
|
|||||||||||
Low-noise synthesizer of the Radiocomp LLC with a frequency range up to 20 GHz
8a, 111024 Moscow, RussiaУмножители частоты до 12 ГГц
Умножители частоты до 12 ГГц| Частотный диапазон | Вход Мощность Номинальная (дБм) | Преобразование Потери при F2 (дБ) макс.  | Преобразование Потери при F4 (дБ) тип. | Ложный | Пакет Тип | П/Н | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Вход (МГц) | Выход (МГц) | F1 (дБн) | F3 (дБн) | |||||
| 0,2-500 | 0,4-1000 | +10,0 | 11 | 20 | 20 | 25 | Пин | ФХ-01-301 Добавить в запрос предложений |
| 0,2-500 | 0,4-1000 | +10,0 | 11 | 20 | 20 | 25 | СМА | FX-01-410 Добавить в запрос предложений |
| 0,2-500 | 0,4-1000 | +10,0 | 11 | 20 | 20 | 25 | Поверхность | FX-01-A Добавить в запрос предложений |
| 1-500 | 2-1000 | +10,0 | 12 | 20 | 20 | 25 | Пин | FX-02-301 Добавить в запрос предложений |
| 1-500 | 2-1000 | +10,0 | 12 | 20 | 20 | 25 | СМА | FX-02-410 Добавить в запрос предложений |
| 1-500 | 2-1000 | +10,0 | 12 | 20 | 20 | 25 | Поверхность | FX-02-A Добавить в запрос предложений |
| 50-1000 | 100-2000 | +10,0 | 12 | 20 | 20 | 22 | Пин | FX-03-301 Добавить в запрос предложений |
| 50-1000 | 100-2000 | +10,0 | 12 | 20 | 20 | 22 | СМА | FX-03-410 Добавить в запрос предложений |
| 50-1000 | 100-2000 | +10,0 | 12 | 20 | 20 | 22 | Поверхность | FX-03-A Добавить в запрос предложений |
| 75-1500 | 150-3000 | +10,0 | 12 | 20 | 20 | 20 | Пин | FX-04-301 Добавить в запрос предложений |
| 75-1500 | 150-3000 | +10,0 | 12 | 20 | 20 | 20 | СМА | FX-04-410 Добавить в запрос предложений |
| 75-1500 | 150-3000 | +10,0 | 12 | 20 | 20 | 20 | Поверхность | FX-04-A Добавить в запрос предложений |
| 50-2100 | 100-4200 | +10,0 | 13 | 20 | 16 | 25 | Пин | FX-05-301 Добавить в запрос предложений |
| 50-2100 | 100-4200 | +10,0 | 13 | 20 | 16 | 25 | СМА | ФХ-05-410 Добавить в запрос предложений |
| 50-2100 | 100-4200 | +10,0 | 13 | 20 | 16 | 25 | Поверхность | FX-05-A Добавить в запрос предложений |
| 300-3000 | 600-6000 | +10,0 | 13 | 20 | 16 | 25 | Пин | FX-06-301 Добавить в запрос предложений |
| 300-3000 | 600-6000 | +10,0 | 13 | 20 | 16 | 25 | СМА | FX-06-410 Добавить в запрос предложений |
| 300-3000 | 600-6000 | +10,0 | 13 | 20 | 16 | 25 | Поверхность | FX-06-A Добавить в запрос предложений |
| 14:00-16:00 | 5600-6400 | +10,0 | — | 26 | — | — | Пин | FX-08-301 Добавить в запрос предложений |
| 14:00-16:00 | 5600-6400 | +10,0 | — | 26 | — | — | СМА | FX-08-410 Добавить в запрос предложений |
| 14:00-16:00 | 5600-6400 | +10,0 | — | 26 | — | — | Поверхность | FX-08-A Добавить в запрос предложений |
| 3000-6000 | 6000-12000 | +10,0 | 13 | 20 | 20 | 25 | Поверхность | FX-07-S Добавить в запрос предложений |
| 3000-6000 | 6000-12000 | +10,0 | 13 | 20 | 20 | 25 | СМА | FX-07-SC Добавить в запрос предложений |
Примечания:
- Ложная отбраковка относится к F2.
- Гнездовые разъемы SMA входят в стандартную комплектацию Outline 410, также доступны с разъемами BNC, TNC, F и N.
| Частотный диапазон | Вход Мощность Номинальная (дБм) | Выход Мощность (дБм) | Управление Напряжение I = 70 мА тип. | Ложный | Разъем Тип | П/Н | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Вход (МГц) | Выход (МГц) | F1 (дБн) | F3 (дБн) | |||||
| 100-2500 | 200-5000 | +10 | +10 ± 2 | +12 В постоянного тока | 18 | 25 | СМА | FXG-01-410F Добавить в запрос предложений |
| 100-2500 | 200-5000 | 0 | 0 ± 2 | +12 В постоянного тока | 18 | 25 | СМА | FXG-02-410F Добавить в запрос предложений |
Примечания:
- Ложная отбраковка относится к F2.
Двухдиодные умножители частоты нечетного порядка
Часто бывает необходимо умножить частоту малошумящих генераторов без существенного ухудшения фазового шума выше теоретического 20 log (N). Удвоители частоты с низким уровнем шума, построенные на сигнальных диодах Шоттки, легко доступны, но умножители более высокого порядка часто демонстрируют высокий шум мерцания и низкий уровень шума из-за характера переключающего устройства. Топология умножителя диода нечетного порядка , опубликованная в журнале RF Design , позволяет использовать малошумящие диоды Шоттки для генерации гармоник нечетного порядка с очень низким избыточным шумом. Представлена новая полуволновая версия умножителя частоты вместе со значениями компонентов для построения тройника от 10 до 30 МГц и пятикратника от 10 до 50 МГц. Потери преобразования для этих умножителей хорошие, учитывая их пассивную конструкцию, а входные обратные потери можно легко оптимизировать для различных уровней входного сигнала.
Схема умножителя показана ниже:
Входная согласующая цепь состоит из дросселя и конденсатора, которые совместно повышают напряжение для преодоления барьерного потенциала диодов и обеспечения низкого импеданса относительно земли для желаемой гармоники, предотвращая выход гармоник на вход. Эта последовательная конфигурация бака дает схеме некоторую степень обратной связи, которая помогает поддерживать хорошие потери преобразования для диапазона входных уровней. Диод D1 выпрямляет входной сигнал, в результате чего на L4 появляется постоянный ток. Входной сигнал коммутирует два диода, в результате чего через D2 протекает прямоугольная волна тока. Выходная цепь обеспечивает низкий импеданс относительно земли для нежелательных частот и направляет желаемую гармонику на выход. В выходной цепи могут использоваться другие схемы, но эта сеть должна шунтировать нежелательные гармоники, чтобы сохранить быстрое переключение диодов, и должна блокировать более крупные низкочастотные гармоники.
(Примечание: амперметр может быть включен последовательно с заземляющей ветвью L4 для измерения постоянного тока диода при прототипировании.)
Эта базовая конфигурация может использоваться для широкого диапазона частот с коэффициентами умножения нечетного порядка до 7 и более. Многие типы быстропереключаемых диодов могут использоваться с отличными результатами, и выбор будет зависеть от уровней сигнала и требуемых характеристик фазового шума. Диоды с барьером Шоттки, такие как 1N5711, являются хорошим выбором для большинства применений умножителей, поскольку эффективность преобразования высока, а характеристики фазового шума лучше, чем у всех, кроме лучших источников. Обычные кремниевые переключающие диоды, такие как 1N914 даст немного лучшую эффективность преобразования для выходных частот до 100 МГц, но характеристики фазового шума могут быть значительно ниже, чем у диодов Шоттки.
На рисунках 1 и 2 показаны потери преобразования для входной частоты 10 МГц, умноженные на 30 и 50 МГц.
Потери при преобразовании довольно низкие, учитывая коэффициент умножения, а множитель 3x выгодно отличается от многих удвоителей частоты.
C1 и L1 выбираются так, чтобы обеспечить хорошие обратные потери для уровня, подаваемого на вход умножителя, и в некоторой степени зависит от типа диода. На рисунках 3 и 4 показаны обратные потери для различных значений C1 и L1 для двух типов диодов. Например, если уровень входного сигнала должен быть 10 дБм, будет выбрана кривая № 2, поскольку обратные потери составляют около -30 дБ. Значения других компонентов выбираются из следующей таблицы:
C3 может быть подстроечным конденсатором на 15 пФ для обеих конструкций, а C2 может иметь фиксированное значение с небольшим подстроечным конденсатором, включенным параллельно. Добротность бака C2-L2 низкая, и обычно достаточно стационарных компонентов.
Выход этих умножителей может быть напрямую подключен к обычному усилителю MMIC, если требуется больший выход.
