УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ВЫСОКОЙ КРАТНОСТИ
FREQUENCY MULTIPLIER OF HIGH MULTIPLICITY

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к СВЧ-умножителям частоты высокой кратности, применяемым для получения сигнала высокой частоты с низким уровнем фазового шума в выходном сигнале.
Известен нелинейный умножитель частоты (см. патент CN 101741315, МПК H03B 19/18, опубл. 16.06.2010), в котором эквивалентная схема нелинейных линий состоит из переменного конденсатора и шунтирующей индуктивности, а конденсатор переменной емкости представляет собой p–i–n-диод с автоматическим смещением.
Однако в данной схеме в качестве умножительного диода используется p–i–n-диод, КПД которого ниже, чем у умножительных диодов, выполненных на диодах с накоплением заряда (ДНЗ).
Известен переключаемый СВЧ усилитель/умножитель (см. патент US 4401952, МПК H03F 3/16; H03F 3/60), в котором имеется полевой арсенид-галлиевый транзистор, переключение между каналами в котором осуществляется при помощи p–i–n-диодов (включенных в прямом и обратном направлении).
Однако использование p–i–n-диодов в качестве отдельных коммутаторов, включающих и выключающих каналы, увеличивает габаритные размеры устройства, а также позволяет получить запирание максимум до 20 дБ, что недостаточно для большинства СВЧ устройств.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является СВЧ-умножитель высокой кратности, состоящий из емкостного делителя, переменного резистора R1 и переменных индуктивностей L1 и L2 (Д.А. Усанов, В.Н. Посадский, А.В. Скрипаль, В.С. Тяжлов, Д.В. Григорьев СВЧ-умножители высокой кратности// Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2014. Вып. 4. С. 48–50). В качестве умножительных диодов в нём использовались серийно выпускаемые планарно-эпитаксиальные диоды 2А604А. Данная схема может применяться либо в одноканальных умножителях частоты с одним значением выходной частоты в канале, либо с несколькими значениями частоты, но в этом случае только совместно с использованием дополнительных коммутирующих узлов.
Однако включение в устройство дополнительных коммутирующих узлов увеличивает габаритные размеры устройства и не позволяет получить необходимого уровня запирания сигнала со значением частоты в спектре отличным от частоты умноженного сигнала.
Задачей заявляемого изобретения является создание коммутируемого умножителя частоты.
Технический результат заключается в достижении высокого уровня запирания сигнала с частотой, отличной от умноженного сигнала, при малых габаритных размерах устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что умножитель частоты высокой кратности, включающий согласующую цепь входного сигнала, на входе которой стоит первый конденсатор, параллельно которому на землю включен второй конденсатор, последовательно включена первая катушка индуктивности, выход которой подключен к параллельно включенным третьему конденсатору и резистору, а также к входу второй катушки индуктивности, выход которой соединен с анодом первого диода и катодом второго диода, катод и анод которых соответственно соединены с земляной шиной, выход второй катушки индуктивности гальванически соединен с входным элементом узкополосного пропускающего фильтра, выполненного в микрополосковом исполнении в виде встречных шпильковых резонаторов, последовательно расположенных между входным и выходным элементами фильтра, согласно решению содержит n–i–p–i–n-диод, одна n-область которого гальванически соединена с входным элементом микрополоскового фильтра, другая n-область n–i–p–i–n-диода гальванически соединена с первым шпильковым резонатором полосно-пропускающего фильтра, p-область n–i–p–i–n-диода через нагрузочное сопротивление соединена с положительным полюсом источника постоянного напряжения. Умножитель содержит дополнительный n–i–p–i–n-диод, одна n-область которого гальванически соединена с одним концом одиного из центральных шпильковых резонаторов, имеющих гальваническую связь с земляной шиной, другая n-область n–i–p–i–n-диода гальванически соединена с другим концом этого же шпилькового резонатора, p-область дополнительного n–i–p–i–n-диода через нагрузочное сопротивление соединена с положительным полюсом источника постоянного напряжения. Катушки индуктивности и резистор выполнены в виде микрополосковых линий.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами:
Фиг.1. Схема умножителя частоты высокой кратности
Фиг.2. Полосно-пропускающий фильтр, настроенный на 24-ю гармонику, с встроенным n–i–p–i–n-диодом;
Фиг.3. Полосно-пропускающий фильтр, настроенный на 24-ю гармонику, с встроенным n–i–p–i–n-диодом и дополнительным n–i–p–i–n-диодом.
Позициями на чертежах обозначены:
1 – входной усилитель;
2 – первый конденсатор;
3 – второй конденсатор;
4 – первая подстраиваемая катушка индуктивности;
5 – резистор;
6 – третий конденсатор;
7 – вторая подстраиваемая катушка индуктивности;
8 – первый диод с накоплением заряда;
9 – второй диод с накоплением заряда;
10 – полосно-пропускающий фильтр, настроенный на искомую гармонику, с встроенным n–i–p–i–n-диодом;
11 – выходной усилитель.
Умножитель состоит из емкостного делителя, включающего первый 2 и второй 3 конденсаторы, который последовательно соединен с первой 4 подстраиваемой катушкой индуктивности, которая параллельно соединена с третьим конденсатором 6 и резистором 5, и последовательно со второй 7 подстраиваемой катушкой индуктивности, выход которой соединен с анодом первого диода 8 и катодом второго диода 9, и с входным элементом микрополоскового фильтра 10, представляющим собой разомкнутый отрезок микрополосковой линии. Между входным элементом микрополоскового фильтра и первым шпильковым резонатором включается n-i-p-i-n диод, одна n-область которого гальванически соединена с входным элементом микрополоскового фильтра, другая n-область n–i–p–i–n-диода гальванически соединена с первым шпильковым резонатором полосно-пропускающего фильтра, p-область n–i–p–i–n-диода через нагрузочное сопротивление соединена с положительным полюсом источника постоянного напряжения.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в схеме умножителя использован емкостной делитель, состоящий из конденсаторов 3 и 6, последовательно к которому подключены переменные индуктивности 4 и 7, а также резистор 5, соединенный с общей точкой между индуктивностями 4 и 7. Умножительные диоды, в качестве которых использовались серийно выпускаемые планарно-эпитаксиальные диоды (ДНЗ), были включены встречно и параллельно, что обеспечило повышение коэффициента преобразования и снижение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) системы, при этом анод первого и катод второго диода были соединены с выходом индуктивности 7, а катод первого и анод второго диода соединены с земляной шиной.
Для выделения из спектра искомого умноженного сигнала использовался настроенный на необходимую гармонику выходной полосно-пропускающий многозвенный фильтр 10, выполненный в виде последовательно расположенных встречных шпильковых резонаторов в микрополосковом исполнении, входной элемент которого, представляющий собой разомкнутый отрезок микрополосковой линии, был соединен с общей точкой соединения анода первого и катода второго диода. Выходной элемент полосно-пропускающего многозвенного фильтра, представляющий собой разомкнутый отрезок микрополосковой линии, соединен с выходным усилителем.
В заявляемом умножителе, наряду с вышеуказанными признаками, включается встроенный n-i-p-i-n диод, одна n-область которого гальванически соединена с входным элементом микрополоскового фильтра, представляющим собой разомкнутый отрезок микрополосковой линии, другая n-область n–i–p–i–n-диода гальванически соединена с первым шпильковым резонатором полосно-пропускающего фильтра, p-область n–i–p–i–n-диода через нагрузочное сопротивление соединена с положительным полюсом источника постоянного напряжения.
Основным отличием данного изобретения является то, что коммутация сигнала происходит за счет того, что при подаче положительного смещения на p-область n–i–p–i–n-диода, за счет изменения положения рабочей точки на вольтамперной характеристике умножительных диодов от оптимального значения, вследствие протекания тока через умножительный диод, анод которого гальванически соединен с входным элементом микрополоскового фильтра, резко снижается КПД умножителя, что приводит к отсутствию сигнала на его выходе.
Таким образом, заявляемое изобретение в одном устройстве реализует коммутируемый умножитель с высоким КПД преобразования частоты за счет двух встречно включенных диодов с накоплением заряда (ДНЗ). Введение n–i–p–i–n-диода в узел фильтра позволяет добиться высокого уровня запирания и сохранения минимальных габаритных размеров умножителя благодаря отсутствию отдельных узлов коммутатора.
В схеме, представленной на фиг.1, в качестве конденсаторов используются конденсаторы с диэлектриком NPO (обозначение для диэлектрика соответствующее самой высокой температурной стабильности и одновременно минимальной зависимости изменения емкости от приложенного напряжения): первый конденсатор 2 номиналом 82 пФ, второй 3 и третий 6 конденсаторы по 20 пФ; резистор 5 перестраивается в диапазоне 0–1288 Ом; переменная индуктивность 4 перестраивается в диапазоне 0–48 нГн и индуктивность 7 перестраивается в диапазоне 0–10 нГн. В качестве умножительных диодов 8 и 9 использовались серийно выпускаемые планарно-эпитаксиальные диоды 2А604А. Диоды были включены встречно и параллельно, что обеспечило повышение коэффициента преобразования и снижение КСВН системы.
Для выделения из спектра умноженного сигнала использовался настроенный на необходимую 24-ю гармонику выходной полосно-пропускающий фильтр 10, выполненный в микрополосковом исполнении.
Входной сигнал поступает на входной усилитель 1, который обеспечивает достижение требуемого уровня опорного сигнала, подаваемого на умножитель, выполненный на диодах с накоплением зарядов 2А604А. Выделение необходимой гармоники производится с помощью встроенного в умножитель узкополосного полосно-пропускающего многозвенного фильтра 10, выполненного в виде последовательно расположенных встречных шпильковых резонаторов в микрополосковом исполнении.
Роль СВЧ-ключа при этом выполняет интегрированный в полосно-пропускающий фильтр n–i–p–i–n-диод (см. рис 2). Усиленный выходным усилителем 11 умноженный сигнал поступает на выход.
nipin
nipin
nipin
Наибольший эффект выключения достигается при расположении n–i–p–i–n-диода таким образом, что одна n-область диода гальванически соединена с входным элементом микрополоскового фильтра, другая n-область n–i–p–i–n-диода соединена с первым шпильковым резонатором полосно-пропускающего фильтра, и подачей на p-область n–i–p–i–n-диода через нагрузочное сопротивление положительного напряжения V.В этом случае выходная мощность 24-й гармоники изменяется в диапазоне от –16.5 дБм при V=0.0 В до –70.3  дБм при V=1.7 В. Таким образом, относительное изменение выходного сигнала составляет около 54 дБ.
При включении дополнительного n–i–p–i–n-диода в один из центральных резонаторов, имеющих гальваническую связь с земляной шиной, полосно-пропускающего фильтра (Фиг.2) обеспечивается дополнительное изменение выходной мощности 24-й гармоники на величину около 14 дБ при изменении напряжения смещения на дополнительном n–i–p–i–n-диоде в диапазоне от 0.0 В до 1.7 В.
В этом случае суммарное относительное изменение выходного сигнала при изменении напряжения смещения в диапазоне от 0.0 В до 1.7 В на основном и дополнительном n–i–p–i–n-диодах превышает 70 дБ.