ГАРМОНИЧЕСКИЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
HARMONIC FREQUENCY MULTIPLIER

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве источника синусоидальных колебаний повышенной частоты и мощности.
Известны гармонические умножители частоты [1], содержащие задающий генератор, генерирующий входное гармоническое колебание, фазоинвертор с синфазным и противофазным выходами, формирующий гармонические синфазное и противофазное напряжения, первый полупроводниковый диод и второй полупроводниковый диод, при этом анод первого полупроводникового диода подключен к синфазному выходу фазоинвертора, а анод второго полупроводникового диода соединен с инвертирующим выходом фазоинвертора, нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к общей точке. Известные гармонические умножители частоты построены на использовании квадратичной вольтамперной характеристики полупроводниковых диодов и имеют низкую эффективность.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является гармонический умножитель частоты [2], содержащий задающий генератор, сигнал с которого поступает на вход фазоинвертора с синфазным и противофазным выходами, формирующего гармонические синфазное и противофазное напряжения, первый полупроводниковый диод и второй полупроводниковый диод, при этом анод первого полупроводникового диода подключен к синфазному выходу фазоинвертора, а анод второго полупроводникового диода соединен с инвертирующим выходом фазоинвертора, нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к общей точке, первый транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам первого полупроводникового диода, второй транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам второго полупроводникового диода, первый конденсатор, первый вывод которого подключен к катоду первого полупроводникового диода, а второй его вывод соединен со вторым выводом нагрузочного резистора, второй конденсатор, первый вывод которого подключен к катоду второго полупроводникового диода, а второй его вывод соединен со вторым выводом нагрузочного резистора, первый резистор, первый вывод которого соединен с синфазным выходом фазоинвертора, а второй его вывод подключен к базе второго транзистора, второй резистор, первый вывод которого соединен с противофазным выходом фазоинвертора, а второй его вывод подключен к базе первого транзистора, при этом точка соединения второго вывода первого конденсатора со вторым выводом нагрузочного резистора является выходом устройства.
Но в известном устройстве выходной сигнал для дальнейшего применения в большинстве случаев требует дополнительного усиления.
Техническим результатом настоящего изобретения является формирование на выходе умножителя сигнала повышенной мощности.
Технический результат достигается тем, что в гармонический умножитель частоты, содержащий входной трансформатор с первичной и вторичной обмотками, к первичной обмотке которого подключен источник синусоидального сигнала, нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к общей точке схемы, первый и второй транзисторы, к базам которых подключены первые выводы соответственно первого и второго резисторов, дополнительно введены источник питания, первый и второй выходные широкополосные трансформаторы, каждый из которых имеет первичную и вторичную обмотки, при этом один конец вторичной обмотки входного трансформатора подключен ко второму выводу первого резистора, второй конец вторичной обмотки входного трансформатора подключен ко второму выводу второго резистора, первичные обмотки первого и второго выходных трансформаторов соединены последовательно синфазно, к точке их соединения подключен потенциальный выход источника питания, общий выход которого соединен с коллекторами первого и второго транзисторов и подключен к общей точке схемы, свободный конец первичной обмотки первого выходного трансформатора соединен с эмиттером первого транзистора и подключен к точке соединения второго резистора и базы второго транзистора, свободный конец первичной обмотки второго выходного трансформатора соединен с эмиттером второго транзистора и подключен к точке соединения первого резистора и базы первого транзистора, вторичные обмотки первого и второго выходных трансформаторов соединены последовательно противофазно, свободный конец вторичной обмотки второго выходного трансформатора соединен с общей точкой схемы, а свободный конец вторичной обмотки первого выходного трансформатора подключен ко второму выводу нагрузочного резистора и является выходом умножителя.
Новым качеством, не обнаруженным в патентной и научно-технической литературе, является то, что в заявленном устройстве при смене полярности каждую половину периода исходного гармонического сигнала происходит одновременное запирание двух транзисторов, включенных по схеме двухтактного усилителя, вследствие чего на выходе умножителя формируется вторая гармоника повышенной мощности.
На фиг.1 представлена схема гармонического умножителя частоты.
Гармонический умножитель частоты содержит источник синусоидального сигнала 1, входной трансформатор 2, первый транзистор 3, второй транзистор 4, первый резистор 5, второй резистор 6, первый выходной трансформатор 7, второй выходной трансформатор 8, нагрузочный резистор 9, источник питания 10.
На фиг.2 представлены результаты моделирования работы гармонического умножителя частоты. На фиг.2 цифрами обозначено: 11 - выходной сигнал источника 1, 12 - сигнал между базой и эмиттером первого транзистора 3, 13 - сигнал между базой и эмиттером второго транзистора 4, 14 - сигнал на эмиттере второго транзистора 4, 15 - сигнал на эмиттере первого транзистора 3, 16 - выходной сигнал умножителя.
Гармонический умножитель частоты работает следующим образом. Двухполярный синусоидальный сигнал от источника 1 через выходную обмотку трансформатора 2 и резисторы 5 и 6 поступает на базы соответственно первого 3 и второго 4 транзисторов, соединенные с эмиттерами соответственно второго 4 и первого 3 транзисторов. Таким образом, между базой и эмиттером первого транзистора 3 и базой и эмиттером второго транзистора 4 поочередно через половину периода исходного сигнала прикладывается напряжение открывающей полярности 12 и 13. Транзисторы 3 и 4 поочередно через половину периода открываются, и через первичные обмотки выходных трансформаторов 7 и 8 от источника 10 протекает ток. Около моментов смены полярности исходного синусоидального сигнала величина напряжения оказывается недостаточной для открывания транзисторов, оба транзистора 3 и 4 одновременно запираются и в эти моменты отсутствует ток через первичные обмотки выходных трансформаторов 7 и 8. Таким образом, возникающий разрыв тока формирует в первичной обмотке выходных трансформаторов 7 и 8 напряжение удвоенной частоты 15 и 14. Соответственно, на вторичных обмотках трансформаторов 7 и 8 также возникает напряжение удвоенной частоты синфазное с первичным. Периодическая разность амплитуд сигналов 14 и 15 на эмиттерах транзисторов возникает за счет напряжения база-эмиттер закрытого транзистора, поступающего от источника входного сигнала. Противофазное соединение вторичных обмоток выходных трансформаторов позволяет улучшить форму и увеличить уровень выходного сигнала 16.
На фиг.2 показано соотношение амплитуд и частоты входного 11 и выходного 16 сигналов предлагаемого умножителя частоты. Для работы предлагаемого умножителя необходимой и достаточной величиной входного сигнала является синусоидальный сигнал амплитудой 2 В. Уровень выходного сигнала зависит от напряжения питания. Формирование выходного сигнала, близкого по форме к синусоидальному, на второй гармонике исходного сигнала может быть достигнуто путем изменения величин резисторов, присоединенных к базам транзисторов. На фиг.2 приведены величины сигналов при напряжении питания 5 В и сопротивлении базовых резисторов 5 Ом, а резистора нагрузки 51 Ом. Дальнейшее улучшение формы выходного сигнала может быть достигнуто с использованием частотно-избирательной нагрузки, настроенной на вторую гармонику источника синусоидального сигнала.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. - М.: Связь, 1976, с.216, рис.6.3.
2. Патент RU 2380822 С2, 09.09.2008. Гармонический умножитель частоты.