УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к области генерирующей и измерительной СВЧ-техники, а именно к задаче преобразования (умножения) частоты.
1
1
Известно два основных метода умножения частоты. Принцип работы первого метода заключается в синхронизации высокостабильными колебаниями частоты fавтогенератора, работающего на частоте n*f. Эта синхронизация на гармонике входной частоты осуществляется захватыванием частоты или с помощью схем фазовой автоподстройки. Принцип работы второго метода заключается в искажении формы синусоидального входного сигнала нелинейньм элементом с последующим выделением колебаний нужной гармоники резонансными системами (см.: Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильчиков Н.А. Твердотельные устройства в СВЧ и технике. М.: Радио и связь, 1988; Савельев B.C. Умножители частоты СВЧ-диапазона на транзисторах // Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ, 1986, вып.17.).
n
n
1
Во втором методе в качестве нелинейного активного сопротивления обычно используются точечные, туннельные или p-n диоды, а также биполярные или полевые транзисторы. В качестве резонансных систем используются коаксиальные, спиральные, полосковые или волноводные резонаторы. В качестве основных параметров умножителей частоты рассматриваются: выходная мощность Р требуемой n-й гармоники, КПД, равный отношению мощности Р к мощности P первой гармоники, поступающей на вход умножителя, а также уровень подавления побочных колебаний.
Обычно используемые умножители частоты отличаются рядом недостатков: низкий КПД (практически для всех видов), малая выходная мощность и нестабильность колебаний (для диодных умножителей), возможность параметрической генерации паразитных колебаний (для варакторных умножителей), сложность настройки и большая инерционность процессов, не позволяющая их использование на высоких частотах порядка ГГц (для транзисторных умножителей).
Известен гармонический умножитель частоты (патент РФ №2257665 МПК Н 03 В 19/06), который содержит фазоинверсный каскад, двухтактный каскад, активные элементы которого по выходу соединены параллельно и подключены к нагрузке, при этом истоковые электроды активных элементов подсоединены к выходам фазоинверсного каскада и через истоковые резисторы к общей точке устройства, при этом управляющие
электроды активных элементов через блокировочные конденсаторы соединены с общей точкой устройства.
Недостатком устройства является сложность настройки и большая инерционность процессов.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является умножитель частоты, содержащий последовательно соединенные фильтр нижних частот, управляющий элемент, подстраиваемый генератор, ключевой фазовый детектор и запоминающее устройство. Между выходом запоминающего устройства и входом фильтра нижних частот введены последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель и фазочувствительный выпрямитель, к другому входу которого подключен выход введенного делителя частоты на два, вход которого объединен с другим входом ключевого фазового детектора и является входом опорного сигнала умножителя частоты (см. авт. св-во СССР №813676, МПК Н 03 В 19/00)
Однако он характеризуется низким КПД, малой выходной мощностью, нестабильностью колебаний.
Задачей полезной является повышение КПД при обеспечении возможности работы на основной частоте без потерь мощности.
Поставленная задача решается тем, что в умножитель частоты, содержащий управляемый генератор с блоком фазовой автоподстройки частоты, последовательно соединенные нелинейный элемент и резонансную систему, согласно решению, введена цепь обратной связи, состоящая из последовательно соединенных направленного ответвителя, датчика мощности, микропроцессора, цифроаналогового преобразователя и аттенюатора, управляемого напряжением, при этом направленный ответвитель подключен к выходу резонансной системы, а аттенюатор - к входу нелинейного элемента; резонансная система выполнена в виде ЖИГ-фильтра, нелинейный элемент - в виде малошумящего усилителя.
Изобретение поясняется чертежом, где позициями обозначены:
1 - генератор, управляемый напряжением.
2 - блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
3 - аттенюатор, управляемый напряжением.
4 - сверхширокополосный малошумящий усилитель (МШУ).
5 - ЖИГ-фильтр.
6 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).
7 - направленный ответвитель.
8 - датчик мощности.
9 - микропроцессор.
Предлагаемый умножитель частоты с переменной кратностью, содержит управляемый генератор 1 с блоком фазовой автоподстройки частоты 2, последовательно соединенные сверхширокополосный малошумящий усилитель 4 и ЖИГ-фильтр 5, цепь обратной связи, состоящую из последовательно соединенных направленного ответвителя 7, датчика мощности 8, микропроцессора 9, цифроаналогового преобразователя 6 и аттенюатора 3, управляемого напряжением. Направленный ответвитель 7 подключен к выходу ЖИГ-фильтра 5 а аттенюатор 3 - к входу сверхширокополосного малошумящего усилителя 4.
Принцип работы умножителя частоты заключается в искажении формы синусоидального входного сигнала нелинейным элементом с последующим выделением колебаний нужной гармоники резонансной системой. В качестве нелинейного элемента используется сверхширополосный малошумящий усилитель с небольшой мощностью однодецибельной компрессии Р.
Устройство работает следующим образом.
Сигнал генератора 1, который управляется с помощью блока автоподстройки частоты 2, поступает на управляемый аттенюатор 3 и, после изменения его мощности на аттенюаторе, на нелинейный элемент 4 в виде сверхширокополосного малошумящего усилителя, например Agilent Technologies MGA-86563. В нелинейном элементе 4 производится преобразование сигнала, на выходе нелинейного элемента получаем ряд сигналов, из которых выделяется сигнал требуемой частоты с помощью ЖИГ-фильтра 5 (а остальные, соответственно, гасятся). Далее сигнал подается на выход устройства, при этом выходная мощность определяется с помощью направленного ответвителя 7 и датчика мощности 8, после чего микропроцессор 9 производит регулировку уровня выходной мощности путем управления через ЦАП 6 управляемым аттенюатором 3.
Сигнал, поступающий на умножитель, должен иметь мощность на 40-50% больше мощности Р МШУ. Для получения сигнала основной частоты на аттенюаторе вводится ослабление, обеспечивающее уровень входной мощности МШУ ниже точки компрессии. При работе на гармониках мощность на усилителе больше мощности Р. Вследствие отсутствия аналитической зависимости между мощностью, падающей на усилитель, и КПД умножителя на требуемой гармонике, уровень падающей мощности подбирается по максимуму напряжения на детекторе.
Преимущества предложенного умножителя заключаются в высоком КПД при использовании МШУ, который составляет 92% на второй гармонике, 71% на третьей, 54% на четвертой и 38% на пятой, возможности работы на основной частоте без потерь
мощности (с усилением соответствующем усилению МШУ), простоте настройки и малых фазовых и амплитудных шумах. В качестве нелинейного элемента возможно использования любого МШУ работающего в требуемой полосе частот с небольшой мощностью Р.