ГАРМОНИЧЕСКИЙ УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
HARMONIC FREQUENCY DOUBLER

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередающих и радиоприемных устройствах, измерительной технике и фазометрических системах в качестве источника гармонических колебаний повышенной частоты.
Известен гармонический удвоитель частоты, содержащий фазоинверсный каскад, вход которого соединен с выходом задающего генератора, и двухтактный каскад, включающий первый и второй активные элементы (АЭ), выходные электроды, которые соединены между собой и подключены к нагрузочному резистору, а истоковые электроды первого АЭ и второго АЭ подсоединены к выходам фазоинверсного каскада, а также соответственно через первый резистор и второй резистор к общей точке. При этом управляющие электроды этих АЭ соответственно через первый конденсатор и второй конденсатор соединены с общей точкой [1]. Это устройство осуществляет умножение частоты, с кратностью умножения N=2 (удвоение частоты) при работе АЭ с углом отсечки Θ=90°.
Недостатком устройства является высокий уровень побочных гармоник.
Это обусловлено несколькими причинами: разбросом параметров транзисторов двухтактного каскада, зависимостью этих параметров от температуры и частоты, отличием реальных характеристик АЭ от квадратичной параболы с отсечкой. Так, реальная характеристика АЭ отличается от идеальной квадратичной параболы и может быть близкой к кубической параболе. При этом уровень нечетных гармоник может быть небольшим, поскольку нечетные гармоники в нагрузочном резисторе вычитаются. Что касается четных гармоник, то они суммируются в нагрузочном резисторе. Поэтому при отклонении реальной характеристики от квадратичной параболы их уровень может быть высок, даже при наличии в устройстве [1] 100% внутренней обратной связи по току. Так, уровень четвертой гармоники, определенный для угла отсечки Θ=90°, с использованием коэффициентов разложения [2] и соотношений, приведенных в [1], составляет до 10 процентов, что достаточно много для большинство практических случаев. Что касается последующей шестой гармоники, то ее уровень на 18,4 дБ ниже по сравнению с четвертой гармоникой, поэтому ее можно не учитывать.
Целью изобретения является уменьшение уровня четных побочных гармоник на выходе удвоителя частоты.
Это достигается тем, что в гармонический удвоитель частоты, содержащий задающий генератор и первый фазоинверсный каскад, вход которого соединен с выходом задающего генератора, первый двухтактный каскад, включающий первый АЭ и второй АЭ, выходные электроды которых соединены между собой, первый нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к точке соединения выходных электродов первого АЭ и второго АЭ, а второй вывод первого нагрузочного резистора подсоединен к потенциальному выводу источника напряжения питания, при этом истоковый электрод первого АЭ подсоединен к синфазному выходу первого фазоинверсного каскада и, через первый резистор, с общей точкой, а истоковый электрод второго АЭ соединен с противофазным выходом первого фазоинферсного каскада, и, через второй резистор, с общей точкой, кроме этого, управляющие электроды первого АЭ и второго АЭ соединены соответственно через первый конденсатор и второй конденсатор с общей точкой, третий конденсатор, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выходных электродов первого АЭ и второго АЭ, введены первая последовательная цепь, состоящая из третьего резистора и первого источника напряжения смещения, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду первого АЭ, а второй вывод этой цепи подключен к общей точке, вторая последовательная цепь, состоящая из четвертого резистора и второго источника напряжения смещения, первый вывод которой подключен к управляющему электроду второго АЭ, а второй вывод этой цепи соединен с общей точкой, фазовращатель с фазовым сдвигом 90°, вход которого подключен к точке соединения выхода задающего генератора и входа первого фазоинверсного каскада, второй фазоинверсный каскад, вход которого подсоединен к выходу фазовращателя с фазовым сдвигом 90°, второй двухтактный каскад, включающий третий АЭ и четвертый АЭ, выходные электроды которых соединены между собой, второй нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к точке соединения выходных электродов третьего АЭ и четвертого АЭ, а второй вывод второго нагрузочного резистора подсоединен к потенциальному выводу источника напряжения питания, пятый резистор, первый вывод которого соединен с истоковым электродом третьего АЭ и синфазным выходом второго фазоинверсного каскада, а второй его вывод подключен к общей точке, шестой резистор, первый вывод которого подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ и противофазному выходу второго фазоинверсного каскада, а второй его вывод соединен с общей точкой, четвертый конденсатор, первый вывод которого подключен к управляющему электроду третьего АЭ, а второй его вывод соединен с общей точкой, пятый конденсатор, первый вывод которого подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ, а второй его вывод подсоединен к общей точке, третья последовательная цепь, состоящая из пятого резистора и третьего источника напряжения смещения, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду третьего АЭ, а второй вывод этой цепи подключен к общей точке, четвертая последовательная цепь, состоящая из шестого резистора и четвертого источника напряжения смещения, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ, а второй вывод этой цепи соединен с общей точкой, шестой конденсатор, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выходных электродов третьего АЭ и четвертого АЭ, и выходная согласующая цепь с двумя противофазными входами, при этом второй вывод третьего конденсатора подключен к синфазному входу выходной согласующей цепи, а второй вывод шестого конденсатора подсоединен к противофазному входу выходной согласующей цепи, при этом выходом устройства является выход выходной согласующей цепи.
На чертеже приведена схема гармонического удвоителя частоты.
Гармонический удвоитель частоты содержит задающий генератор 1 и первый фазоинверсный каскад 2, вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, первый двухтактный каскад, включающий первый АЭ 3 и второй АЭ 4, выходные электроды которых соединены между собой, первый нагрузочный резистор 5, первый вывод которого подключен к точке соединения выходных электродов первого АЭ 3 и второго АЭ 4, а второй вывод первого нагрузочного резистора 5 подсоединен к потенциальному выводу источника напряжения питания, при этом истоковый электрод первого АЭ 3 подсоединен к синфазному выходу первого фазоинверсного каскада 2 и, через первый резистор 6, с общей точкой, а истоковый электрод второго АЭ 4 соединен с противофазным выходом первого фазоинферсного каскада 2, и, через второй резистор 7, с общей точкой, кроме этого, управляющие электроды первого активного элемента 3 и второго АЭ 4 соединены соответственно через первый конденсатор 8 и второй конденсатор 9 с общей точкой, третий конденсатор 10, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выходных электродов первого АЭ 3 и второго АЭ 4.
Введены первая последовательная цепь, состоящая из третьего резистора 11 и первого источника напряжения смещения 12, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду первого АЭ 3, а второй вывод этой цепи подключен к общей точке, вторая последовательная цепь, состоящая из четвертого резистора 13 и второго источника напряжения смещения 14, первый вывод которой подключен к управляющему электроду второго АЭ 4, а второй вывод этой цепи соединен с общей точкой, фазовращатель 15 с фазовым сдвигом 90°, вход которого подключен к точке соединения выхода задающего генератора 1 и входа первого фазоинверсного каскада 2, второй фазоинверсный каскад 16, вход которого подсоединен к выходу фазовращателя 15 с фазовым сдвигом 90°, второй двухтактный каскад, включающий третий АЭ 17 и четвертый АЭ 18, выходные электроды которых соединены между собой, второй нагрузочный резистор 19, первый вывод которого подключен к точке соединения выходных электродов третьего АЭ 17 и четвертого АЭ 18, а второй вывод второго нагрузочного резистора 19 подсоединен к потенциальному выводу источника напряжения питания, пятый резистор 20, первый вывод которого соединен с истоковым электродом третьего АЭ 17 и синфазным выходом второго фазоинверсного каскада, а второй его вывод подключен к общей точке, шестой резистор 21, первый вывод которого подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ 18 и противофазному выходу второго фазоинверсного каскада 16, а второй его вывод соединен с общей точкой, четвертый конденсатор 22, первый вывод которого подключен к управляющему электроду третьего АЭ 17, а второй его вывод соединен с общей точкой, пятый конденсатор 23, первый вывод которого подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ 18, а второй его вывод подсоединен к общей точке, третья последовательная цепь, состоящая из пятого резистора 24 и третьего источника напряжения смещения 25, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду третьего АЭ 17, а второй вывод этой цепи подключен к общей точке, четвертая последовательная цепь, состоящая из шестого резистора 26 и четвертого источника напряжения смещения 27, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ 18, а второй вывод этой цепи соединен с общей точкой, шестой конденсатор 28, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выходных электродов третьего АЭ 17 и четвертого АЭ 18, и выходная согласующая цепь 29 с двумя противофазными входами, при этом второй вывод третьего конденсатора 10 подключен к синфазному входу выходной согласующей цепи 29, а второй вывод шестого конденсатора 28 подсоединен к противофазному входу выходной согласующей цепи 29. Выходом устройства является выход выходной согласующей цепи 29.
Гармонический удвоитель частоты работает следующим образом.
с1
с2
Сигнал частоты ω с выхода задающего генератора 1 передается на первый фазоинверсный каскад 2. В результате на его выходах образуются два противофазных напряжения с практически одинаковыми амплитудами. Далее каждое из этих напряжений передается на управляющие электроды первого АЭ 3 и второго АЭ 4 соответственно. Одновременно на управляющий электрод первого АЭ 3 через первый резистор 11 подается напряжение смещения Е, создаваемое первым источником напряжения смещения 12, а на управляющий электрод второго АЭ 4 через второй резистор 13 подается напряжение смещения Е, создаваемое вторым источником напряжения смещения 14. В результате на истоковый электрод первого АЭ 3 воздействует напряжение
где  - амплитуда напряжения на истоковом электроде первого АЭ 3 относительно управляющего электрода, заземленного по высокой частоте через первый конденсатор 8, являющийся блокировочным, а на истоковый электрод второго АЭ 4 воздействует напряжение
где  - амплитуда напряжения на входе второго АЭ 4 относительно его управляющего электрода, заземленного по высокой частоте через второй конденсатор 9, являющийся блокировочным.
Фазовый угол Ф=180° между напряжениями (1) и (2) образуется первым фазоинверсным каскадом 2.
При воздействии напряжения (1) на вход первого АЭ 3 и при его работе отсечкой по выходной цепи первого АЭ 3 протекает ток
где , ,  и  - амплитуды токов первой, второй, третьей и четвертой гармоник соответственно. Эти гармоники синфазны и на первом нагрузочном резисторе 5 образуют напряжение с аналогичным спектром.
При воздействии напряжения (2) на истоковый электрод второго АЭ 4, относительно управляющего электрода, заземленного по высокой частоте, через его выход и первый нагрузочный резистор 5 протекает ток
где , ,  и  - амплитуды токов первой, второй, третьей и четвертой гармоник соответственно.
n
Как следует из (3) и (4), спектр амплитуд тока  совпадает со спектром тока , а спектр фаз имеет значения Ф=n·180° (n=1, 2, 3, … номер гармоник). При n=2, 4 и т.д. (четные гармоники) начальные фазы равны 360°, 720° или кратны периоду колебания, поэтому четные гармоники токов  и  синфазны. Нечетные гармоники имеют фазовый сдвиг 180°, 540° и т.д.
Поэтому нечетные гармоники токов  и  противофазны.
Через первый нагрузочный резистор 5 протекает ток . Спектр этого тока в соответствии с учетом (3) и (4) и при равенстве амплитуд напряжений, воздействующих на входы АЭ 3 и АЭ 4, имеет вид
т.е. содержит только четные гармоники, находящиеся в фазе.
Кроме этого, сигнал частоты ω с выхода задающего генератора 1 поступает и на вход фазовращателя 15 с фазовым сдвигом 90°, который затем передается на вход второго фазоинверсного каскада 16. В результате на выходах этого каскада образуется два противофазных напряжения.
с3
При этом на истоковом электроде третьего АЭ 17 при подаче на него напряжения смещения Е с третьего источника напряжения смещения 25 через пятый резистор 24 относительно управляющего электрода образуется напряжение
где  - амплитуда напряжения относительно его управляющего электрода, который через четвертый конденсатор 22, являющийся блокировочным, заземлен по высокой частоте.
с4
На истоковом электроде четвертого АЭ 18 при подаче на него напряжения смещения Е с четвертого источника напряжения смещения 27 через шестой резистор 26 воздействует напряжение
где  - амплитуда напряжения относительно его управляющего электрода, который через пятый конденсатор 23, являющийся блокировочным, заземлен по высокой частоте.
В результате воздействия напряжения (6) на истоковый электрод третьего АЭ через его выходную цепь протекает ток
где  - амплитуды токов первой, второй, третьей и четвертой гармоник соответственно.
При воздействии напряжения (7) на истоковый электрод четвертого АЭ 18 через него протекает ток
где , , ,  - амплитуды токов первой, второй, третьей и четвертой гармоник соответственно.
Через второй нагрузочный резистор 19 при идентичности параметров третьего АЭ 17 и четвертого АЭ 18 с учетом фазовых сдвигов токов  (8) и  (9) протекает ток
который содержит только четные гармоники, каждая из которых находится в противофазе с соседней.
вых1
вых2
вых1
Из сравнения спектора токов i (5) и i (10) следует, что вторые гармоники этих токов противофазны, а четвертые гармоники этих токов синфазны. Спектр напряжения, создаваемый током i на первом нагрузочном резисторе 5 определяется зависимостью (5), а спектр напряжения на втором нагрузочном резисторе 19 определяется зависимостью (10).
При воздействии напряжения, создаваемого на первом нагрузочном резисторе 5 на синфазный вход выходной согласующей цепи 29 через третий конденсатор 10, и напряжения, создаваемого на втором нагрузочном резисторе 19 на противофазный вход выходной согласующей цепи 29 через шестой конденсатор 24, на выход этой цепи передается только вторая гармоника 2ω, поскольку выходная согласующая цепь передает разностный (противофазный) сигнал, воздействующий на ее входы. Четвертая гармоника сигнала, приложенного к входам выходной согласующей цепи 29 при этом компенсируется и на выход не передается, а остается только вторая гармоника. Следует также отметить, что на выход заявляемого устройства не передается восьмая и другие гармоники, кратные четырем.
Что касается остальных четных гармоник (шестой, десятой и т.д.), то их уровень существенно ниже второй гармоники как минимум на 60 дБ и для большинства практических задач является несущественным.
Таким образом, заявляемое устройство существенно уменьшает уровень четных побочных гармоник по сравнению с известными устройствами.
Необходимо отметить, что выбор элементной базы в заявляемом устройстве не имеет принципиальных трудностей. Так, наиболее высокие требования предъявляются к активным элементам, в качестве которых можно использовать как биполярные, так и полевые транзисторы. При этом более целесообразно использовать полевые транзисторы, поскольку для большинства современных транзисторов этого типа проходная характеристика ближе к квадратичной параболе. При этом для обеспечения высокой идентичности параметров каждая из использованных пар АЭ: первого АЭ 3 и второго АЭ 4, третьего АЭ 17 и четвертого АЭ 18, должна выполняться в виде дифференциальной пары, что при использовании интегральной технологии достигается с высокой точностью.
Фазоинверсные каскады наиболее целесообразно выполнять либо на основе парафазного каскада, либо на основе дифференциального каскада, что также реализуемо по интегральной технологии.
Выходную согласующую цепь 29 с целью обеспечения технологичности необходимо реализовывать в виде дифференциального усилителя или операционного усилителя, чтобы выделить и по возможности усилить разностный вывод.
Что касается других использованных элементов (конденсаторов и резисторов), то эти элементы также технологически реализуемы. При этом первый конденсатор 8, второй конденсатор 9, третий конденсатор 10, четвертый конденсатор 22, пятый конденсатор 23 и шестой конденсатор 29 являются блокировочными по высокой частоте. Их номинал в зависимости от диапазона частот составляет от единиц пФ до десятков пФ, что технологически реализуемо. Сопротивления первого резистора, второго резистора, третьего резистора, четвертого резистора, пятого резистора и шестого резистора, а также первого нагрузочного резистора и второго нагрузочного резистора составляют от сотен Ом до десятков кОм, что также реализуемо.
Источники напряжения смещения 12, 14, 25 и 27 должны быть стабилизированными, чтобы обеспечить в течение времени равенство Ес=Е', где Е'- напряжение отсечки АЭ.
Фазовращатель 16 с фазовым сдвигом 90° целесообразно реализовывать в виде активной RC-цепи, позволяющей обеспечить коэффициент передачи, равный 1, стабильность фазового сдвига и высокую технологичность.
Таким образом, заявляемый удвоитель частоты отвечает требованиям промышленной реализуемости и имеет значительно меньший уровень четных побочных гармоник на выходе по сравнению с известными устройствами.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Пат. 2257665 Российская Федерация, МКИ Н03В 19/06. Гармонический умножитель частоты / М.И.Бочаров; №2004106839/09; заявл. 09.03.2004; опубл. 27.07.2005; Бюл. №21.
2. Бруевич А.Н., Евтянов С.И. Аппроксимация нелинейных характеристик и спектры при гармоническом воздействии. - М., Сов. радио, 1965, с.296-301.