ГАРМОНИЧЕСКИЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
HARMONIC FREQUENCY MULTIPLIER

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве источника синусоидальных колебаний повышенной частоты.
Известен гармонический умножитель частоты [1], содержащий 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.
Его недостатком является низкая эффективность, поскольку при воздействии на полупроводниковые диоды синусоидального колебания частоты ω спектр тока, протекающий через нагрузочный резистор, определяется выражением
0
2
4
где I- постоянная составляющая тока; I, I- амплитуды тока второй, четверной и др. четных гармоник.
0
Из (1) следует, что спектр тока наряду с четными гармониками 2ω, 4ω и т.д., создающими полезный эффект на нагрузочном резисторе, содержит и постоянную составляющую напряжения, образованную током I.
Как известно [1, с.214], отношение мощности N-й гармоники к мощности постоянной составляющей определяется соотношением
0
0
H
H
2
где P=I R - мощность постоянной составляющей; R - номинал нагрузочного резистора.
Из (2) следует, что эффективность преобразования входной мощности частоты ω в мощность второй гармоники устройством [1] меньше 33%. Эффективность преобразования для других гармоник еще ниже.
0
Таким образом эффективность преобразования мощности сигнала частоты ω в мощность четных гармоник мала из-за большой мощности постоянной составляющей Р, возникающей в процессе преобразования частоты.
Изобретение направлено на повышение эффективности умножителя частоты.
Это достигается тем, что в гармонический умножитель частоты, содержащий задающий генератор, генерирующий входное синусоидальное 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, введены 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.
На фиг.1 приведена схема умножителя частоты.
Гармонический умножитель частоты содержит задающий генератор 1, генерирующий входное синусоидальное колебание частоты ω, фазоинвертор 2 с синфазным и противофазным выходами, формирующий гармонические синфазное и противофазное напряжения, первый полупроводниковый диод 3 и второй полупроводниковый диод 4, при этом анод первого полупроводникового диода 3 подключен к синфазному выходу фазоинвертора 2, а анод второго полупроводникового диода 4 соединен с инвертирующим выходом фазоинвертора 2, нагрузочный резистор 5, первый вывод которого подключен к общей точке, введены первый транзистор 6, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам первого полупроводникового диода 3, второй транзистор 7, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам второго полупроводникового диода 4, первый конденсатор 8, первый вывод которого подключен к катоду первого полупроводникового диода 3, а второй его вывод соединен со вторым выводом нагрузочного резистора 5, второй конденсатор 9, первый вывод которого подключен к катоду второго полупроводникового диода 4, а второй его вывод соединен со вторым выводом нагрузочного резистора 5, первый резистор 10, первый вывод которого соединен с синфазным выходом фазоинвертора 2, а второй его вывод подключен к базе второго транзистора 7, второй резистор 11, первый вывод которого соединен с противофазным выходом фазоинвертора 2, а второй его вывод подключен к базе первого транзистора 6, при этом точка соединения второго вывода первого конденсатора 8 со вторым выводом нагрузочного резистора 5 является выходом устройства.
Гармонический умножитель частоты работает следующим образом.
Сигнал входной частоты ω, генерируемый задающим генератором 1, поступает на вход фазоинвертора 2. В результате на его синфазном выходе также образуется синфазное синусоидальное напряжение частоты ω (фиг.2, а, штриховая линия)
фс
где U - амплитуда напряжения синфазной составляющей на синфазном выходе фазоинвертора 2, которое затем через первый резистор 10 передается на базу второго транзистора 7.
На противофазном выходе фазоинвертора 2 образуется противофазное синусоидальное напряжение (фиг.2, б, штриховая линия)
фп
где U - амплитуда напряжения противофазной составляющей на противофазном выходе фазоинвертора 2, которое через второй резистор 11 передается на базу первого транзистора 6.
1
Одновременно напряжение (3) воздействует на первую последовательную цепь, состоящую из параллельно включенных первого транзистора 6 с первым полупроводниковым диодом 3, первого конденсатора 8 и нагрузочного резистора 5, создавая в этой цепи ток i (фиг.2, д).
2
При этом напряжение (4) воздействует на вторую последовательную цепь, состоящую из параллельно включенных второго полупроводникового диода 4 со вторым транзистором 7, второго конденсатора 9 и нагрузочного резистора 5. По этой цепи протекает ток i (фиг.2, ж).
Формирование выходного напряжения умножителя частоты происходит следующим образом.
1
2
фс
6
1
1
2
На интервале времени t-t, когда напряжение u (фиг.2, а), воздействующее на первую последовательную цепь, состоящую из параллельно включенных первого транзистора 6 с первым полупроводниковым диодом 3, первого конденсатора 8 и нагрузочного резистора 5, положительно и плюсом приложено к эмиттеру первого транзистора 6, а напряжение u между базой и эмиттером этого транзистора отрицательно, то первый транзистор 6 закрыт, и поэтому ток i=0 на всем интервале времени t-t (фиг.2, д), поскольку напряжение отсечки транзисторов Е' мало и для упрощения рассуждений принято равным нулю.
фп
7
фп
1
2
1
фп
2
фп
2
2
фп
На этом же интервале времени напряжение u (фиг.2, б), воздействующее на вторую последовательную цепь, состоящую из параллельно включенных второго полупроводникового диода 4 со вторым транзистором 7, второго конденсатора 9 и нагрузочного резистора 5, отрицательно и приложено минусом к эмиттеру второго транзистора 7, а напряжение u между базой и эмиттером этого транзистора положительно (фиг.2, г). Поэтому второй транзистор 7 открыт, и практически все напряжение u при малой величине сопротивления нагрузочного резистора 5 приложено ко второму конденсатору 9 (фиг.2, б, сплошная линия). В результате через второй конденсатор 9 протекает ток  (фиг.2, ж), где С - номинал второго конденсатора 9. Этот ток на интервале времени t-t имеет форму импульса в виде отрезка синусоиды, причем на интервале времени t-0 этот импульс тока отрицательной полярности, поскольку напряжение u на этом интервале - убывающая функция (имеет отрицательный наклон). На интервале времени 0-t напряжение u является возрастающей функцией (имеет положительный наклон) (фиг.2, б). Поэтому импульс тока i, протекающего через второй полупроводниковый диод 4, на этом интервале имеет положительную полярность. При этом фазовый сдвиг между током i и приложенным напряжением u составляет 90°.
2
4
фс
6
фс
2
3
1
3
4
1
фс
На интервале времени t-t напряжение u, воздействующее на первую последовательную цепь, состоящую из параллельно включенных первого транзистора 6 с первым полупроводниковым диодом 3, первого конденсатора 8 и нагрузочного резистора 5, отрицательно и приложено минусом к эмиттеру первого транзистора 6. Поскольку при этом напряжение u между базой и эмиттером этого транзистора положительно, то первый транзистор 6 открыт. В результате практически все напряжение u, воздействующее на первую последовательную цепь, при малом номинале нагрузочного резистора 5 приложено к первому конденсатору 8 (фиг.2, а, сплошная линия). В результате через первый конденсатор 8 протекает ток  (фиг.2, д), который на этом интервале времени имеет также форму импульса в виде отрезка синусоиды. При этом на интервале времени t-t ток i протекает через первый полупроводниковый диод 3 и имеет отрицательную полярность, а на интервале времени t-t, через первый транзистор 6 и имеет положительную полярность. При этом фазовый сдвиг между током i и приложенным напряжением u составляет 90°.
2
4
фп
7
2
2
На интервале времени t-t напряжение u, воздействующее на вторую последовательную цепь, состоящую из параллельно включенных второго полупроводникового диода 4 со вторым транзистором 7, второго конденсатора 9 и нагрузочного резистора 5, положительно (фиг.2, б) и приложено минусом к эмиттеру второго транзистора 7, а напряжение u между базой и эмиттером этого транзистора (фиг.2, г) отрицательно. Поэтому второй транзистор 7 закрыт, и ток i через вторую последовательную цепь на этом интервале времени не протекает (i=0).
1
2
Σ
1
2
Необходимо отметить, что спектры токов i и i в общем случае содержат как составляющие частоты ω, так и ее гармоники. Через нагрузочный резистор 5 протекает ток i=i+i.
Σ
4
8
фс
фп
Σ
Аналогично изложенному выше происходит процесс формирования тока i и на других интервалах времени t-t и т.д., равных периоду колебаний Т воздействующих колебаний u и u. При этом ток i содержит только четные гармоники, поскольку нечетные гармоники с учетом фазового сдвига напряжения (4) взаимно компенсируются.
2
4
Σ
Как следует из временных диаграмм, приведенных на фиг.2, д и на фиг.2 ж, на интервале времени t-t ток i имеет форму, близкую к удвоенной частоте (фиг.2, з). В результате сформирован ток
2
4
0
где I', I' - амплитуды токов второй и четвертой гармоник, который представляет периодическую функцию с периодом Т/2, не содержащую постоянную составляющую тока, поскольку ее среднее значение I=0 за период колебаний (фиг.2, з), а состоит только из четных гармоник: 2ω, 4ω и т.д.
0
Заявляемое устройство принципиально отличается от устройства [1] тем, что, как следует из (5), не содержится постоянная составляющая тока I, которая в устройстве [1] значительно превышает амплитуды гармонических составляющих. Поэтому заявляемое устройство является генератором четных гармоник, предельная эффективность которого составляет 100%.
Напряжение на выходе заявляемого устройства (фиг.1) определяется соотношением
Σ
Как следует из (6), выходное напряжение повторяет форму суммарного тока i и близко к синусоиде частоты 2ω. Поэтому заявляемое устройство в первом приближении является удвоителем частоты.
Необходимо отметить, что при практическом выполнении заявляемого устройства в качестве фазоинвертора 2 можно использовать как широкополосный трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками, аналогично устройству [1], так и активную цепь, выполненную в виде парафазного усилителя с двумя противофазными выходами. В обоих случаях заявляемое устройство также работает в широкой полосе частот, поскольку в нем нет колебательных контуров.
Реализация пониженного уровня побочных гармоник в выходном колебании достигается использованием нагрузки в виде избирательной цепи. Однако полоса рабочих частот при этом, естественно, сужается.
1
2
Оптимальные условия работы заявляемого устройства достигаются выполнением ряда требований. Так, для создания режима управления гармоническим напряжением необходимо, чтобы выходное сопротивление каждого плеча фазоинвертора 2 в несколько раз превышало сопротивление нагрузки, подключенной к каждому из его плеч на интервалах времени, когда через них протекают токи i и i соответственно. При реализации фазоинвертора на трансформаторе это требование реализуется путем выбора соответствующего значения коэффициента трансформации этого трансформатора. При выполнении фазоинвертора на активном элементе для реализации заданных требований необходимо иметь амплитуду напряжения частоты ω на выходе его плеч достаточно большой величины. Однако с учетом того, что биполярные транзисторы являются низковольтными элементами, это требование реализуемо даже при относительно небольшом напряжении питания этого каскада.
т
Необходимый уровень напряжения на выходе плеч фазоинвертора 2 определяется условиями работы первого и второго транзисторов 6 и 7. Так, для полного переключения этих транзисторов необходимо, чтобы между их входными электродами (база - эмиттер) напряжение входной частоты ω с учетом напряжения их отсечки Е'=0,5-0,7 В для кремниевых транзисторов и Е'=0,2-0,3 В для германиевых транзисторов составляло 1,5-2 В. Амплитуда напряжения между коллектором и эмиттером должна превышать амплитуду напряжения между эмиттером и базой в несколько раз, чтобы эти транзисторы были полностью открыты и перешли в режим насыщения. При этом их сопротивление становится минимальным. При выборе типов транзисторов 6 и 7 необходимо, чтобы при работе мгновенные значения токов и напряжений на их электродах не превышали допустимые величины. Кроме этого параметры этих транзисторов во многом определяют диапазон рабочих частот устройства, так как другие элементы схемы менее критичны. Так, для обеспечения работоспособности в области высоких частот необходимо выбрать эти транзисторы с граничной частотой f, как минимум, в несколько раз превышающей верхнюю рабочую частоту. В учетом этого верхняя рабочая частота заявляемого устройства составляет сотни МГц.
Номинал нагрузочного резистора 5 должен быть таким, чтобы в нагрузку передавалась максимальная мощность. Поскольку биполярные транзисторы являются низковольтными элементами и работают в режиме насыщения, то через них протекает достаточно большой ток. Поэтому сопротивление нагрузочного резистора 5 должно быть небольшим и составлять величину до нескольких десятков Ом.
Реактивные сопротивления конденсаторов 8 и 9 должны быть одинаковыми, чтобы обеспечивать симметрию работы устройства. С целью обеспечения наибольшей преобразуемой мощности и эффективности работы устройства их реактивные сопротивления должны, как минимум, в несколько раз превышать сопротивление нагрузочного резистора.
Сопротивления первого резистора 10 и второго резистора 11 выбираются из условия создания оптимального режима работы переходов база-эмиттер транзисторов в режиме открывания. С учетом реальных значений тока базы этих транзисторов их номиналы должны составлять от нескольких сотен Ом до нескольких кОм.
1
2
Допустимые токи полупроводниковых диодов 3 и 4 выбираются из условия обеспечения прохождения импульсов тока i и i, а их сопротивления должны вносить как можно меньше потерь в цепи. Кроме этого на высоких частотах емкостная составляющая их сопротивления не должна влиять на режим работы устройства. Это достигается при условии, что емкостное сопротивление этих диодов, обусловленное паразитной емкостью, не создает инерционности.
фс
фп
Необходимо отметить, что работа заявляемого устройства не критична к выбору параметров элементов его принципиальной схемы, поскольку устройство не содержит избирательных фильтров. Однако для эффективного подавления спектральной составляющей тока частоты ω, протекающего через нагрузочный резистор 5, необходимо обеспечить достаточно хорошую симметрию плеч схемы. Это прежде всего касается номиналов конденсаторов 8 и 9, а также равенства амплитуд напряжений u и u, формируемых фазоинвертором 2.
Таким образом, заявляемое устройство превышает в несколько раз эффективность известных устройств умножения частоты и отвечает условию промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. - М.: Связь, 1976, с.216, рис.6.3.