ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Область техники
Полезная модель относится к устройствам СВЧ-техники, в частности к СВЧ-умножителям частоты, применяемым для расширения полосы частот генераторов сигналов, а также расширения динамического диапазона и увеличения уровня выходной мощности.
Уровень техники
Известен умножитель частоты высокой кратности, в котором использован входной усилитель, емкостной делитель, к которому подключены две переменные индуктивности, а также резистор, соединенный с общей точкой между индуктивностями. Выход одной из катушек соединен с умножителем, выполненным на диодах с накоплением зарядов 2А604А. Умноженный сигнал поступает на вход узкополосного полосно-пропускающего фильтра, настроенного на 24-ю гармонику, с интегрированным n-i-p-i-n-диодом, выполняющего роль СВЧ ключа (RU 2628993, http://www1.fips.ru/).
Недостатком устройства является работа в узком диапазоне частот, из-за применения схемы умножения высокой кратности. Следствием высокой кратности является большое количество гармонических и субгармонических составляющих в выходном спектре. При применении данного устройства в миллиметровом диапазоне длин волн с широкой полосой рабочего сигнала, потребуется усложнение конструкции, что приведет к увеличению габаритных размеров т.к. требуется наличие многоканального селектора с числом полос не менее 10.
Известен умножитель частоты, содержащий управляемый генератор с блоком фазовой автоподстройки частоты, последовательно соединенные нелинейный элемент и резонансную систему. В который 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 сверхширокополосного малошумящего усилителя (RU 51804, http://www1.fips.ru/).
Недостатком данного устройства является наличие встроенного генератора с системой ФАПЧ и схемой автоматической регулировки уровня, которая необходима для поддержания достаточного уровня мощности на входе нелинейного элемента (МШУ) для его работы в нелинейном режиме. Так как принцип работы устройства основан на работе МШУ в нелинейном режиме, то это приводит к генерации на выходе нелинейного элемента гармонических составляющих с высоким уровнем мощности. В задачах, требующих высокую чистоту спектра выходного сигнала, данная схема потребует добавления дополнительных фильтров с высоким уровнем подавления, как гармонических, так и субгармонических составляющих, что приведет к увеличению потерь мощности сигнала, усложнению конструкции всей схемы и увеличению габаритов устройства.
Использование в схеме умножителя частоты встроенного генератора, управляемого напряжением, ограничивает применение умножителя частоты, т.к устройство не может работать от независимого источника СВЧ сигнала.
Проведенный поиск по патентным и научно-техническим источникам информации не выявил наиболее близкого аналога-прототипа.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание умножителя частоты, обеспечивающего расширение полосы частот генераторов сигналов СВЧ до 40 ГГц при уровне субгармоник и побочных полос пропускания в выходном спектре не менее -90 дБс, а также амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ) выходного сигнала, с увеличением динамического диапазона до 94.5 дБ.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении двукратного умножения частоты входного сигнала с возможностью получения высокой чистоты спектра и формирования амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) выходного сигнала.
Сущность технического решения заявляемой полезной модели заключается в том, что широкополосный умножитель частоты, включает первый быстродействующий СВЧ ключ выходы которого соединены со вторым и восьмым быстродействующими СВЧ ключами, второй быстродействующий СВЧ ключ соединен с входом первого умножителя и третьим быстродействующим СВЧ ключом, выход первого умножителя соединен с первым фильтром, третий быстродействующий СВЧ ключ соединен со входами второго и третьего умножителя частоты, выход второго умножителя соединен с входом второго фильтра, выход третьего умножителя соединен с входом третьего фильтра, выходы второго и третьего фильтров соединены с четвертым быстродействующим СВЧ ключом, выходы первого фильтра и четвертого быстродействующего СВЧ ключа соединены с пятым быстродействующим СВЧ ключом, выход которого соединен с последовательно соединенными первым и вторым аттенюаторами, шестым быстродействующим СВЧ ключом, первым малошумящим усилителем, третьим аттенюатором, седьмым быстродействующим СВЧ ключом, вторым усилителем мощности, выход которого соединен с восьмым быстродействующим СВЧ ключом, при этом второй быстродействующий СВЧ ключ является входом трех канального селектора, в каждом канале которого находятся умножители частоты с кратностью 2, выходы которых последовательно соединены первым, вторым и третьим фильтрами соответственно, состоящими из двух полосовых фильтров и фильтра нижних частот между ними, при этом второй и третий канал селектора образуют параллельно соединенную цепь, также применение шестого и седьмого быстродействующих СВЧ ключей позволяет формировать режим амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), применение первого, второго и третьего аттенюаторов и первого малошумящего усилителя и второго усилителя мощности позволяет расширить динамический диапазон и увеличить уровень выходной мощности.
Краткое описание чертежей
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми иллюстрациями, на которых показано: фиг. 1 - схема широкополосного умножителя частоты; фиг. 2 - спектр сигнала с выхода умножителя частоты на частоте 32,0 ГТц.;
где К1…К8 - быстродействующие СВЧ ключи, время переключения между каналами которых составляет не более 10 нс;
УЧ1…УЧ3 - умножители частоты с кратностью 2;
Ф1…Ф3 - фильтры;
АТТ1…АТТ3 - аттенюаторы;
У1 - малошумящий усилитель;
У2 - усилитель мощности.
Осуществление полезной модели
Устройство работает следующим образом.
Сигнал поступает на вход умножителя частоты в диапазоне рабочих частот 100 кГц-20,0 ГГц. Далее при использовании быстродействующих СВЧ ключей К1 и К8 он поступает в сквозной канал на выход умножителя.
Формирование на выходе умножителя сигнала в диапазоне 20,0-40,0 ГГц происходит следующим образом.
При подаче на вход устройства сигнала в диапазоне 10,0-13,0 ГГц, сигнал в устройстве проходит через ключи К1, К2 и К3 и поступает на вход умножителя частоты УЧ3. УЧ3 имеет коэффициент умножения равный 2. Соответственно, на его выходе формируется сигнал в диапазоне 20,0-26,0 ГГц. Далее, сформированный сигнал поступает на вход фильтра Ф3. Фильтр Ф3 состоит из последовательно, включенных полосовых фильтров и фильтра нижних частот. Такое включение фильтров обеспечивает высокое подавление, как субгармонических, так и гармонических составляющих в спектре выходного сигнала умножителя УЧ3. С выхода фильтра Ф3 сигнал проходит через СВЧ ключи К4, К5 и поступает в общий для всех умножителей (УЧ1, УЧ2, УЧ3) канал.
При подаче на вход устройства сигнала в диапазоне 13,0-16,0 ГГц, сигнал в устройстве проходит через ключи К1, К2 и К3 и поступает на вход умножителя частоты УЧ2. Умножитель УЧ2 имеет коэффициент умножения равный 2. Соответственно, на его выходе формируется сигнал в диапазоне 26,0-32,0 ГГц. Далее, сформированный сигнал поступает на вход фильтра Ф2. Фильтр Ф2 состоит из последовательно, включенных полосовых фильтров и фильтра нижних частот. С выхода фильтра Ф2 сигнал проходит через СВЧ ключи К4, К5 и поступает в общий для всех умножителей (УЧ1, УЧ2, УЧ3) канал.
При подаче на вход устройства сигнала в диапазоне 16,0-20,0 ГГц, сигнал в устройстве проходит через ключи К1, К2 и поступает на вход умножителя частоты УЧ1. Умножитель частоты УЧ1 имеет коэффициент умножения равный 2. Соответственно, на его выходе формируется сигнал в диапазоне 32,0-40,0 ГГц. Далее, сформированный сигнал поступает на вход фильтра Ф1. Фильтр Ф1 состоит из последовательно, включенных полосовых фильтров и фильтра нижних частот. С выхода фильтра Ф1 сигнал проходит через СВЧ ключ К5 и поступает в общий для всех умножителей (УЧ1, УЧ2, УЧ3) канал.
Таким образом, на умножителях УЧ1, УЧ2, УЧ3 формируется суммарная полоса рабочих частот 20,0 - 40,0 ГГц.
Общий канал состоит из электронно-управляемых аттенюаторов - АТТ1, АТТ2, АТТ3, быстродействующих СВЧ ключей К6, К7, малошумящего усилителя - У1 и усилителя мощности У2. Аттенюаторы, ключи и усилители общего канала работают в широком диапазоне частот (20,0-40,0 ГГц). Каждый электронно-управляемый аттенюатор имеет шаг регулировки мощности 0,5 дБ с общим подавлением 31,5 дБ. Суммарное подавление всех аттенюаторов составляет 94,5 дБ. Усилители У1 и У2 необходимы для получения высокого уровня мощности -+20 дБм, на выходе устройства. Таким образом, максимальный уровень выходной мощности на выходе устройства в диапазоне частот 20,0-40,0 ГГц, при подаче команды управления нулевого подавления на электронно-управляемых аттенюаторах - АТТ1, АТТ2, АТТ3, будет составлять +20 дБм, а при подаче команды управления максимального подавления на электронно-управляемых аттенюаторах - АТТ1, АТТ2, АТТ3, будет составлять -74,5 дБм. Т.е. динамический диапазон умножителя составит 94,5 дБ.
Для подтверждения полученных результатов заявляемой полезной модели были проведены измерения на анализаторе спектра Agilent PSA Е4446А. Для примера на фиг. 2 представлен результат измерений спектра сигнала с выхода умножителя частоты на частоте 32 ГГц. Из результатов измерений видно, что уровень субгармоник и побочных полос пропускания в выходном спектре умножителя составляет не менее -90 дБс.
Быстродействующие СВЧ ключи К6, К7 выполняют роль амплитудных модуляторов, при подаче на них внешних управляющих импульсов.
Следовательно, при подаче на вход умножителя частоты сигнала с рабочим диапазоном частот 100 кГц - 20,0 ГГц при включении ключей К1 и К8 он поступает в сквозной канал на выход умножителя без изменений. При подаче на вход умножителя частоты сигнала с рабочим диапазоном частот 10,0 ГГц-20,0 ГГц при использовании умножителей частоты УЧ1, УЧ2, УЧ3 на выходе устройства формируется сигнал в рабочем диапазоне частот 20,0-40,0 ГГц. Соответственно, суммарный диапазон рабочих частот устройства составляет 100 кГц-40,0 ГГц.