Радио дизайн и технологии. RF Design

Радио дизайн и технологии. РЧ оборудование, его разработка, тестирование. схемотехника. RF Design

Умножители частоты

now browsing by category

=

 

Умножители частоты с применением двухполупериодного выпрямления

Одной из разновидностей умножителей частоты являются устройства, основанные на эффекте удвоения частоты с использованием метода двухполупериодного выпрямления. Частота пульсаций напряжения на выходе такого выпрямителя превышает частоту входного напряжения в два раза. Практическим способом реализации резистивного удвоителя частоты является использование мостового выпрямителя (Bridge Rectifier). Топология этих умножителей отличается от диодных кольцевых смесителей другим соединением диодов.



Удвоитель частоты на основе мостового выпрямителя


В кольцевых смесителях требуется использование симметрирующих трансформаторов — балунов, тогда как в мостовых выпрямителях необходимо использовать трансформаторы. В качестве трансформаторов на входе и выходе умножителей могут использоваться резонансные контуры, однако наилучшие параметры достижимы при применении широкополосных симметрирующих трансформаторов. Такие трансформаторы обеспечивают лучшее согласование устройства по входу и выходу в широком диапазоне рабочих частот.

Ниже приведена оригинальная, широко используемая схема умножителя, называемая мостовым утроителем частоты Венцеля (Wenzel) [C. Wenzel]. Основой этого умножителя нечетного порядка является преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный, в качестве которого используется двухполупериодный диодный мост с применением диодов с барьером Шоттки и катушки индуктивности, замыкающей два узла моста по постоянному току.


Утроитель частоты на основе диодного моста Венцеля (Wenzel)


—————————————

  • C. Wenzel. New Topology Multiplier Generates Odd Harmonics. RF Design Magazine. www.wenzel.com/pdffiles/RFDesign2.pdf


===================================

Для получения специальных характеристик нелинейных устройств несколько диодов и транзисторов в РЧ умножителях могут быть соединены вместе. Для характеристики таких устройств зачастую используется термин «многоэлементные УЧ» (Multiple Device Frequency Multipliers)

Простым, но очень полезным приемом является использование встречно-параллельных (антипараллельных) диодов (anti-parallel diodes) и встречно-последовательных (антипоследовательных) варакторов (anti-series varactors). Такие диоды могут использоваться как ограничительный элемент и позволяют сформировать выходной сигнал с формой, близкой к прямоугольной.

Рисунок 8. Встречно-параллельные (антипараллельные) диоды и встречно-последовательные (антипоследовательные) варакторы и их рабочие характеристики

На рисунке 8a показаны встречно-параллельные (антипараллельные) диоды и соответствующая зависимость нелинейной формы тока от напряжения. Использование такой цепи подходит для генерации сигналов с формой, близкой к приведенной на рис. 2б, и необходимая гармоника частоты нечетного порядка фильтруются из выходного сигнала. Из рассмотрения рисунка 2б видно, что в колебании прямоугольной формы отсутствуют четные гармоники и поэтому проблема фильтрации для умножителей частоты, разработанных с применением этих компонентов, значительно упрощается.

На рисунке 8б показана встречно-последовательная комбинация варакторов, которые могут быть использованы в качестве симметричного варикапа, и позволяют сформировать выходной сигнал прямоугольной формы. Эта конфигурация лежит в основе так называемых варакторов с переходом на гетероструктурах HBV (Heterostructure Barrier Varactors).

Пассивные умножители частоты (Passive Frequency Multipliers)

В пассивных умножителях частоты, рабочим элементом которых являются полупроводниковые диоды, используются три основных метода умножения частоты:

  • преобразование формы входного сигнала и последующее выделение нужной гармоники;
  • умножение с использованием нелинейной емкости варактора (варикапа);
  • умножение с использованием схем выпрямления.

Достоинствами пассивных диодных умножителей частоты являются:

  • схемотехническая и конструктивная простота;
  • низкий уровень тепловых и фазовых шумов;
  • способность работать на очень высоких частотах вплоть до частот субмиллиметрового диапазона.

Принято выделять два типа умножителей частоты на диодах: реактивные (reactive type) и резистивные (resistive type).

  • Реактивные умножители (Reactive frequency multipliers) содержат варакторные диоды (варикапы varactor diode) или диоды с шаговым восстановлением (Step Recovery Diodes, SRD), называемые зачастую диодами с накоплением заряда.

Такие УЧ очень узкополосны по своей природе, так как входной и выходной импедансы схемы могут быть эффективно согласованы только в узкой полосе частот.

  • В резистивных умножителях частоты (Resistive frequency multiplication) используется нелинейное сопротивление (проводимость), присущее полупроводниковым диодам, например, диодам Шоттки.

Гармониковые умножители (Harmonic Multiplier)

 

Одним из основных методов построения УЧ является преобразование формы входного сигнала для обогащения спектра сигнала необходимыми гармониками с последующим выделением одной нужной гармоники.


Некоторые периодические сигналы и их представления в частотной области показаны на рисунке 1. Очевидно, что чисто синусоидальный сигнал с частотой fo, как показано на рисунке 1а, в спектральном представлении имеет только одну компоненту на основной частоте fo. Если этот сигнал преобразуется в сигналы другой формы, показанные на рисунке, то появившаяся необходимая гармоника основной частоты может быть выделена — отфильтрована.


Гармониковые РЧ умножители работают в определенном диапазоне входных частот и должны содержать нелинейные компоненты и выходные и входные фильтры (рис. 2). Нелинейная цепь искажает входной сигнал и, следовательно, порождает гармоники входного сигнала. С помощью используемого выходного полосового фильтра выбирается нужная гармоника частоты, и удаляются ненужные гармоники основной частоты и нежелательные комбинационные составляющие в выходном сигнале. Входной фильтр обеспечивает согласование импеданса следующего за ним нелинейного компонента (преобразователя) с выходом предыдущего каскада, кроме этого он предотвращает проникновение высокочастотных гармоник сигнала на вход умножителя.




Обобщенная структура УЧ с использованием фильтрующих элементов


По типу используемого нелинейного элемента гармониковые УЧ принято делить на два основных класса: активные и пассивные.

  • Пассивные РЧ умножители создают выходной сигнал с уровнем мощности, меньшим, чем у входного сигнала. Разница в уровне мощности между сигналом входного и выходного сигнала называется потерями преобразования (conversion loss), которые выражается в децибелах. Потери преобразования — отрицательное число, но обычно определяется как абсолютное значение, измеряемое в децибелах.
  • Активные РЧ умножители создают выходной сигнал с уровнем мощности, большим, чем у входного сигнала. Разница между уровнем мощности выходного сигнала и входного сигнала называется коэффициентом преобразования (conversion gain), измеряется в децибелах (дБ) и выражается положительным числом.

 


 

Умножители частоты УЧ (Frequency Multiplier)

При реализации современного радиооборудования зачастую требуются опорные колебания с частотами несколько сотен ГГц. В настоящее время ряд компаний выпускает серийно интегральные генераторы диапазона миллиметровых волн ММВ (выше 30 ГГц). Однако зачастую их достигнутые рабочие характеристики фазового шума и уровни выходной мощности не могут удовлетворить требования, предъявляемые к изделиям в различных приложениях.

Во многих случаях при построении таких ОГ для достижения лучших характеристик и выполнения технических требований используются петли фазовой синхронизации. Однако, если требующаяся выходная частота достаточно высока, осуществить необходимое в петлях ФАПЧ деление частоты выходного генератора по-прежнему сложно, несмотря на успехи в области цифровых технологий.

В связи с названными причинами, во многих случаях для получения опорных сигналов, обладающих необходимыми параметрами, особенно в диапазоне миллиметровых волн, применяют высококачественный низкочастотный стабильный опорный генератор, с последующим умножением частоты для достижения ее требуемого значения.

РЧ умножитель частоты УЧ (Frequency Multiplier) представляет собой электронную схему, формирующую выходной сигнал, частота которого является гармоникой (multiple) входной частоты.

Классификация умножителей частоты УЧ (Frequency Multiplier)

Умножители частоты (УЧ) могут быть разделены на классы с использованием различных классификационных признаков:


= По принципу функционирования:

  • Гармониковые (Harmonic Multiplier);
  • Синхронизированные:

На основе ФАПЧ;

На основе DLL;

С внешней синхронизацией (injection-locked);

  • Многофазные (Phase-controlled); УЧ на основе линейной суперпозиции (Linear superposition).

= По величине полосы рабочих частот

  • Фиксированные (Fixed);
  • Узкополосные; субоктавные (SubOctave);
  • Октавные (Octave);
  • Многооктавные (Multi-Octave);
  • Широкополосные (Broadband).

Гармониковые УЧ могут быть дополнительно разделены на классы.

= По типу используемого нелинейного элемента:

  • Пассивные;
  • Активные;

= По методу выделения рабочей гармоники:

  • Фиксированные;
  • Переключаемые;
  • Перестраиваемые: ЖИГ-фильтры; фильтры на магнитостатических волнах (MSW filter).

= По топологии:

  • Балансные;
  • Небалансные (Single Ended).