Умножение на честотата. Какво означава "честотен множител"?

Учебни въпроси:

1 Задаване на честотни множители

1 Задаване на честотни множители

Междинен усилвател, чиято честота на трептене на изхода е по-голяма от честотата на трептене на входа с цял брой пъти (най-често 2 или 3 пъти) fByx \u003d nfBX, където n е коефициентът на умножение, се нарича честотен множител.

Използването на честотни умножители в предавателите позволява:

1) намалете честотата на главния осцилатор, като същевременно поддържате по-висока честота на изхода на предавателя и следователно приложете стабилизация на кварцовата честота в късовълнови и ултракъсовълнови предаватели, тъй като кварцовите пластини директно за HF и VHF се оказват механично крехки и не могат да бъдат използван; кварцовите резонатори се произвеждат на честоти не по-високи от 100 MHz, а използването на умножители позволява да се получат осцилации, стабилизирани от кварц до хиляди мегахерци; освен това, със стабилизация на честотата без кварц, параметрите на осцилаторната верига при по-ниска честота са по-добри;

2) разширете обхвата на вълните на предавателя с n пъти, без да разширявате обхвата на вълните на главния осцилатор;

4) увеличаване на стабилността на честотата на възбудителя, тъй като при различни честоти на настройка на входните и изходните вериги на умножителя промяната на настройката на входната верига почти няма ефект върху настройката на нейната изходна верига и следователно върху настройка на веригата на предишния етап;

5) увеличаване на честотата или фазовото отклонение с честотна или фазова модулация;

6) образуват набор от стабилизирани с кварц честоти в честотни синтезатори на възбудители на широколентови предаватели.

Честотният умножител трябва да се състои от нелинеен входен хармоничен преобразувател и филтър, който избира необходимия хармоник. Въз основа на това функционалната диаграма на честотния умножител като цяло може да бъде представена, както е показано на фиг.

Тук Z1 и Z2 са филтриращи и съпоставящи вериги, а RE е усилващ елемент с нелинейни свойства.

На входа на умножителя се подава хармонично (синусоидално) напрежение. Входната верига Z1 гарантира, че източникът на това напрежение е съгласуван с усилващ (нелинеен) елемент (NE). В нелинеен усилвателен елемент хармоничното напрежение се преобразува в нехармонично импулсно напрежение, чийто спектър е богат на хармоници. Задачата на изходната верига е да извлече необходимия хармоничен компонент nfBx от спектъра на импулсите, да потисне всички други хармоници и да преобразува комплексното съпротивление Zn в необходимото активно съпротивление, което осигурява определения режим на нелинейния елемент на NE . Като нелинеен елемент се използват електронни тръби, транзистори и диоди. Тръбовите и транзисторните умножители усилват трептенията, диодните не.

2 Схеми на честотни умножители на транзистори и лампи

Принципната диаграма на генератора-честотен умножител по своята конструкция не се различава от веригата на генератор-усилвател. Единствената разлика е, че изходната верига на умножителя е настроена не към основния (първи) хармоник на изходния ток, а към втория, третия и т.н. В този случай колебанията с честотата, на която е настроен, ще имат най-голяма мощност в изходната верига.

Практическа схематична диаграма на транзисторен честотен умножител е показана на фиг. 1,65.

На входа на веригата се прилага трептене с честота ω. Транзисторът се настройва в режим клас B или C от делителя на базовото напрежение. В един от полупериодите на входното напрежение транзисторът се отваря и токът протича в колекторната верига под формата на периодична последователност от импулси. Селективното натоварване на колектора е двуконтурен лентов филтър с външно свързване на капацитета Cb, настроен на втория или третия хармоник на входното напрежение. На изхода на веригата се създава напрежение с двойна или тройна честота.

От анализа на трептенията от втория вид е известно, че с увеличаване на хармоничното число амплитудата на хармоничните компоненти намалява. Колкото по-голямо е хармоничното число, на което е настроена изходната верига на умножителя, толкова по-малка е амплитудата на изходния ток при същата амплитуда на импулса Iout n = αnIout.max коефициент αn е приблизително обратно пропорционален на хармоничното число αn max - α1 max / n. Вибрационната мощност в режима на умножение на честотата е приблизително n пъти по-малка, отколкото в режима на усилване на първия хармоник Pn ~ P1 / n Следователно умножението е повече от два пъти в едно Ако е необходимо честотата да се умножи с по-голям брой пъти се използват няколко каскади от удвоители или тройки.

Схемата на ламповия честотен умножител е показана на фиг. 1.67. Физическите процеси в тази верига протичат по същия начин, както и във веригата на усилвателя, с единствената разлика, че веригата в анодната верига е настроена на втория хармоник на напрежението в мрежата на лампата.

За да се получи граница (режим), съпротивлението на веригата трябва да е толкова по-голямо, колкото по-голям е броят на избрания хармоник (Ren = nR1).Реализацията на такава схема представлява значителни технически затруднения, особено във веригите на къси и ултракъси вълни Освен това с увеличаване на Re ефективността на изходната верига намалява.

3 Честотни умножители на варикапи и варактори

Варикапът е полупроводников диод, чийто капацитет се променя с промяна в големината на приложеното към него напрежение (variren - промяна, capazitat - капацитет). Капацитетът на pn прехода е сумата от бариерен капацитет Cb и дифузионния капацитет Cd. Когато кръстовището е затворено, основният е капацитетът на бариерата, докато когато съединението е отворено, това е дифузионният капацитет. И двата капацитета зависят нелинейно от приложеното напрежение. На фиг. 1.69 показва зависимостите на бариерата Sb, дифузията Sd и получените капацитети Sv = Sb + Sd от стойността на напрежението, приложено към неговите електроди. Тук Swar е капацитетът на варикапа. Варикапите се наричат ​​диоди с ниска мощност с нелинеен капацитет, а варакторите са мощни.

Варикапът обикновено се използва в максимален режим, а работният участък на неговата характеристика C=f (U) е частта от него, съответстваща на затвореното състояние на варикапа. Вътрешното съпротивление на варикапа е основно реактивно, загубите на мощност в него са незначителни, а коефициентът на пренос на мощност е доста висок: 0,75 в удвоител и 0,4 в тройник. Коефициентът на пренос тук е съотношението на мощностите на извлечените и първите хармоници. При варикапите обикновено се извършват удвоители на честота и утроители с малка мощност. На варакторите се изпълняват множители от по-висок порядък (n-10...15) и по-висока мощност.

Използването на варакторни честотни умножители в радиопредавателите с ултракъси вълни прави възможно използването на транзистори в този диапазон. Съвременните транзисторни генератори работят на честоти до 10 GHz. Получаването на по-високи честоти се постига по следния начин. След главния осцилатор се поставят няколко транзисторни усилвателя, които увеличават мощността на трептене до стойност малко по-висока от посочената мощност в антената. И тогава се включват варакторните умножители, които увеличават честотата до работната стойност. Но ефективността на предавателя намалява. Въпреки това, загубите на енергия са оправдани чрез получаване на високи честоти, които не могат да бъдат получени с помощта само на транзистори.

Варикапът (или варакторът) в честотния умножител може да се включва в паралелна (фиг. 1.70, а) или последователна (фиг. 1.70.6) схема.

Входната верига на умножителя е настроена на първия хармоник на тока, а изходът L2C2 е настроен на втория или n-ия. Практическата умножителна верига има допълнителни схеми: захранване, филтриране, настройки, съвпадение.

С увеличаване на коефициента на умножение n мощността и ефективността намаляват. Възможно е да се увеличи ефективността и изходната мощност на умножителя за n>3 чрез използване на активни електронни устройства, работещи в клас D.

Умножителите на фазовото изместване могат да осигурят спектрално чист изходен сигнал без филтри. Използвайки широколентови фазово-различни вериги за фазово разделяне, е възможно да се реализират честотно-независими умножители, работещи в диапазон, покриващ много октави.Принципът на действие на умножителите от този тип е показан на фиг.1а. Честотата на синусоидалния сигнал се умножава по N чрез разделяне на входното напрежение на N различни фази, разположени на еднакво разстояние една от друга в диапазон от 360°. N сигнали с различни фази задвижват N транзистора, работещи в режим клас C, изходните сигнали на които се комбинират, за да образуват импулс на всеки 360°/N градуса. Вериги на радиопреобразувател на радиолюбител Поради използването на N транзистора, мощността на входния сигнал може да бъде N пъти по-висока от мощността, необходима за насищане на транзистора. множителзвук честотина 4 (фиг. 1b) съдържа честотно зависими 90° фазови превключватели R1C1 и R2C2. Транзисторите Q1 и Q4 образуват импулси, които са фазово изместени на изхода с 0 и 90 °. Фазовата инверсия на импулсите се извършва от транзистори Q5 и Q6, които управляват транзисторите Q2 и Q3, в резултат на което на изхода на последните се образуват импулси с фазово изместване от 180 и 270 °. Изходните импулси с фазово изместване на 90° се комбинират, за да образуват четворна честота. Множителзвуковият обхват се учетворява честотиот 625 до 2500 Hz...

За веригата "Умножител на честотата"

За веригата "Две вериги на прости генератори на честота на почистване"

За схемата "ТЪНКА ЧЕСТОТЕН ГЕНЕРАТОР ЗА P134"

Компоненти на радиолюбителско оборудване ГЕНЕРАТОР ЗА БАВНА НАСТРОЙКА ЗА P134 Дискретна инсталация честотисъс стъпка от 1 kHz в радиостанция P134 затруднява използването й за радиолюбителски цели. Получете вероятността за плавно възстановяване честотидо ±4 kHz отн. честотинастройката на цифровата скала на радиостанцията е доста проста. За да направите това, достатъчно е да промените сигнала от 10 MHz, подаван от синтезатора честотирадиостанции (блок 2-1) чрез множителблок 3-3 към смесителя на блок 3-1, със сигнал от 10 MHz кварцов осцилатор, регулируем до ± 500 Hz по схемата показана на фиг. в смесителя на блок 3-1 работната честота на радиостанцията ще варира в рамките на ±4 kHz, което е напълно достатъчно. Резистор R7 във веригата се избира в рамките на 0,5 ... 2 kOhm, в зависимост от активността на приложения кварц, докато се получи номиналното ниво на сигнала на изхода на радиостанцията с натиснат клавиш в режим AT-T. Схемата на термостат на триак Намотка L е направена върху пръстеновидна магнитна верига от марката 50VCh2, размер K7x4x2, с проводник PELSHO от 0,1 mm и съдържа 15 завъртания. Използвайки добре калибриран приемник, е желателно да регулирате броя на завъртанията на бобината до едно до получаване на честотигенератор 10 MHz ± 50 Hz в средно положение на регулатора R4, докато работната честота на радиото ще съответства на честотата на цифровата скала. Желателно е да се използва кварцов резонатор във вакуумен вариант. Генераторът може да се захранва с напрежение +12,6 V от кондензатори C2 ... C6 на разделителния филтър в захранващата верига на блок 2, до който може да се достигне чрез премахване на горния блок N9 на радиостанцията. Печатната схема платката на устройството е показана на фиг. 2, разположението на частите върху нея е на фиг.3. Платката е удобно поставена в екранирана...

За веригата "UHF СИГНАЛ ГЕНЕРАТОР".

Измервателна апаратура UHF ГЕНЕРАТОР НА СИГНАЛ При създаване на любителски радиоструктури, работещи на честоти над 1 GHz (например в любителската лента 23 cm), е необходим високостабилен генератор на сигнал. Не е трудно да се направи, ако радиолюбител има кварцов резонатор с честота 27 ... 50 MHz. Схематична диаграма на генератора е показана на фиг. 1. Главният осцилатор е сглобен на транзистор VT1, множител честоти- на диода VD1. Необходимата хармоника на оригиналния сигнал (например 29-та за любителската лента от 23 cm при използване на резонатор с честота 45 MHz) се разпределя от веригата L3C6. Напрежението на отклонение на диода VD1 се създава автоматично. Оптималната му роля (според максималния сигнал на необходимия хармоник) се задава от настройващия резистор R4. Според същия критерий те избират (с настройващ резистор R3) нивото на високочестотното напрежение, подавано към множителот главния генератор. Ако е необходимо, изходният сигнал на генератора може да бъде модулиран. Принтерна платка gold miner Необходимото ниво на модулиращо напрежение се задава от променлив резистор R5. Puc.1 Генераторът използва конвенционален високочестотен диод (не е проектиран да работи в UHF диапазона). Ако го замените с диод на Шотки, нивото на изходния сигнал ще се увеличи видимо. Осцилаторната верига L1C2 е настроена на честотата на кварцовия резонатор. Дизайнът на намотките L1 и L2 не е критичен (съотношението на броя им е приблизително 10). Дросел 15 е намотка без рамка (10 оборота) с диаметър 13 мм. Елементите VD1, C4, C5, L3-L5 се монтират върху дъска, изработена от едностранен фолиен материал, като всички части се поставят отстрани на фолиото. Веригата L3C6 е полувълнова линия, регулирана от кондензатор. Неговите размери за любителската гама от 23 см са показани на фиг. 2. От медна лента се извива и запоява двата края към фолиото. L4 свързващ контур е огънат от pr...

За схемата "ЦИФРОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА ЧЕСТОТА"

Цифрови технологии честотидруг. На транзисторите VT1, VT2 и инверторите на чипа DD1 са сглобени локален осцилатор и IF сигнални преобразуватели. Тяхната честота се намалява наполовина от тригери DD2.1 и DD3.1.Половинсигналите се получават съответно на информационните входове D на тригерите DD2.2, DD3.2 и локалния осцилатор (от формирователя през инвертора) - на входовете за синхронизация C. На елементите 2I- НЕ чипа DD4 се изработва компонент ИЗКЛЮЧИТЕЛНО ИЛИ, от изхода на който се взема фазово модулирана импулсна последователност. От него и сигнала на локалния осцилатор тригерът DD5.1 ​​генерира импулси с честота на повторение fget / 2-fpch / 2, подадени към делител на 50, направени на двоични броячи DD6, DD7. Към честотомера се подават импулси с работен цикъл 2 и честота (fget-fpch)/100 от изход 1 на брояча DD7. Ако не се изисква работният цикъл да бъде равен на 2, броячът DD7 може да бъде изключен. В този случай честотата на повторение на изходните импулси е равна на (fget-fpch)/10.С. ЗЕРНИН, Усурийск, Приморски край (радио 4/90) ...

За веригата "Източник на теснолентов размах"

Измервателна техника Теснолентов осцилиращ източник J. Isbell. Катедра по радиоастрономия, Тексаски университет (Остин, Тексас) честотив стандартен FM приемник. Източник на теснолентов размах честотиза предпочитане е в случаите, когато честотната характеристика на тествания етап се наблюдава на екрана на осцилоскопа: изображението е стабилно, което е невъзможно при използване на широколентов генератор на размах. Диапазонът на честотно развъртане на описаното схеми 2,5 пъти по-тясна от наличната в търговската мрежа метачна машина. Поради това фалшивата честотна модулация се намалява до ниво, при което няма забележим ефект.Както се вижда от фиг. 1, 10,05 MHz сигнал от кристален осцилатор се смесва със средночестотен сигнал от 650 kHz от нискочестотен чистач. Схема на регулатора на тока T160 Изходът на миксера е сигнал със средна честота от 10,7 MHz, която може да се променя в рамките на ±20 kHz чрез настройка на 650-kHz осцилатор. Този метод на люлеене е за предпочитане пред настройката на високочестотния генератор, т.к. осигурява по-добра стабилност на честотата. 1За преструктурирането на осцилиращия генератор, променлива...

За схемата "ВИСОКО СТАБИЛЕН ДВУТОЧКОВ ГЕНЕРАТОР"

Възли на радиолюбителска апаратура ВИСОКО СТАБИЛЕН ДВУТОЧКОВ ГЕНЕРАТОР ПЕТИН, 344015, Ростов на Дон, ул. Еременко, 60/6 - 247, тел. 25-42-87. Най-често се използват триточкови генератори за генериране на високо- честотни хармонични трептения. В някои случаи (по съображения за проектиране) може да бъде полезен двуточков генератор. Такъв генератор изисква използването на два транзистора. Въпреки това, в правилно проектиран двуточков генератор (виж фигурата), общият брой елементи може да бъде дори по-малък, отколкото в триточков. Поради факта, че сигналът от осцилаторната верига LI, C2 на генератора се подава към порта VT2, който има голямо входно съпротивление, а сигналът за обратна връзка се взема от колектора VT1, който има голямо изходно съпротивление, осцилаторната верига е много слабо шунтирана от електронната верига и запазва високото си качество. Освен това, за да се увеличи входното съпротивление на полевия транзистор VT2, в неговата верига на източника е включен резистор R2, за да се увеличи изходното съпротивление на биполярния транзистор VT1, в неговата емитерна верига е инсталиран резистор R1. За това схемиекспериментално определя тази грижа честотиза 1 s не надвишава 1 ... 2 Hz при честота 10 MHz, т.е. скорост на коляновия вал на карбураторни двигатели с електрическа система, в която минусът на батерията е свързан към тялото. Основата е единичен импулсен оформител, сглобен на чип CD4007 (домашен аналог - K176LP1). Оформителят се стартира от положителни импулси, които възникват в момента на отваряне на контактите на прекъсвача. Устройството RA1, свързано към изхода на формирователя през ограничителния резистор R5, измерва напрежението на измервателния кондензатор C1, което е пропорционално на честотата на входните импулси с точност не по-лоша от 1 ... 2% - Честотата на повторение на импулса е 30 пъти по-малка от въртенето на коляновия вал на четиритактов двигател Тихомиров, Чита...

За схемата "IMS K174UR7"

Референтни материали честоти FM път A1, балансиран FM детектор U1 и предусилвател ниско ниво честоти A2. Типична комутационна верига е показана на фиг.3. Фиг. 1. Функционална схема на ИС K174UR7 Фиг.2. Целта на заключенията на ИС K174UR7Фиг.3. Типична схема за включване на ИС K174UR7 Входният сигнал се подава към входа на ограничителния усилвател A1, от изхода на който ограниченият сигнал се подава към входа на честотния детектор U1. Изходът на честотния детектор е свързан към неинвертиращия вход на операционния усилвател A2, който предварително усилва звуковата честота. Зависимостите на основните електрически параметри на ИС от режимите на работа са показани на фиг. 4-10.Електрически параметри на IC K174UR7 при 25±10°C и Ui.p.nom=6 W Консумационен ток I mA, не повече от 0,6 Входно гранично напрежение Uin.limit, µV, при fin=0,25 MHz, fmod= 1 kHz, не повече от 70 Изходно напрежение на нисък Uout LF, mV, при Uin=10 mV, fin=0,25 mHz, fmod=1 kHz, не по-малко от 90 Коефициент на потискане на амплитудната модулация KpAM, dB, при Uin=10 mV, fin=0,25 MHz fmod=1 kHz, не по-малко от 30 Ограничаващи работни параметри на IC K174UR7 Захранващо напрежение Ui.p, V: минимум. 5.4 максимум 6.6 Напрежение на входния сигнал Uin, mV, не повече от 100 Изходен ток / , mA, не повече от 0,1 Фиг.4. Как да си направим верига за чакащ страж с ниска консумация Фиг.4. Зависимостта на границата на входното напрежение от захранващото напрежение на микросхемата при честота на входния сигнал 250 kHz. FM модулационна честота 1 kHz, отклонение...

честотни умножители. Най-простите пасивни честотни умножители се основават на изкривяването на хармоничен входен сигнал em(t)в тока на неинерционен нелинеен елемент с характеристика и b1X (e bx).В изходната верига на такъв нелинеен елемент се включва верига за изолиране (филтриране) на по-високите честотни компоненти на тока /изход (/).

Нека оценим ефективността на такива честотни умножители в зависимост от кратността П.Ние приближаваме характеристиката на нелинеен елемент чрез гладка експоненциална функция

където / 0 е токът при е в= 0; a е фактор с размерност B "1.

Нека запишем хармоничния входен сигнал като

Ориз. 3.11.

където E -начално изместване; U BX-амплитудата на входния сигнал на умножителя; w е честотата на входния сигнал.

Тогава амплитудата на l-тия токов хармоник /1n на такъв нелинеен елемент може да бъде изразена чрез модифицираната функция на Бесел J n (x)поръчайте l във формата

където

За малки входни амплитуди x \u003d aU BX "nфункцията на Бесел във формула (3.4) се заменя с асимптотичния израз

На фиг. 3.11 пунктираната линия показва отношението на амплитудата на тока на l-тия хармоник към амплитудата на тока на първия хармоник за плавна експоненциална нелинейност с малък сигнал съгласно формула (3.5).

При големи амплитуди на входния сигнал в такъв възел възниква ефектът от ограничаване на изходния ток, а в границата нелинейността може да се счита за двустепенна:

където / 0 - коефициент с размерността на тока, който има физическото значение на нивото на ограничение; E"- напрежение на прекъсване на тока.

Текущият ъгъл на прекъсване, като се вземе предвид формула (3.4), се определя от съотношението cos0 = (НЕЯ") / У in и висшите хармоници на тока 10 стрвместо с формула (3.5) се изразяват чрез съотношението

Ако за всяка кратност l изберем граничния ъгъл 0, така че коефициентът sin l0 в числителя на формула (3.7) да е равен на единица, то от формула (3.7) следва, че амплитудите на по-високите хармоници на тока намаляват в обратно пропорционални на числото на хармоника и тяхната мощност, съответно, обратно пропорционална на квадрата на хармоничното число. На фиг. 3.11 пунктираната линия показва отношението на амплитудата на тока на l-тия хармоник към амплитудата на тока на първия хармоник за двустепенна нелинейност съгласно формулата (3.6).

Ако използваме частично линейно приближение на характеристиката на нелинеен елемент

където С-коефициент с размерност A/B, който има физически смисъл на стръмността на характеристиката на нелинеен елемент, тогава вместо формула (3.5) или (3.7) амплитудата на тока на l-тия хармоник P стрсе изразява чрез коефициентите на линейното разширение на косинус с прекъсване:

(3.8)

За l = 1, изразът и за

л? 2 трябва да използвате израза

. За всеки коефициент на умножение има оптимален ъгъл на срязване 0 OPT = ts/l, при който амплитудата на тока на този хармоник е максимална. Съотношението /„//, амплитудите на тока на l-ти и 1-ви хармоник за оптималните стойности на ъгъла на срязване 0 OPT се изразява чрез съотношението

На фиг. 3.11, плътната линия показва (съгласно формула (3.9)) зависимостта на /„//, от кратността l за полигонална апроксимация и оптималния ъгъл на срязване.

От фиг. 3.11 следва, че токовете на по-високите хармоници на тока с неинерционна нелинейна трансформация и оптимален избор на ъгъла на срязване намаляват средно обратно на кратността l, а мощностите им - обратно на квадрата на кратността. Извличането на желания хармоничен компонент с добра чистота на спектъра от токови импулси също е трудно при висока кратност, тъй като изисква високи Q-коефициенти на честотно-селективни лентови филтри, които са трудни за изпълнение. Следователно, най-простите честотни умножители се използват само с малък коефициент на умножение n = 2 и n = 3, като се използват оптимални ъгли на срязване.

От формула (3.8) следва също, че при избора на ъгъл на срязване 0 O = n/(n - 1) възможно е да се постигне нулева амплитуда на тока на един от съседните интерфериращи хармоници. Например, амплитудата на тока на третия хармоник е нула при 0 = 90°, на четвъртия - при 0 = 66°, на петата - при 0 = 52 e, на шестия - при 0 = 43 e, на седмия - при 0 = 38 e, осмият - при 0 = 33 e. Тази характеристика може да се вземе предвид за подобряване на филтрирането на интерфериращите спектрални компоненти в честотните умножители.

Високочестотен умножител без избиране на един хармоничен компонент на изхода може да се направи на базата на образуването на къси правоъгълни видеоимпулси от хармоничен входен сигнал с честота / in в моментите, когато входното напрежение преминава през нула с положителна производна в съответствие с формула (3.6). Такава схема се нарича хармоничен генератор и се използва за формиране на мрежа едновременно с множество спектрални компоненти с фиксирана честотна стъпка. На фиг. 3.12 показва амплитудния спектър на мощността на по-високите хармоници за периодична последователност от видеоимпулси, когато 0 = n/8, т.е. продължителността на генерирания импулс е 16 пъти по-малка от периода на трептене на входната честота.

Спектралните компоненти на вибрацията, показани на фиг. 3.12 имат честоти nf m ,тяхната мощностна обвивка R"спазва закона

където P 0- мощността на постоянната съставка на сигнала.

Ориз. 3.12.

Недостатъците на такъв честотен умножител са, първо, намаляване с увеличаване на кратността на ефективността на преобразуване на мощността на входния сигнал в мощността на желания хармоник, пропорционална на квадрата на кратността; второ, намаляване на мощността на хармониците в близост до стойностите на кратност, приблизително равно на работния цикъл на импулсите q= i/0. Освен това, с увеличаване на множествеността, задачата за потискане с необходимата дълбочина на компонентите, които имат честота над и под избраната, става по-сложна.

Умножаването на честотата на базата на нелинейни реактивни елементи (варактори) ви позволява да прехвърлите значителна част от мощността на входната честота към товара на избрания хармоник. Отношенията на Manly-Row доказват, че е принципно възможно да се преобразува до 100% от мощността на входния сигнал с честота ω с помощта на нелинеен реактивен елемент в мощността на сигнала при произволен хармоник с честота на наклона, ако електрическата верига с нелинеен реактивен елемент на входа има незначително съпротивление за всички честоти, с изключение на входа, а на изхода - незначително съпротивление за всички честоти с изключение на изхода. Въпреки това, за такива умножители няма разделяне между входната и изходната верига с общ за тях реактивен нелинеен елемент. С увеличаване на кратността на умножение се увеличават трудностите при конструирането на линейни филтърни вериги с посочените свойства.

В много случаи честотата от входния сигнал на умножителя се променя по време на работа, така че използването на резонансни филтърни вериги е трудно. Широколентовите честотни умножители са изградени без използването на резонансни схеми, които избират желания хармоник. Балансираната схема (фиг. 3.13) на честотен умножител, базиран на два еднакви нелинейни елемента (NE) с противофазово възбуждане през сплитер (P) ви позволява да компенсирате четни или нечетни хармоници на изхода. За да се компенсират нечетните хармоници, изходите на каналите се добавят по фаза в суматора (C), а за да се компенсират четните хармоници, вместо това се включва антифазен суматор на сигнал, подобен на P сплитера.

Балансираните вериги с високотехнологичен интегриран дизайн намаляват нивото на най-близките по множественост смущаващи сигнали

Ориз. 3.13.

Ориз. 3.14.

спектрални компоненти с 30 ... 35 dB. Изходният лентов филтър (BPF) за запазване на честотната лента на умножителя се изпълнява под формата на последователно свързване на нискочестотен филтър, който отслабва компоненти с честоти, по-ниски от избраните, и високочестотен филтър (хармоничен филтър), който не предава хармоници на изхода по-висока кратност. Например в удвоител на балансирана честота (П= 2) ъглите на срязване в нелинейни елементи (виж фиг. 3.13) трябва да бъдат избрани около 90°, така че амплитудата на тока на най-високия хармоник най-близо до избрания по-висок хармоник с номер П= 3 ще бъде затихнато с 20...30 dB поради избора на ъгъла на срязване, а поради баланс компонентите на първия и третия хармоник ще бъдат допълнително отслабени с 30...35 dB. Честотните удвоители по балансирана схема (виж фиг. 3.13) могат да работят задоволително, когато честотата на входния сигнал се сменя няколко пъти - с 1 - 2 октави.

Честотните удвоители и утроители по правило са пасивни, а честотните умножители са с по-висока кратност, понякога активни. Активен честотен умножител под формата на фазово блокиран контур на честотата на трептене VCO с делител на честота в пръстена за автоматично регулиране е изграден съгласно схемата, показана на фиг. 3.14. В такава схема честотата на VCO е избрана да бъде приблизително кратна на честотата на входния сигнал. Честотен делител с фиксирано съотношение на разделяне :Pнамалява честотата до стойност, близка до / in, импулсно-фазовият дискриминатор (IPD) сравнява фазите на входния сигнал и флуктуациите на разделената VCO честота и филтрирания контролен сигнал д упрез веригата за обратна връзка влиза във входа за управление на честотата на VCO, като по този начин образува система с фазово блокиран контур (PLL). Схемите от този тип са разгледани по-подробно в гл. пет.

Недостатъкът на честотния умножител, показан на фиг. 3.14, е възможността PLL да напусне лентата на синхронизация със значителни вариации в собствената си настройка на VCO. Предлагат се активни честотни умножители с кратност от 3 до 64 с изходна честота до 100 GHz.

При честотни умножители на микровълнови вакуумни устройства, например на преходни клистрони, при които входният резонатор е настроен на хармоничната честота на входния сигнал, а изходният резонатор е настроен на кратно на честотата, максималната изходна мощност намалява с нарастваща кратност, обратно пропорционална на l, т.е много по-слаби в сравнение с честотните умножители, базирани на безинерционни активни елементи. Това се дължи на разликите в естеството на групирането на електрони в такива устройства. Следователно такива честотни умножители имат по-висок праг на приложимост по отношение на множественост.

При честотни умножители на намотки с феромагнитен материал, работещи в режим на насищане, хармоничното входно напрежение създава импулсен ток в изходната верига поради процеса на премагнитване на сърцевината. Такива възли имат ограничение за горната работна честота, където могат да се използват вериги с концентрирани индуктивности върху ферита. Преобразуването на мощността на входното микровълново хармонично трептене до 3 GHz във формата на къси импулси с високо съдържание на по-високи хармоници може да се извърши с помощта на диоди със съхранение на заряд и бързо възстановяване.

В табл. 3.2 са представени параметрите на някои модели на интегрални широколентови умножители и честотни делители. D-0840 е пасивен диоден удвоител на честота с необичайно широк диапазон на входната честота - коефициент на покритие на честотата kf= 5. Средният му коефициент на затихване на мощността в диапазона е -15 dB. Активният честотен тройник ATA-0304 има коефициент на припокриване на честотата от kf- 1.33 мощност на изходния сигнал 15 dBm. Това се осигурява от вграден широколентов усилвател на мощност с честотна лента 9...12 GHz. В 5x честотния умножител на модела MAX5M65075, усилвателят на мощността на изходния сигнал осигурява високо ниво на изходна мощност, а вградените нискочестотни филтри (с лента от 12 GHz) и високочестотен филтър (с лента от 1,5 GHz), вградени последователно на изхода, осигуряват подобрено (до - 40 dB) ниво на затихване Таблица 3.2.Параметри на интегрални широколентови умножители и честотни делители

Забележка. x2 - удвоител на честотата; x3 - честотен утроител; x5 - активен честотен множител 5 пъти; x 16 - активен честотен множител 16 пъти; +2 - активен честотен делител на 2...

премахване на нежелани хармонични компоненти на изходния сигнал. В умножителите и честотните делители, в допълнение към параметъра, характеризиращ хармоничния състав на изходния сигнал - PSS OUT, посочете стойностите ​​на PSS IN, което показва съотношението на нежеланите спектрални компоненти, които се появяват във входната верига поради обратно предаване. Като правило, стойността на PSS VC на

10...20 dB по-нисък от PSS OUT. Много трудна задача е решена от разработчиците и производителите на 16-кратния честотен умножител модел HMC445LP4: в изходната верига мрежата от едновременно присъстващи хармоници има стъпка от 0,6...0,7 GHz в сравнение със средната честота от 10. ..11 GHz. Този модел използва балансирана схема за компенсиране на нечетните 15-ти и 17-ти хармоници, изходен диелектричен лентов филтър, но въпреки това нивото на OUTPUT надвишава -20 dB. Може да се отбележи много ниско ниво на присъщ фазов шум S 9 (F)за този модел.

Честотни делители. Разделянето на честотата на хармоничен входен сигнал на две се случва в параметрични вериги с нелинейно реактивно съпротивление, например с варикап или с ферит. Такова параметрично разделяне на честотата на две се използва във входния честотен диапазон по-малък от 3...40 GHz и ако е необходимо да се получи по-висок коефициент на разделение, такива възли се свързват каскадно. Предимството на параметричните варакторни честотни делители е честотната лента по-малка от октава, тъй като те не използват резонансни схеми.

Във входящия честотен диапазон под 1 GHz е възможно да се използват цифрови честотни делители - в такива възли коефициентът на разделяне на честотата се задава произволно и няма ограничение за по-ниската работна честота и съответно за най-голямата честота фактор на разделяне. Изходният сигнал на цифровите честотни делители е двустепенен - ​​има меандърна импулсна форма с работен цикъл 2. Ако е необходимо да се извлече хармоничният компонент на разделената честота от тях, честотната обработка се извършва с помощта на нискочестотен филтър с гранична честота, равна на най-високата стойност на изходната честота.

Честотните умножители и делители внасят не само редовни, но и случайни грешки във фазата на изходния сигнал, които зависят от тяхната схема, дизайн на възела, множественост, качество на филтриране и други дестабилизиращи фактори. Следователно нестабилността на фазата и честотата на изходния сигнал на умножителя или честотния делител е малко по-висока от входната. Зависимостта на интензитета на вътрешния фазов шум в близост до носещата честота от честотата на изместване се определя от схемата и режима на работа на нелинейния елемент на блока за преобразуване на честота, който може да бъде проектиран специално като нискошум. Например, в честотните делители в два диапазона от 1 ... 2 GHz, нивото на PSD на собствения "бял" фазов шум на изхода S^(F)е -155...-140 dB/Hz при изместване от носещата честота F= 100 kHz.

При честотните делители, както и при честотните умножители, има несигурност на първоначалното изместване между времената на преминаване през нулата на входните и изходните трептения, което е кратно на периода на по-висока честота. На етапа на включване на захранването или в резултат на действието на импулсен шум, фазата на трептене с по-висока честота може да се промени с цял брой периоди на нейното трептене в сравнение с фазата на нискочестотното трептене . Проектантът на сигнален синтезатор трябва да оцени последствията от подобно явление въз основа на предназначението и свойствата на радиотехническата система, в която ще бъде използван.

Ако входният сигнал на честотния умножител в l пъти има периодична ъглова (фазова или честотна) модулация с честотно отклонение D / и модулираща честота FM, тогава модулиращата честота на неговия изход няма да се промени, а честотното отклонение ще бъде lD / В същото време нивото на мощността на страничните ленти на модулационния спектър в сравнение с мощността на трептенето на носителя се увеличава с 20 lg I, т.е. за удвоител - с 6 dBu.

Честотният делител на две DV-1826 има входове за милиметрови вълни, така че се използват високотехнологични решения за поставяне на елементите за повърхностен монтаж. Честотните делители на моделите HMC437MS8G и 25673DV-QFN са проектирани като броячи, така че коефициентът на разделяне може да бъде нечетен и няма долна граница на работната честота - микросхемите извършват широколентово честотно разделяне с определения брой пъти във всеки нискочестотен диапазон до постоянен ток. Честотният делител от осем микросхеми модел 25673DV-QFN е проектиран да работи в разширен температурен диапазон: от -55 до +125 ° С. Може да се види, че присъщият фазов шум на цифровите честотни делители е значително по-нисък, отколкото, например, за VCO от същия диапазон.

HF са станали широко разпространени в голямо разнообразие от видове електронно оборудване. Например, в индукционни пещи с високочестотни токове, в радионавигационни и радарни устройства, в радиокомуникации, в схеми за потискане на смущения, освен това с помощта на честотния преобразувател можете да регулирате скоростта на електродвигателите.

Появата на първите разработки на схеми на честотни умножители в историята на развитието на електрониката е регистрирана през тридесетте години на миналия век на 7-ми цикъл.

Основната техническа характеристика на честотния преобразувател е коефициентът на умножение на честотата N, изчислен по формулата като отношение на честотата на изходния сигнал към входната честота:

N=f изход /f навътре

Характерна особеност на MF е постоянството на N с промяна (в определен краен регион) на честотата на сигнала на входа, както и свойствата на самия умножител (резонансните честоти на осцилаторните вериги или резонаторите, които съставляват MF), т.е в него относителната нестабилност на честотата на трептене при умножение остава постоянна. Това свойство прави възможно използването на HF за многократно увеличаване на честотата на стабилните трептения в различни измервателни, радиопредавателни, радарни и др. устройства; в този случай коефициентът на умножение на честотата N може да достигне стойности от 10 или повече единици.

Основният технически проблем при разработването на честотния умножител е да се намали фазовата нестабилност на входните трептения (поради случайния характер на тяхната фазова промяна), което води до увеличаване на относителната честотна нестабилност на изхода на честотния умножител. в сравнение със същата стойност на неговия вход.

Те са намерили широко приложение при високи и свръхвисоки честоти. Те се характеризират с ниско ниво на фазов и топлинен шум, както и с доста опростен дизайн. Днес в радиолюбителската практика се използват три принципно различни метода за умножение на честотата в диод HF:

Варакторно умножение (с други думи, умножение по нелинеен капацитет);
Удвояване в пълновълнова изправителна верига
Диодна трансформация на формата на импулса с последващ избор на необходимите хармоници.

Работата на диодните MFs се описва с редица технически параметри: коефициент на умножение (виж формулата по-горе), изходна (P out N) и входна (P in) мощност, работна честотна лента, ефективност (η = P out N / P in , или ефективност на множителя или коефициент на предаване според мощността) и др.

Основният им работен елемент е умножител (варактор) - вид полупроводников диод, който се използва като нелинеен капацитет с ниски загуби. Преобразуването на честотата се извършва чрез изкривяване на формата на вълната върху капацитет, който е нелинейно зависим от напрежението и след това изолиране на необходимия хармоничен компонент. Структурните диаграми на двата основни типа варакторни множители са показани на фигурите по-долу:

Тези схеми включват: варактор, източник на входен сигнал, товар и филтри F1, F2. Последните са необходими за филтриране на хармоници в товара и източника на входния сигнал, както и за съгласуване на източника и товара. F1 е настроен на честотата на входния сигнал (може да бъде например нискочестотен филтър с честота на прекъсване, малко по-висока от честотата на входния сигнал), а F2 е настроен на честотата на необходимия хармоник ( трябва да е доста теснолентов PF.С такива характеристики само два токови хармоника преминават през варактора.

Мощността на сигнала, подадена към HF, се губи частично във варактора, F1 и F2. Малка част от преобразуваната мощност се разсейва в компонентите на веригата. Следователно коефициентът на пренос на мощност на варакторните честотни преобразуватели е по-малък от единица.

Особеността е, че честотата на пулсации на изходното напрежение е два пъти по-голяма от честотата на входното напрежение. Това свойство е в основата на принципа на действие на удвоителя на честотата. Фигурата по-долу показва две прости удвоителни вериги, базирани на мостова верига и пълновълнова изправителна верига със средна точка.

Обикновените резонансни схеми могат да се използват като трансформатори на входа и изхода на умножителя, но по-добри свойства могат да бъдат постигнати с помощта на широколентови балансиращи трансформатори.

1. Предназначение, принцип на действие и основни параметри

Честотните умножители в блоковата схема на радиопредавателя (виж фиг. 2.1) са разположени пред RF или микровълнови усилватели на мощност, увеличавайки честотата на сигнала на възбудителя с необходимия брой пъти. Честотните умножители също могат да бъдат част от самия възбудител или честотен синтезатор. За входния и изходния сигнал на честотния умножител пишем:

където n е коефициентът на умножение на честотата по цял брой пъти.

Класификацията на честотните умножители е възможна според две основни характеристики: принципа на действие или метода на изпълнение на функцията (17.1) и вида на нелинейния елемент. Според принципа на действие умножителите са разделени на два вида: въз основа на синхронизиране на честотата на автоосцилатора с външен сигнал (вижте раздел 10.3), n пъти по-ниска честота (фиг. 17.1, а) и използване нелинеен елемент, който изкривява входния синусоидален сигнал, и избор на необходимия хармоник от получения многочестотен спектър (фиг. 17.1, б).

Ориз. .един. Честотни умножители

Според вида на използвания нелинеен елемент честотните умножители от втория тип се разделят на транзисторни и диодни.

Основните параметри на честотния умножител са: коефициент на умножение на честотата n; изходна мощност на n-ия хармоник P n , входна мощност на 1-ви хармоник R 1 , коефициент на преобразуване K CR =P n /P 1 ; коефициент на ефективност =P n /P 0 (в случай на транзисторен умножител), нивото на потискане на страничните компоненти.

Недостатъкът на честотните умножители (фиг. 17.1, а) от първия тип е стесняването на лентата на синхронизма с увеличаване на хармоничното число n. За честотните умножители от втория тип коефициентът на преобразуване K pr намалява с увеличаване на n. Следователно те обикновено са ограничени до стойността n \u003d 2 или 3 и, ако е необходимо, включват няколко честотни умножителя последователно, като ги редуват с усилватели.

2. Умножител на честотата на транзистора

Схемата на транзисторен честотен умножител (фиг. 17.2) и методът на нейното изчисляване практически не се различават от усилвателя.

Необходимо е само да се настрои изходната верига на генератора към n-тия хармоник и да се избере стойността на ъгъла на срязване =120/n, съответстваща на максималната стойност на коефициента  n (). При изчисляване на изходната верига коефициентът на разширение на косинусния импулс по отношение на 1-ви хармоник  1 () трябва да бъде заменен с коефициента по отношение на n-ия хармоник  n (). Веригата в изходната верига, настроена на резонанс с n-ия хармоник на сигнала, трябва да има задоволителни филтриращи свойства.

Ориз. 17.2. Схема за умножител на честотата на транзистора

Коефициентът на умножение на веригата на фиг. 17.2 обикновено не надвишава 3-4 пъти с ефективност 10-20%.

3. Диодни честотни умножители

Работата на диодните честотни умножители се основава на използването на ефекта на нелинейния капацитет. Като последното се използва бариерен капацитет на обратно отклонения p-n преход. Полупроводниковите диоди, специално проектирани за умножение на честотата, се наричат ​​варактори. С =0,5 и  0 =0,5 V за нелинейния капацитет на варактора, получаваме:

, (2)

където и е обратното напрежение, приложено към p-n прехода.

Графиката на нелинейната функция (17.2) е показана на фиг. 17.3.

Ориз. 17.3. Графика на нелинейна функция

Зарядът, натрупан от нелинеен капацитет, е свързан с напрежението и тока чрез зависимости:

, (3)

Две основни схеми на диодни честотни умножители с варактори са показани на фиг. 17.4.

Ориз. 17.4. Диодни честотни умножители с варактори

В схемата на диодния умножител от паралелен тип (фиг. 17.4, а) има две вериги (или филтри) от последователен тип, настроени на резонанс, съответно с честотата на входния  и изходния n сигнали. Такива вериги имат ниско съпротивление при резонансната честота и високо съпротивление при всички останали (фиг. 17.5).

Ориз. 17.5 Съпротивление на контура спрямо честота

Следователно първата верига, настроена на резонанс с честотата на входния сигнал o, пропуска само 1-вия хармоник на тока, а втората верига, настроена на резонанс с честотата на изходния сигнал n, пропуска само n-ия хармоник. В резултат на това токът, протичащ през варактора, има формата:

Тъй като капацитетът на варактора (17.2) е нелинейна функция, то според (17.3) при ток (17.4) напрежението на варактора е различно от синусоидалната форма и съдържа хармоници.

Един от тези хармоници, към които е настроена втората верига, преминава в товара.

Така с помощта на нелинеен капацитет устройството преобразува мощността на сигнал с честота  в сигнал с честота n, т.е. умножение на честотата.

По подобен начин работи втората верига за честотен умножител от сериен тип (фиг. 17.4, б), в която има две вериги (или филтри) от паралелен тип, настроени на резонанс, съответно с честотата на входа  и изхода n сигнали. Такива вериги имат голямо съпротивление на резонансната честота и малко при всички останали. Следователно напрежението на първата верига, настроена на резонанс с честотата на входния сигнал , съдържа само 1-ви хармоник, а на втората верига, настроена на резонанс с честотата на изходния сигнал n, съдържа само n-ти хармоник. В резултат на това напрежението, приложено към варактора, има формата:

където U 0 - постоянно напрежение на отклонение на варактора.

Тъй като капацитетът на варактора (17.2) е нелинейна функция, то според (17.3) при напрежение (17.5) токът, протичащ през варактора, не е синусоидален и съдържа хармоници. Един от тези хармоници, към които е настроена втората верига, преминава в товара. Така с помощта на нелинеен капацитет във веригата мощността на сигнал с честота  се преобразува в сигнал с честота n, т.е. умножение на честотата.

Варакторните честотни умножители в диапазона DCV при n=2 и 3 имат висок коефициент на преобразуване K CR =P n /P 1 =0,6...0,7. При големи стойности на n в микровълновия диапазон, стойността на K CR намалява до 0,1 и по-долу.