Умножитель частоты свч-диапазона

 

Изобретение относится к радиоэлектронным устройствам на полупроводниковых приборах, служащим для получения малой мощности в СВЧ-диапазоне. Технический результат заключается в повышении коэффициента умножения частоты и обеспечении его регулировки. Сущность изобретения состоит в том, что во входную коаксиальную цепь с параллельно включенным короткозамкнутым шлейфом переменной длины включены два переменных конденсатора, один из которых включен в разрыв центрального проводника, а другой - между наружным и внутренним проводниками в точке подсоединения короткозамкнутого шлейфа переменной длины. 3 ил.

Умножитель частоты сантиметрового диапазона относится к радиоэлектронным устройствам на полупроводниковых приборах, служащих для получения малой мощности в СВЧ диапазоне, и может быть использован в качестве выходного каскада транзисторно-варакторных цепочек в гетеродинах радиоприемных устройств, применяющихся на борту летающих объектов, в космической связи, в радиолокационных станциях, в радиорелейных линиях связи, в качестве выходного каскада генераторов накачки параметрических усилителей, а также в радиоизмерительной аппаратуре и т.п.

В последнее время источники мощности СВЧ для гетеродинов радиоприемных устройств и генераторы СВЧ различного назначения на электровакуумных приборах (металлокерамических лампах, клистронах, лампах обратной волны и т.п.) все более вытесняются транзисторно-варакторными цепочками, генерирующими колебания до частот сантиметрового диапазона. Причем транзисторно-варакторные цепочки имеют по сравнению с генераторами на электровакуумных приборах более высокий кпд, повышенную надежность и экономичность, стойкость к различным вибрационные и ударным перегрузкам, а также меньшие габариты и вес. Эти преимущества обеспечивают транзисторно-варакторным цепочкам все большее применение в бортовой радиоэлектронной аппаратуре.

Предлагаемый умножитель частоты сантиметрового диапазона относится к устройствам на специальных полупроводниковых диодах с нелинейными характеристиками - варакторах, позволяющих повысить частоту колебаний, генерируемых транзисторно-варакторными цепочками до частот сантиметрового диапазона, т.к. в настоящее время ни отечественные, ни зарубежные транзисторы не могут генерировать колебания выше частот дециметрового диапазона. В то же время генерирование колебаний пониженной частоты с помощью транзисторов с последующим умножением с помощью диодов с нелинейными характеристиками облегчает обеспечение высокой стабильности, экономичности и надежности источников мощности СВЧ, т.к. умножители частоты на варакторах имеют в настоящее время высокую эффективность умножения.

Генерирование гармоник основной частоты с помощью диодов с нелинейными характеристиками достаточно широко освещено в научно-технической литературе (см. например, Р.Penfield and R.P.Rafuse ″Varactor Applications″ MIT Press, 1962, или С.А.Еремин и др. "Полупроводниковые диоды с накоплением заряда и их применение", 1966 г).

Обычно источники мощности СВЧ на транзисторно-варакторных цепочках имеют транзисторный генератор, несколько каскадов усиления на транзисторах и несколько каскадов умножения на варакторах, причем коэффициент умножения частоты, генерируемой транзистором, остается неизменным для каждого каскада. Но иногда требуется изменить коэффициент умножения варакторной цепочки, например, если требуется заменить высоко стабильный генератор с кварцем на менее стабильный генератор без кварца, причем последний может генерировать колебания более высокой частоты, чем генератор с кварцем, т.к. резонаторы с кварцем в настоящее время удовлетворительно работают только до частот порядка 100 МГц, или, наоборот, заменить менее стабильный генератор без кварца, на более стабильный с кварцем, частота колебаний которого меньше, чем заменяемого. Тогда имея возможность изменить коэффициент умножения варакторной цепочки или одного из каскадов можно применить в транзисторно-варакторной цепочке генератор с частотой колебаний, отличающейся от прежней, причем частота колебаний на выходе не изменится или изменится в малых пределах. В научно-технической и патентной литературе описаны умножители частоты, которые могут перестраиваться в некотором диапазоне, но обычно диапазон их перестройки мал и не позволяет изменить кратность умножения всей цепочки в целое число раз.

В патенте США №3.381.208, кл. 321-69 описан наиболее подходящий умножитель частоты (см. фиг.1 и 2), который работает следующим образом. Сигнал входной частоты от источника 11 подается на коаксиальный высокочастотный разъем 12, закрепленный на корпусе 10, и поступает во входную резонансную цепь, образованную индуктивностью 13(30) и конденсатором переменной емкости 14(31) - здесь и далее в скобках указаны повторяющиеся обозначения одних и тех же элементов на фиг.2. Конденсатор 14(31) соединен с узлом 20, который представляет собой конструктивный элемент, связывающий механически и электрически конденсатор 14(31), варактор 15(32), холостой контур, состоящий из короткозамкнутой коаксиальной линии 21(35) и конденсатора переменной емкости 23(34), выходной контур, состоящий из короткозамкнутой коаксиальной линии 24(37) и конденсатора переменной емкости 25(38), и резистор 19 друг с другом. Согласование на входе умножителя частоты осуществляется выбором точки подключения входного высоко-чзстотаого разъема к индуктивности 13(30). Сигнал из входной резонансной цепи поступает на варактор 15(52), где он умножается, причем варактор включен последовательно во входную резонансную цепь. Для обеспечения высокой эффективности умножения на пять к варактору подключен холостой контур на вторую и четвертую гармоники входной частоты, состоящий из коротко замкнутой коаксиальной линии 21(35), конденсатора связи 23(34) и ручки подстройки холостого контура 22, причем варактор 15(32) включен последовательно в холостую резонансную цепь Электрическая длина указанного контура на второй гармонике равна половине длины волны, а на четвертой - длине волны. Сигнал пятой гармоники (выходной) выделяется выходным контуром, состоящим из короткозамкнутой коаксиальной линии 24(37), конденсатора связи 25(38) и ручки подстройки выходного контура 26. Последний с помощью конденсатора 39 связан с выходным коаксиальным высокочастотным разъемом 27, с которого мощность пятой гармоники входной частоты снимается в устройство 28, использующее мощность этой частоты (нагрузку). Напряжение смещения на умножитель частоты снимается с внешнего источника питания 17 и подключается к клемме 19, с которой через резистор 19 подается на варактор 15(32).

Недостатки описанного умножителя частоты заключаются в следующем:

1) сужение рабочего диапазона входных частот, т.к. затруднительно повысить резонансную частоту входной цепи при достаточно высокой выходной частоте, например на частоте порядка 10÷20 ГГц, с помощью индуктивности 13(30), которая входит в указанную цепь, из-за резкого уменьшения линейных размеров этой индуктивности, причем ее величина становится сравнимой с паразитными индуктивностями входной цепи (например, при входной частоте, равной 2 Ггц, и емкости диода 15(32), равной 1 пФ величина этой индуктивности без учета паразитных параметров диода 15(32) и емкости конденсатора 14(31) должна составить примерно 4 МГн, а такой индуктивностью обладает металлический провод длиной 3÷5 мм, при увеличении резонансной частоты входной цепи линейные размеры необходимой индуктивности уменьшаются еще больше); в тоже время возможности повышения резонансной частоты с помощью конденсатора переменной емкости 14(31) ограничены вследствие того, что резонансная частота входной цепи в основном определяется емкостью диода 15(32) и индуктивностью 13(30), т.к. реактивное сопротивление емкости конденсатора 14(31) должно быть значительно меньше реактивного сопротивления емкости диода, чтобы обеспечить хорошую накачку диода входным сигналом, в противном случае диод будет зашунтирован малым реактивным сопротивлением цепочки, состоящей из индуктивности 13(30) и емкости конденсатора 14(31);

2) усложнение настройки входной цепи, т.к. при высокой сходной частоте индуктивность 13(30) будет мала, а согласование входной цепи с источником входного сигнала обеспечивается с помощью части указанной индуктивности, поэтому трудно найти оптимальное место включения источника входного сигнала к индуктивности 13(30);

3) невозможность настройки на более высокую выходную частоту, т.к. максимальная резонансная частота, которая может быть реализована практически с помощью коаксиального контура 24(37), будет не выше 5÷6 ГГц из-за резкого уменьшения размеров контура при повышении выходной частоты;

4) невозможность получения разной кратности, т.к. холостой контур 21-23 не может быть настроен на другую частоту.

Целью настоящего изобретения является устранение указанные недостатков, т.е. создание умножителя частоты сантиметрового диапазона с широким диапазоном входных частот, высокой выходной частотой при простой настройке, что обеспечивает возможность изменения коэффициента умножения при постоянной выходной частоте.

Поставленная цель достигается:

- применением во входной резонансной цепи короткозамкнутого шлейфа,

- использованием на входе умножителя частоты согласующего устройства, состоящего из двух конденсаторов переменной емкости,

- применением коаксиально-волноводной конструкции выходной резонансной цепи.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены на:

фиг.1 - конструкция известного умножителя частоты;

фиг.2 - его эквивалентная схема;

фиг.3 - конструкция умножителя частоты сантиметрового диапазона;

фиг.3а - вид сверху;

фиг.3б - разрез по АА, причем цилиндрические конденсаторы переменной емкости 9 и 10 показаны условно;

фиг.3в - детальная конструкция цилиндрического конденсатора переменной емкости 10.

Предлагаемый умножитель частоты сантиметрового диапазона представляет собой волновод 1 прямоугольного сечения с пониженным волновым сопротивлением (см. фиг.3), к внешним широким стенкам которого крепится входное устройство 2, коаксиальный короткозамкнутый шлейф 3 и подстроечные винты 4, 5, 6, 7. Входное устройство 2 состоит из стандартного высокочастотного разъема 8, согласующего устройства, из двух цилиндрических конденсаторов переменной емкости 9 и 10, причем на фиг.3а и 3б эти конденсаторы показаны условно, а детальная конструкция конденсатора 10 показана на фиг.3в (на этом рисунке 10а - подстроечный винт, выполняющий роль электрода конденсатора 10, 10б - диэлектрическая втулка и 10в - металлический цилиндр, выполняющий роль второго электрода конденсатора 10; конструкция конденсатора 9 аналогична конструкции конденсатора 10),короткозамкнутого шлейфа 11, перестраиваемого с помощью поршня 12 и тяг 13, 14.

Между входным устройством 2 и волноводом 1 находится высокочастотный дроссель 15, который вместе с контактом 16 припаивается на конец центрального проводника коаксиальной линии входного устройства. Входное устройство 2 вместе с высокочастотным дросселем 15 и контактом 16 крепится с помощью винтов 17÷20 к нижней широкой стенке волновода 1, в котором имеется отверстие для связи входного устройства с полупроводниковым диодом 21 с помощью контакта 16.

К верхней широкой стенке волновода 1 с помощью винтов 22÷25, шайб 26÷29 и изолирующих втулок 30÷33 крепится коаксиальный короткозамкнутый шлейф 3, который изолирован по постоянному току от волновода 1, а по высокой частоте замкнут блокировочным конструктивным конденсатором постоянной емкости 34, одним электродом которого служит широкая стенка волновода, а другим электродом - фланец 35 вышеуказанного шлейфа 3, между которыми находится тонкий диэлектрик 36. Внутри центрального проводника шлейфа 3 находится цанга 37, в которую вставляется одним электродом, например катодом, полупроводниковый диод 21, а другим электродом диод 21 вставляется в контакт 16. Цанга 37 зажимается о помощью гайки 38. Короткозамкнутый шлейф 3 перестраивается с помощью поршня 39 и тяг 40, 41. Напряжение принудительного смещения на диод 21 подключается к клемме 42, расположенный на фланце 35 (см. фиг.3а). Волновод 1 с одной стороны замкнут, образуя относительно диода короткозамкнутый волноводный шлейф 43 (см. фиг.3б).

Сигнал входной частоты подается на коаксиальный высокочастотный разъем 8, с которого он по коаксиальной линии поступает через высокочастотный дроссель 15 на полупроводниковый диод с нелинейной характеристикой 21. Короткозамкнутый шлейф 11 не влияет на входной сигнал, т.к. его электрическая длина равна четверти длины волны входного сигнала. Согласование источника входного сигнала с умножителем частоты сантиметрового диапазона обеспечивается двумя цилиндрическими конденсаторами переменной емкости 9 и 10. Развязка согласующей цепи из конденсаторов 9 и 10 от диода 21, генерирующего гармоники входного сигнала, обеспечивается высокочастотным дросселем 15, который на всех гармониках входного сигнала, меньших выходной гармоники, предствляет собой отрезок коаксиала, имеющий сравнительно большую емкость на корпус. На четных гармониках (2, 4, 6) имеется дополнительная развязка, обеспечиваемая короткозамкнутым шлейфом 11, электрическая длина которого становится кратной половине длины волны соответствующей четной гармоники четной гармоники (1/2λ₂; λ₄; 3/2λ₆; 2λ₈...). На выходной частоте (гармонике) входное сопротивление высокочастотного дросселя 15 близко к нулю, поэтому сигнал на выходной частоте хорошо развязан (больше 30 дБ) от входной цепи. Такое построение входной цепи обеспечивает независимость настройки согласующей цепи от гармоник входного сигнала. При изменении кратности умножения электрическая длина короткозамкнутого шлейфа 11 изменяется таким образом чтобы она стала равной четверти длины волны входного сигнала. После этого уже перестраивается согласующая цепь из конденсаторов 9 и 10.

Для повышения эффективности в умножителе частоты сантиметрового диапазона применена цепь, настраивающаяся на холостую частоту и состоящая из коаксиального короткозамкнутого шлейфа 3, емкости нелинейного диода 21, емкости на корпус высокочастотного дросселя 15 и паразитных параметров нелинейного диода 21 (емкость патрона, индуктивность вводов). Перестройка холостой цепи при изменении кратности умножения осуществляется с помощью короткозамкнутого шлейфа 11.

Сигнал выходной частоты выделяется контуром, образованным емкостью нелинейного диода 21, его паразитными параметрами (емкость патрона, индуктивность вводов), коаксиальным короткозамкнутым шлейфом 3 и волноводным короткозамкнутым шлейфом 43, перестраиваемым с помощью емкостного штыря 7 (см. фиг.3б). Выходной контур настраивается на выходную частоту с помощью емкостного штыря 7, а также оптимальным выбором величины принудительного напряжения смещения на диоде нелинейная характеристикой 21. При изменении кратности умножения выходная частота не изменяется, но выходной контур расстраивается из-за изменения длины короткозамкнутого шлейфа 3, который настраивается в резонанс по холостой цепи. Компенсация влияния шлейфа 3 на выходной контур после его перестройки осуществляется с помощью емкостного штыря 7.

Согласование умножителя частоты сантиметрового диапазона с устройством, использующим сигнал выходной частоты, осуществляется с помощью трех емкостных штырей 4, 5, 6.

Таким образом, перестройка умножителя частоты сантиметрового диапазона при изменении кратности умножения с целью увеличения или уменьшения частоты входного сигнала проста и легко осуществима. В таблице 1 приведены некоторые параметры умножителя частоты сантиметрового диапазона при изменении кратности умножения, причем частота выходного сигнала для всех коэффициентов умножения одинакова.

Таблица 1 Коэфф.умнож.4 567 8910 12Р_вых, мВт 7550 753020 101010 КПД, %15 10156 422 2f_вых ˜10 ГГц

Формула изобретения

Умножитель частоты СВЧ-диапазона, содержащий входную коаксиальную цепь с параллельно включенным короткозамкнутым шлейфом переменной длины, холостую цепь, выходную резонансную цепь и полупроводниковый диод, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента умножения частоты и обеспечения его регулировки, в упомянутую входную цепь включены два переменных конденсатора, один из которых включен в разрыв центрального проводника входной линии, а другой конденсатор включен между наружным и внутренним проводниками указанной линии в точке подсоединения короткозамкнутого шлейфа переменной длины.

РИСУНКИ