Исследование характеристик умножителя частоты на варакторных диодах..

Введение Умножители частоты, или как их называют в более развернутом виде, системы формирования дискретного множества частот, в настоящее время получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры. Индукционные печи с токами высокой частоты, радиосвязные, радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя – вот далеко не полный перечень областей применения умножителей частоты. Появление первых разработок умножителей частоты относится к 30-м и 40-м годам XX века. В электротехнике и электронике умножителем частоты называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз n частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний в заданном диапазоне частот с требуемой стабильностью и качеством выходного сигнала. Характерной особенностью умножителей частоты является постоянство n при изменении (в некоторой конечной области) частоты входного сигнала, а также параметров самого умножителя (например, резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав умножителя частоты), т.е. в умножителе частоты относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остается постоянной. Это важное свойство позволяет использовать умножители частоты для повышения частоты стабильных колебаний в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и других установках; при этом может достигать 10 и более. Основная проблема при конструировании умножителей частоты – это уменьшение фазовой нестабильности входных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), которая приводит к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе. В настоящее время выявились следующие основные методы построения умножителей частоты: косвенный на базе систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ); прямой с использованием фильтрующих элементов на поверхностно-акустических волнах; цифровой на основе вычислительных процедур. Наиболее распространены умножители частоты, состоящие из нелинейного устройства (транзистора, варактора, катушки с ферритовым сердечником) и одного или нескольких электрических фильтров. Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными входной частоте. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой , подавляя (не пропуская) остальные. Такие устройства применяются для умножения частоты гармонических колебаний. В работе пойдёт речь об умножителе частоты на варакторном диоде [3]. Варактор - [от англ. var(iable) - переменный и act - действие], полупроводниковый диод, по принципу действия аналогичный варикапу. Используется преимущественно как нелинейный элемент в умножителях частоты, а также для усиления колебания в параметрических усилителях сверхвысокочастотного диапазона. Целью данной работы является исследование характеристик умножителя частоты диапазона СВЧ на варакторном диоде. 1 ПРИМЕНЕНИЕ УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ В СОСТАВЕ МАЛОШУМЯЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 1.1 Малошумящий преобразователь (МШПР) К настоящему времени известен ряд МШПР, отличающихся конструкцией, диапазоном частот и другими параметрами. Приведём краткие сведения о некоторых из них. Широкополосный МШПР [10] с перестраиваемым гетеродином, разработанный для спутниковой связи в диапазоне частот 300…8000МГц. Все блоки преобразователя выполнены по монолитной технологии на одном кристалле из арсенида галлия. В качестве активных элементов малошумящего усилителя (МШУ) используются полевые транзисторы с большой подвижностью электронов. Диапазон промежуточных частот (ПЧ) составляет 185…2085МГц. МШПР разрабатывается с целью получения наибольшей равномерности коэффициента передачи и наименьшего энергопотребления. Несмотря на несомненные достижения, описаны в этой работе МШПР имеет высокий коэффициент шума -10,0…10,5дБ в диапазоне частот 3,4…4,5ГГц. Ещё один МШПР также выполненный на кристалле из арсенида галлия [9]. Интегральная схема МШПР состоит из смесителя (СМ) и генератора, управляемого напряжением. МШПР предназначен для использования в приемнике в блоке преобразования на 32 аналоговых телевизионных канала в диапазоне частот 2500-2686МГц. Диапазон ПЧ составляет 200-400МГц. МШПР с автоматическим управлением усиления в диапазоне частот 30-920МГц. Данный МШПР выполнен по кремний-биполярной технологии и имеет коэффициент шума 15дБ (включая 22дБ потерь во внешнем фильтре), уровень выхода 41мВ. Анализируя современное состояние в разработке и создания МШПР можно сделать вывод, что малошумящий преобразователь должен обладать высо-

Введение...4
1 Применение умножителя частоты в составе малошумящего преобразователя ...6
1.1 Малошумящий преобразователь (МШПР)..6
1.2 Современные требования к МШПР, МШУ и СМ...7
2 Структурная схема МШПР, требования к структурным узлам...8
2.1 Структурная схема МШПР8
2.2 Основные узлы структурной схемы МШПР......10
3 Варакторный умножитель частоты...12
3.1 Структурная схема12
3.2 Принцип работы...14
3.3 Активные элементы.18
3.4 переходной процесс в цепях с нелинейной ёмкостью..24
3.5 Нелинейный колебательный контур...26
3.6 Бистабильная область...28
3.7 Параметры умножителя...31
3.8 Характеристики умножителя..33
3.8.1 Частотная характеристика..33
3.8.2 Амплитудная характеристика и связанные с ним величины..35
3.9 Составные части умножителя.36
3.9.1 Фильтр нижних частот...37
4 Исследуемый умножитель.40
4.1 Электрическая схема...40
4.2 Топология.40
5 Экспериментальное исследование умножителя..43
5.1 Описание макета умножителя43
5.2 Результаты измерений..44
Заключение.....46
Литература..47

1. Ризкин И.Ч. Умножители и делители частоты. М.: Связь, 1976. 328 с.
2. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики. М.: Энергия, 1975. 256 с.
3. Ерёмин С.А., Макеев О.К., Носов Ю.Р. Полупроводниковые диоды с накоплением заряда. / Под ред. Ю.Р. Носова. М.: Сов. радио, 1966. 92 с.
4. Вамберский М.В. и др. Передающие устройства СВЧ: Учебное пособие для радиотехнич. спец. вузов. / Вамберский М.С. Казанцев В.И., Шелухин С.А. /
Под ред. М.Е. Вамберского М.: Высш. шк., 1984 448 с.
5. Конструирование и расчёт полосковых устройств: учебное пособие для вузов. / Под ред. И.С. Ковалёва. М.: Сов. Радио, 1974. 295 с.
6. Пильдон В.И. Полупроводниковые умножительные диоды. М.: Радио и связь, 1981. 88 с.
7. Махтанов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи: Учебн. для студентов электротех. спец. вузов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1986. 272 с.
8. Андреев В.С. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Связь, 1972. 280 с.
9. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. Л.Г, Гассанов, А.А. Липатов, В.В. Марков, Н.Д. Могильченко.- М: Радио и связь, 1988. 288 с.
10. Campbell C. F. A Wideband PHEMT Downconverter MMIC for Satellite Communication System. IEEE Trans. on MTT S, 1998, p.