УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 1995 года по МПК H03B19/00 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в радиоэлектронных устройствах сверхвысоких частот, в измерительной технике.

Известен удвоитель частоты, выполненный на транзисторе, в коллекторной цепи которого включен режекторный фильтр. Режекторный фильтр представляет собой двухполюсник, имеющий близкое к нулю сопротивление на входной частоте и большое сопротивление (холостой ход) на частоте второй гармоники [1]
Эта цепь служит для предотвращения прохождения сигнала входной частоты на выход схемы. Но смысл включения режекторного фильтра на коллекторе транзистора не исчерпывается необходимостью подавления входной частоты на выходе; если не включить режекторный фильтр, то на коллекторе транзистора, кроме полезного напряжения второй гармоники, появится напряжение первой гармоники, зависящее от сопротивления нагрузки на входной частоте. Наличие первой гармоники в зависимости от ее фазы приводит к различным неблагоприятным последствиям: если напряжение питания достаточно велико и не наблюдается эффекта ограничения суммарного переменного напряжения, то возрастает пиковое напряжение на коллекторе; это напряжение не должно превышать предельно допустимое для транзистора. В связи с этим от транзистора нельзя получить той полезной мощности, которая могла бы быть получена при отсутствии напряжения первой гармоники (входной частоты) на коллекторе транзистора.

Если напряжение питания удвоителя частоты выбрать из условий критического режима при отсутствии первой гармоники на коллекторе транзистора, но не принять меры для подавления этой гармоники, то возникает режим ограничения суммарного переменного напряжения, вследствие чего произойдет уменьшение амплитуды второй гармоники и, следовательно, уменьшение полезной мощности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является удвоитель частоты, который содержит входную согласующую цепь, транзистор, выходную согласующую цепь и режекторный фильтр, подключенный к внешнему выводу коллектора транзистора, который выполнен в виде отрезка линии длиной полволны на выходной частоте, и обеспечивающий короткое замыкание на входной частоте и холостой ход на выходной частоте. Такой удвоитель частоты может эффективно работать в метровом и части дециметрового диапазона волн, на которых можно считать, что напряжение на коллекторном переходе транзистора практически равно напряжению на внешнем выводе коллектора, т.е. когда можно пренебречь паразитными реактивностями коллекторного вывода транзистора. Они складываются, главным образом из индуктивности внутреннего вывода L_k1, индуктивности внешнего вывода L_k2 и емкости контактной площадки на корпус С_ko.

Изобретение касается удвоителей частоты, выполненных на биполярных транзисторах по схеме с общей базой или с общим эмиттером, либо с общим истоком и общим затвором при использовании полевых транзисторов, работающих в сантиметровом диапазоне на частотах порядка 3 ГГц и выше. На этих частотах подключение режекторного фильтра указанного типа (короткое замыкание на входной частоте и холостой ход на выходной частоте) к внешнему выводу коллектора транзистора оказывается не эффективным, поскольку из-за трансформирующего действия паразитной цепи L_k1, L_k2, C_ko сопротивление, подводимое к коллекторному переходу, существенно отличается от сопротивления, подключенного к внешнему выводу коллектора. Нулевое сопротивление нагрузки на первой гармонике на внешнем выводе коллектора транзистора преобразуется в значительной величины реактивное сопротивление (на коллекторном переходе). В результате на коллекторе транзистора несмотря на подавление первой гармоники на внешнем выводе (и на выходе удвоителя частоты вообще) является значительной величины напряжение первой гармоники (входной частоты). Это приводит к указанным последствиям к снижению выходной мощности, повышению пикового напряжения на коллекторе транзистора и некоторым другим негативным последствиям, в частности паразитной амплитудной и фазовой модуляции второй гармоники.

Предлагаемый удвоитель частоты, содержащий входную согласующую цепь, выход которой подключен к эмиттеру транзистора, и выходную согласующую цепь, имеет три отрезка линий, первый из которых длиной полволны на выходной частоте включен между внешним выводом коллектора транзистора и входом выходной согласующей цепи, второй отрезок линии длиной полволны на выходной частоте разомкнут на конце и подключен к входу выходной согласующей цепи и третий отрезок линии, который разомкнут на конце и подключен к внешнему выводу коллектора транзистора, причем входной импеданс третьего отрезка линии рассчитан по формуле
X_ш= L+ где Х_ш входной импеданс третьего отрезка линии;
ω_вх входная частота;
L_k2 индуктивность внешнего вывода коллектора транзистора;
L_k1 индуктивность внутреннего вывода коллектора транзистора;
С_ko емкость контактной площадки коллектора на корпус.

Предложенная схема удвоителя частоты характеризуется улучшенными энергетическими показателями: повышенной мощностью на выходной частоте, более высоким коэффициентом полезного действия и коэффициентом передачи по мощности, а также повышенным качеством выходного сигнала, проявляющегося, в частности, в уменьшении паразитной амплитудной и фазовой модуляции выходного сигнала удвоителя.

На фиг. 1 представлена эквивалентная схема транзистора; на фиг. 2 удвоитель частоты.

Удвоитель частоты содержит входной разъем 1, входную согласующую цепь 2, транзистор 3, разомкнутой полуволновый на выходной частоте отрезок 4, разомкнутый отрезок 5, полуволновый на выходной частоте отрезок 6, выходную согласующую цепь 7 и выходной разъем 8.

Удвоитель частоты работает следующим образом.

Напряжение возбуждения входной частоты поступает на входной разъем 1, проходит через входную согласующую цепь 2 и поступает на транзистор 3. На коллекторном переходе транзистора возникает наряду с полезной гармоникой напряжения (вторая гармоника) достаточно мощная гармоника входной частоты. Для входной частоты отрезок линии 4, имеющий 1/2 длины волны на выходной частоте (или 1/4 длины на входной), создает короткое замыкание на входе выходной согласующей цепи 7 независимо от ее параметров и сопротивления внешней нагрузки, подключенной к выходному разъему 8. Отрезок линии 6, имеющий 1/4 длины волны на входной частоте, преобразует это короткое замыкание в холостой ход на своем входе (в точке подключения линии 5). Таким образом с помощью отрезков линии 4, 6 происходит отсоединение нагрузки от внешнего вывода коллектора транзистора на входной частоте. Нагрузкой внешнего вывода коллектора по входной частоте остается только отрезок линии 5 при любых изменениях нагрузки и независимо от параметров выходной согласующей цепи. Отрезок 5 выбирается из условия обеспечения нулевого сопротивления на внутреннем выводе коллектора транзистора с учетом паразитных реактивных параметров этого вывода.

Для выходной частоты отрезок линии 4 представляет собой холостой ход; отрезок линии 6 переносит входное сопротивление выходной согласующей цепи без изменения к внешнему выводу коллектора транзистора. Параметры выходной согласующей цепи выбираются так, чтобы с учетом отрезка 5 и паразитных реактивностей вывода коллектора обеспечить оптимальное сопротивление нагрузки на коллекторном переходе транзистора.

Предложенная схема позволяет повысить выходную мощность удвоителя частоты; увеличить коэффициент полезного действия удвоителя частоты; повысить коэффициент передачи по мощности; уменьшить паразитную амплитудную и фазовую модуляцию выходного сигнала удвоителя частоты.

Использование: в радиоэлектронных устройствах СВЧ. Сущность изобретения: в удвоителе частоты, содержащем транзистор с входной и выходной согласующими цепями и разомкнутый полуволновый на входной частоте отрезок линии передачи, подключенный к выходному электроду транзистора, введены подключенные к выходному электроду транзистора полуволновый на входной частоте отрезок линии передачи и разомкнутый отрезок линии передачи, входной импеданс которого рассчитывается по предлагаемой математической зависимости. 2 ил.

УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий входную согласующую цепь, выход которой подключен к управляющему электроду транзистору, и выходную согласующую цепь, параллельно входу которой подключен разомкнутый полуволновый на выходной частоте отрезок линии передачи, отличающийся тем, что в него введены полуволновой на выходной частоте отрезок линии передачи, который включен между выходным электродом транзистора и входом выходной согласующей цепи, и разомкнутый отрезок линии передачи, который подключен к выходному электроду транзистора и входной импеданс X_ш которого удовлетворяют условию

где ω_вх входная частота;
индуктивность внутреннего вывода выходного электрода транзистора;
индуктивность внешнего вывода выходного электрода транзистора;
емкость контактной площадки выходного электрода транзистора на корпус.