УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2002 года по МПК H03B19/18 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в телекоммуникационном, измерительном и другом оборудовании для получения стабильных сигналов сверхвысокой частоты.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

Для решения ряда телекоммуникационных и измерительных задач возникает необходимость в использовании стабильных по амплитуде, частоте и фазе высокочастотных источников с мощностью в несколько десятков милливатт. Известные источники, основанные на принципах умножения частоты за счет нелинейности между напряжением, приложенным к диоду, и током, протекающим через него, позволяют получать выходной сигнал с кратностью не более 10 и выходной частотой не более 40 ГГц.

Так, например, известен умножитель частоты, содержащий входной фильтр, к выходу которого подключен умножительный диод, элемент связи, первый конец которого соединен с умножительным диодом, а второй конец размещен в выходном фильтре, выполненном на отрезке запредельного волновода, внутри которого с возможностью подстройки закреплены на широкой стенке проводящие разомкнутые стержни, при этом в ближайшем к умножительному диоду проводящем разомкнутом стержне выполнено сквозное осевое отверстие, а элемент связи выполнен в виде Г-образного проводника и установлен вторым концом в осевом отверстии изолированно от его внутренних стенок, см. а.с. СССР 1681376, Н 03 В 19/00.

Известен также умножитель частоты, содержащий формирователь импульсов, преобразователь временного интервала в код, преобразователь кода во временной интервал и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с тактовыми входами преобразователя временного интервала в код и преобразователя кода во временной интервал, первый и второй выходы формирователя импульсов подключены соответственно к входу сброса и входу хранения преобразователя временного интервала в код, выход сигналов младших разрядов и выход сигналов старших разрядов преобразователя временного интервала в код соединены соответственно с входом сигналов младших разрядов и входом сигналов старших разрядов преобразователя кода во временной интервал, вход формирователя импульсов является входом умножителя частоты, а выход преобразователя кода во временной интервал является выходом умножителя частоты, при этом в него введены последовательно соединенные формирователь кодов и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к управляющему входу генератора тактовых импульсов, вход сброса формирователя кодов подключен к первому входу формирователя импульсов, а вход сигнала данных формирователя кодов соединен с выходом сигналов младших разрядов преобразователя временного интервала в код, см. а.с. СССР 1695487, Н 03 В 19/00.

Данные аналоги имеют вышеуказанные недостатки.

Известен умножитель частоты, включающий входной контур, выполненный в виде коаксиального разъема для подвода умножаемого сигнала, средства подачи умножаемого сигнала на установленный в держателе IMPATT диод, средства подачи на диод постоянного напряжения смещения и выходной волноводный корпус, см. патент США 4636758, Н 03 В 19/00.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано за прототип настоящего изобретения.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной цели, являются недостаточная эффективность преобразования и кратность умножения частоты.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания умножителя частоты, обеспечивающего кратность умножения от 3 до 30 на частоте от 20 до 180 ГГц при выходной мощности до 20 мВт при предельной кратности умножения.

Сущность заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

Согласно изобретению указанная выше задача решается за счет того, что умножитель частоты, включающий входной контур, выполненный в виде коаксиального разъема для подвода умножаемого сигнала, средства подачи умножаемого сигнала на установленный в держателе IМРАТТ диод, средства подачи на диод постоянного напряжения смещения и выходной волноводный корпус, характеризуется тем, что средства для подвода умножаемого сигнала выполнены в виде микрополосковой линии, сформированной на поликоровой подложке, и соединенной с ней золоченой ленточки, соединенной с микрополосковой линией и диодом методом сварки, средства подачи на диод постоянного напряжения смещения выполнены в виде четвертьволнового фильтра, образованного микрополосковой индуктивностью и емкостью, при этом выходной волноводный контур выполнен в виде Т-образного волноводного тройника, в центре которого размещен IМРАТТ диод, в двух противоположных плечах размещены короткозамыкающие поршни, а в третьем плече - волноводный полосно-пропускающий фильтр.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме этого, заявленное решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, конкретные формы его материального воплощения либо особые условия его использования, а именно:
- умножитель может быть снабжен зажимом, регулирующим положение диода в держателе с помощью винта,
- умножитель может быть снабжен настроечным штырем, который фиксируется относительно диода с помощью цангового зажима, состоящего из цанги и винта, и положение которого над диодом регулируется с помощью винта,
- умножитель может быть снабжен зажимами, фиксирующими положение двух короткозамкнутых поршней, расположенных в двух противоположных концах Т-образного тройника,
- волноводный полосно-пропускающий фильтр выполнен в виде двух одинаковых отрезков волновода с зажатой между ними металлической диафрагмой, а также снабжен окнами вдоль оси волновода, образуемого этими отрезками.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

За счет реализации отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы) достигаются важные новые свойства объекта. В предложенном техническом решении за счет заявленных конструктивных отличий и эффективного согласования элементов устройства по входной частоте достигается высокая кратность умножения в диапазоне сверхвысоких частот.

Заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. В связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен разрез по устройству в плоскости продольной оси IMPATT диода, на фиг.2 - разрез по устройству в плоскости, перпендикулярной продольной оси IMPATT диода с фрагментами верхней крышки корпуса, на фиг.3 - то же, со снятой верхней крышкой.

Умножитель частоты включает коаксиальный разъем 1 для подвода умножаемого сигнала, микрополосковую линию 2, сформированную на поликоровой подложке 3, что дает возможность подстройки оптимального согласования диода 4 по входной частоте ω₀ с помощью установки дополнительных шлейфов (чипов) на поликоровой микрополосковой плате, золоченую ленточку 5, соединенную методом сварки с верхним электродом диода 4. Положение диода 4, расположенного на держателе 6, регулируется с помощью винта 7. Средства подстройки выходного контура на частоту nω₀ выполнены в виде настроечного штыря 8, установленного с возможностью перемещения относительно IMPATT диода 4 с помощью винта 9 и фиксации относительно диода посредством цангового зажима 10. Средства подачи на IMPATT диод 4 постоянного напряжения смещения выполнены в виде четвертьволнового фильтра, образованного микрополосковой индуктивностью 11 и емкостью 12, вставленной в разрез микрополосковой линии 2. К средствам подстройки выходного контура на частоту nω₀ относятся также два перемещающихся короткозамыкающих поршня 13, которые размещены в противоположных плечах Т-образного тройника и снабжены фиксирующими их положение зажимами. В третьем плече тройника расположен волноводный полосно-пропускающий фильтр, который выполнен в виде двух отрезков волновода 14 с размещенной между ними металлической диафрагмой 15, снабженной окнами 16, размещенными вдоль оси волновода.

Устройство работает следующим образом.

Умножение частоты с помощью IMPATT диодов основано на сильной нелинейной зависимости между напряжением, приложенным к диоду, и током, протекающим через него при образовании лавины.

В умножителе частоты можно выделить три контура:
1) контур входной частоты (умножаемая частота ω₀),
2) контур выходной частоты (частота nω₀, где n - кратность умножения),
3) контур подачи постоянного смещения.

Входной и выходной контуры связаны между собой через нелинейность IMPATT диода в режиме лавинного пробоя.

Входной сигнал в диапазоне от 2 до 15 ГГц подается через коаксиальный разъем 1 типа SMA, который впаян в корпус умножителя. Входной сигнал поступает на IMPATT диод 4 через микрополосковую линию 2, соединенную с верхним электродом диода 4 с помощью ленточки 5, которая за счет способа ее прикрепления (сварка) и термостабильного и высокопроводящего материала, например золота, из которого она выполнена, обеспечивает надежный контакт и температурную стабильность работы умножителя. Через микрополосковую линию 2 на диод 4 подается также постоянное напряжение смещения, поступающее через проходной изолятор в корпусе умножителя. Развязка постоянного напряжения смещения и переменного входного сигнала достигается за счет использования четвертьволнового фильтра, образованного микрополосковой индуктивностью 11 и емкостью 12, которая установлена в разрыве микрополосковой линии 2 на поликоровой плате 3. IMPATT диод 4 на держателе 6 установлен в центре Т-образного тройника, который сформирован в корпусе умножителя. Уровень верхнего электрода диода 4 совпадает с верхней поверхностью микрополосковой платы 3. Соответствующее положение фиксируется с помощью винта 7.

IМРАТТ диод 4, работающий в режиме лавинного пробоя и обладающий резко нелинейной характеристикой, преобразует входной сигнал, так что в частотном спектре появляются более высокие гармоники, кратные частоте входного сигнала ω₀. Выходной каскад умножителя служит для выделения выходной частоты nω₀ и подавления боковых частот. Для настройки выходного каскада на частоту nω₀ используются настроечный штырь 8 и короткозамыкающие поршни 13. Настроечный штырь 8 расположен над верхним электродом IMPATT диода 4 (в оси диода). Положение штыря над диодом регулируется с помощью винта 9 и фиксируется с помощью цанги 10. Настроечные штыри 13 позволяют осуществлять настройку резонансной емкости на частоту nω₀ и отвести энергию в выходную часть тройника, в которой расположен волноводный полосно-пропускающий фильтр 15. Фильтр 15 представляет собой отрезки волновода 14, в Е-плоскости которых расположена тонкая металлическая диафрагма с окнами 16 вдоль оси волновода.

Заявленная конструкция умножителя с использованием в качестве нелинейного элемента диода со структурой типа n⁺-n-р⁺ в режиме лавинного пробоя обеспечивает высокую эффективность преобразования, равную примерно 1/n. Так, при частоте 35 ГГц типичное значение выходной мощности составляет 100 мВт при входной мощности 500 мВт и кратности умножения 5. На частоте 94 ГГц значение выходной мощности достигает величины 50 мВт при входной мощности 800 мВт и кратности умножения 15. На частоте 140 ГГц величина выходной мощности в 40 мВт была достигнута при входной мощности 900 мВт при кратности умножения 20.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения не вызывает сомнений, так как оно может быть изготовлено промышленным способом из известных материалов (микрополосковая линия, поликоровая подложка) с использованием известных технологий и технических средств (IМРАТТ диоды, зажимы, настроечные элементы, волноводы), что обуславливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию "промышленная применимость".

Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает высокую кратность умножения входного сигнала (от 3 до 30), получение частоты выходного сигнала от 20 ГГц до 180 ГГц при выходной мощности в несколько десятков милливатт.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в телекоммуникационном, измерительном и другом оборудовании для получения стабильных сигналов сверхвысокой частоты. IMPATT диод, работающий в режиме лавинного пробоя и обладающий резко нелинейной характеристикой, преобразует входной сигнал, так что в частотном спектре появляются более высокие гармоники, кратные частоте входного сигнала ω₀. Для настройки выходного каскада на частоту nω₀ используются настроечный штырь и короткозамыкающие поршни. Настроечный штырь расположен над верхним электродом IMPATT диода (в оси диода). Положение штыря над диодом регулируется с помощью винта и фиксируется с помощью цанги. Настроечные штыри позволяют осуществлять настройку резонансной емкости на частоту nω₀ и отвести энергию в выходную часть тройника, в которой расположен волноводный полосно-пропускающий фильтр. Фильтр представляет собой отрезки волновода, в Е-плоскости которых расположена тонкая металлическая диафрагма с окнами вдоль оси волновода. Техническим результатом является обеспечение высокой эффективности преобразования. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Умножитель частоты, включающий входной контур, выполненный в виде коаксиального разъема для подвода умножаемого сигнала, средства подачи умножаемого сигнала на установленный в держателе IMPATT диод, средства подачи на диод постоянного напряжения смещения и выходной волноводный корпус, отличающийся тем, что средства для подвода умножаемого сигнала выполнены в виде микрополосковой линии, сформированной на поликоровой подложке, и соединенной с ней золоченой ленточки, соединенной с микрополосковой линией и диодом методом сварки, средства подачи на диод постоянного напряжения смещения выполнены в виде четвертьволнового фильтра, образованного микрополосковой индуктивностью и емкостью, при этом выходной волноводный контур выполнен в виде Т-образного волноводного тройника, в центре которого размещен IMPATT диод, в двух противоположных плечах размещены короткозамыкающие поршни, а в третьем плечеволноводный полосно-пропускающий фильтр. 2. Умножитель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен зажимом, регулирующим положение диода в держателе с помощью винта. 3. Умножитель по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен настроечным штырем, который фиксируется относительно диода с помощью цангового зажима, состоящего из цанги и винта, и положение которого над диодом регулируется с помощью винта. 4. Умножитель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он снабжен зажимами, фиксирующими положение двух короткозамкнутых поршней, расположенных в двух противоположных концах Т-образного тройника. 5. Умножитель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что волноводный полосно-пропускающий фильтр выполнен в виде двух одинаковых отрезков волновода с зажатой между ними металлической диафрагмой, а также снабжен окнами вдоль оси волновода, образуемого этими отрезками.