Умножитель частоты Советский патент 1993 года по МПК H03B9/14 

ым электродом диода 1, например, пайкой ри цангой. Прямоугольный волновод 2 альванически соединен с коаксиальной чатью 7, и они образуют (см. фиг.1) единый орпус. В коаксиальной части вдоль ее оси азмещены центральный стержень 6 с дроселем 5, диод 1 и дополнительный стержень , один конец которого гальванически соеинен (например, цангой) со вторым электродом диода 1, второй конец - с центром раверсы 4. Второй конец стержня 8 введен в отверстие в центре траверсы 4 и прижат к его стенке продольным винтом 9.

Центральный стержень 6 со стороны входа УЧ зафиксирован относительно коаксиальной части 7 гайкой 10 с помощью центрирующей диэлектрической втулки 11.

Диэлектрическая втулка 11 выполнена из поглощающего материала, например, текстолита с уступом 12, заполняющим внутреннюю часть дросселя 5, остальная часть втулки 11 упирается в уступ коаксиальной части 7 и заполняет внутреннее пространство коаксиальной части от дросселя 5 до гайки 10.

Длина уступа 12 з втулки 11 больше высоты 1з стенки дросселя 5 и образует зазор между выступающей частью втулки и торцом разомкнутого конца дросселя 5.

На фиг.1 параллельно входу УЧ, т.е. между входным концом центрального стержня 6 и отрезком волновода 2, включен резистор 13.

В предлагаемом УЧ в качестве диода 1 может быть использован полупроводниковый умножительный. варакторный, параметрический и т.д., работающий в диапазоне частот входного и выходного сигналов.

Все металлические элементы УЧ имеют покрытия, например, серебром, с малыми потерями на СВЧ-частотах.

Предлагаемый УЧ работает следующим образом. Входной сигнал с частотой fBx, например, 270 МГц подается на входной конец центрального стержня 6 и проходит последовательно через гальванически соединенные центральный стержень 6 с дросселем 5, диод 1, дополнительный стержень 8, траверса 4, корпус прямоугольного волновода 2. Диод 1 искажает форму входного сигнала и тем самым обогащает спектр тока, протекающего через него, гармониками, кратными частоте входного сигнала. Одна Из этих гармоник используется в качестве полезной, выходной с частотой, равной feux N W например, 9180 МГц, где N 34 - кратность умножения частоты.

Ток выходной гармоники, протекая че- рез траверсу 4. возбуждает электромагнитное поле низшего типа колебаний Ню в отрезке прямоугольного волновода 2, которое и используется в качестве выходного сигнала УЧ. Распределение тока I и напряжения

U вдоль траверсы 4, а также вдоль дополнительного стержня 8 и диода 1 показаны на фиг.1 соответственно, штрихлунктирной и пунктирной линиями. За нулевой уровень тока и напряжения приняты оси симметрии

траверсы 4 и дополнительного стержня 8 с диодом 1. Распределение напряжения вдоль траверсы 4 симметрично относительно центра траверсы, в центре - максимум, а у стенок волновода 2 - минимум. Распределение напряжения вдоль стержня 8 и диода 1 несимметрично, имеет максимум напряжения (минимум тока) на конце стержня, размещенного в центре траверсы; и минимум напряжения (максимум тока) на расстоянии М в области кристалла диода 1.

Путь прохождения тока выходной гармоники в коаксиальной части замыкается на ее корпусе в области дросселя 5, образующего вместе с центральным стержнем б и

коаксиальной частью 7 фильтр, препятствующий прохождению тока выходной гармоники на вход УЧ, тем самым уменьшая потери мощности выходного сигнала в резисторе 13, на излучение в окружающее пространство и на потери в выходных цепях источника выходного сигнала.

.Резистор 13, параллельный входу УЧ, замыкает путь прохождения постоянной составляющей тока диода 1, является резистором автоматического смещения режима работы диода по постоянному току. Данный резистор может отсутствовать при введении смещения от дополнительного источника постоянного напряжения.

в предлагаемом УЧ диод 1 размещен в коаксиальной части 7, причем конструкция УЧ, представленная на фиг.1, позволяет изменить положение диода 1 на оси коаксиальной части, выбирая на этапе настройки

оптимальное расстояние И от центра (кристалла) диода до центра траверсы 4 по мак- . симальной мощности выходного сигнала. На фиг.2 представлена зависимость мощности выходного сигнала (эффективности умножения частоты при постоянной мощности входного сигнала) от расстояния Ь. Откуда видно, что данная зависимость имеет максимум, причем максимальное значение мощности наблюдается в следующих пределах:

0,3 -Ао и 02-Дь(1)

Граничные значения определяют

уменьшенные в 2 раза (на 3 ) значения

мощности относительно максимального значения.

При оптимальном значении h центр диода, его кристалл как источник выходной гармоники находится в единственной пуч- ности общего тока (узле напряжения) выходной гармоники, а эта пучность общего тока оказывается внутри коаксиальной части, т.к. h всегда больше половины ширины узкой стенки отрезка прямоугольного волновода

. Приведенная на фиг.2 зависимость проверялась экспериментально для различных типов диодов: 2А605Б, 2А604. 2А608А, КД524А, КТ524Б (см, протокол испытаний).

Замыкание тока диода выходного сиг- нала в коаксиальной части обеспечивается дросселем 5, который с одной стороны препятствует прохождению выходного сигнала на вход УЧ и, кроме того, за счет емкостного зазора между дросселем 5 и внутренней поверхностью коаксиальной части замыкает путь тока выходного сигнала. Для улучшения выполнения этих функций диаметр d дросселя должен быть максимально возможным, однако он ограничен внутренним диаметром D коаксиальной части 7 и с приближением к нему эффективность умноже- ния уменьшается, т.к. при этом увеличивается емкость зазора, шунтирующая входной сигнал диода 1 и всего УЧ. Зависимость выходной мощности УЧ от соотношения диаметров имеет оптимум (см. фиг.З), причем максимально значение мощности наблюдается в следующих пределах:

0,8 -J3 0,95(2)

Граничные значения определяются уменьшением в 2 раза (на 3 д д ) значения мощности относительно максимального значения (см. протокол испытаний).

Кроме того, внутренние размеры коаксиальной части выбираются из условия отсутствия низшего Н-типа колебаний в коаксиальной части. При этом в области дросселя 5 выполняются условия распрост- ранения сигнала с частотой выходного сигнала УЧ. В этом случае дроссельное устройство, образованное центральным стержнем б, дросселем 5 и корпусом коаксиальной части 7, работает наиболее эффек- тивно при высоте стенки h дросселя 5, равной четверти длины волны выходного сигнала в вакууме. Однако эффективность умножения УЧ дополнительно увеличивается на 15-20% при использовании диэлект- рической втулки 11 из поглощающего материала, например, текстолита и выборе высоты стенки дросселя из соотношения

.(Т + (3)

где п 0,1,2.

При этом втулка 11 выполнена с уступом длиной з, заполняющим внутреннюю часть дросселя 5, о стальная часть втулки заполняет внутренне пространство коаксиальной части от дросселя 5 до гайки 10, а длина з уступа втулки больше высоты h стенки дросселя 5 и образуется зазор (з - te). т.е. выступ втулки не касается свободного торца дросселя 5. В этом случае избирательные свойства дросселя как фильтра выходной гармоники ухудшаются незначительно, но существенно улучшается работа УЧ широкополосного ослабления гармоник, кратных частоте входного сигнала, для которых дроссель 5 не является эффективным заграждающим элементом.

Предлагаемый УЧ позволяет по сравнению с известным УЧ (прототипом) повысить мощность выходного сигнала в 2 и более раз (см. фиг.2), т.е. увеличить эффективность умножения частоты та кже в 2 и более раз. прежде всего из-за выбора оптимального положения диода относительно траверсы на расстоянии И, что не может быть сделано в известном УЧ при размещении диода внутри волновода, т.к. в этом случае максимальное удаление диода от центра траверсы равно половине длины узкой стенки волновода, которое определяется из известных соотношений для выбора стандартных сечений прямоугольных волноводов с основным типом колебаний

а До /1,4 b (0,4+0,5)э, где а - длина широкой стенки волновода;

b - длина узкой стенки волновода.

Отсюда половина длины узкой стенки волновода равна

| (0,143 + 0,184) До

и меньше примерно в 2 раза.минимального значения длины И, обеспечивающей наибольшее значение эффективности умножения частоты.

Выбор оптимальных значений h, d и D, обеспечивающих работу УЧ на вершине кривых, представленных на фиг.2 и фиг.З, обеспечивает наименьшую крутизну изменения мощности выходного сигнала от геометрических размеров, а следовательно, наименьшую чувствительность к допускам - изготовления УЧ, к изменению размеров от температуры окружающей среды, к разбросам параметров диода, что также улучшает воспроизводимость УЧ от образца к образцу, расширяет диапазон рабочих температур и частот.

Кроме того, дополнительное увеличение эффективности умножения частоты на

15-20% в предлагаемом УЧ достигается за счет использования втулки из поглощающего материала, например, из текстолита с выбранной геометрией и описанным размещением ее в коаксиальной части и в дросселе с зазором между выступающей частью втулки и торцом разомкнутого конца дросселя. .-.

. . Увеличение эффективности умножения частоты позволяет реализовать умножители частоты с повышенными кратностями умножения чистоты........„.

Формула изобретения 1. Умножитель частоты, содержащий отрезок прямоугольного волновода с траверсой, параллельной широким стенкам, и подстроенным винтом, диод, один электрод которого соединен с первым концом центрального стержня, аксиально соединенного с дросселем, при этом второй конец центрального стержня является входом умножителя частоты, отличающийся тем, что, - с целью увеличения эффективности умножения частоты, введены отрезок .коаксиала, подключенный перпендикулярно отрезку прямоугольного волновода, дополнительный стержень и центрирующая диэлектрическая втулка, при этом на оси отрезка коаксиала лежат продольные оси центрального стержня, дросселя диода и дополнительного стержня, который одним концом соединен с другим электродом дибда, а другим концом закреплен в центре траверсы, расстояние И

от которого до кристалла диода выбрано из соотношения

0,3 До ЈН i 0,2A- ь.

где До - длина волны выходного сигнала в вакууме;

Ad - длина волны выходного сигнала в прямоугольном волноводе, а на второй конец центрального стержня надета центрирующая диэлектрическая втулка,

2. Умножитель частоты по п.1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что внутренний диаметр D отрезка коаксиала и наружный диаметр d дросселя удовлетворяет соотношению

20

0,8

0,95.

3. Умножитель частоты по п.1 .отличающийся тем, что центрирующая диэлектрическая втулка выполнена из поглощающего материала ступенчатой vi установлена одной частью во внутренней части дросселя, а другой - с зазором между ней и торцом разомкнутого Конца дросселя.

Редактор

Составитель О.Харчев Техред М.Моргентал

Л

Р °,« чо

«W5

Корректор Л.Ливринц

Использование: изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к умножителям частоты высокой кратности с прямоугольным выходным волноводом, и может быть использовано в радио передающих устройствах, в радиоспектроскопии и т.д. Сущность изобретения: для увеличения эффективности умножения частоты в умножителе частоты, содержащем диод, отрезок прямоугольного волновода с подстроечным винтом и траверсой, параллельной широким стенкам волновода, аксиально соединенные дроссель и центральный стержень, Изобретение относится к радиотехнике, а именно к умножителям частоты высокой кратности с прямоугольным выходным волноводом, и может быть использовано в ра- диопередающих и радиоприемных устройствах, в радиоспектроскопии и других устройствах СВЧ-диапазона. Целью изобретения является увеличение эффективности умножения частоты. На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого УЧ; на фиг.2 -- зависимость эффективности умножения частоты от расодин конец которого является входом, а другой конец гальванически соединен с первым электродом диода, а дополнительно введенном отрезке коаксиала, подключенном к отрезку прямоугольного волновода, вдоль его оси размещены центральный стержень с дросселем, диод и дополнительный стержень, один конец которого гальванически соединен со вторым электродом диода, второй конец - с центром траверсы, при этом расстояние от кристалла диода до -центра траверсы определяют из предложенного не-, равенства. Центральный стержень со сторо- ны входа умножителя частоты зафиксирован относительно отрезка коаксиала центрирующей диэлектрической втулкой, .Отношение диаметра дросселя и диаметра коаксиальной части задано аналитическим соотношением. Диэлектрическая втулка может быть выполнена из поглощающего материала, например текстолита с уступом, одна часть которого входит во внутреннюю часть дросселя, а между другой его частью и торцом разомкнутого конца дросселя образован зазор. 2 з.п. ф-лы/4 ил. стояния Н между центром траверсы и кристаллом диода; на фиг.З-зависимость эффективности умножения частоты от соотношения диаметров дросселя и коаксиальной части. Предлагаемый УЧ (см. фиг.1) содержит диод 1, отрезок прямоугольного волновода 2 с подстроечным винтом 3 и траверсой 4, параллельной широким стенкам волновода. Гальванически связанные дроссель 5 и центральный стержень 6, один конец которого является входом умножителя частоты, а второй конец гальванически соединен с пер00 8 Z