Варакторные умножители частоты

В умножителях этого типа для генерации гармоник частоты возбуждения используется нелинейность емкости р-n перехода специальных диодов, получивших название «варикап» и «варактор». В варикапе используется нелинейность барьерной емкости закрытого перехода, которая относительно не велика, и, следовательно, не велики значения накапливаемых зарядов и пропускаемых токов. Соответственно мала преобразуемая варикапом мощность. Поэтому на практике для умножения частоты используют варакторный режим диода, в котором он работает с частичным отпиранием р-n перехода. В таком режиме к барьерной емкости перехода добавляется диффузионная емкость, которая на несколько порядков превышает барьерную. В результате существенно возрастает преобразуемая варакторным умножителем мощность.

Эквивалентная схема варикапа представлена на рисунке 3.40. Здесь L – индуктивность выводов диода; RS - сопротивление материала кристалла и контактов; Rу– сопротивление утечки; СБ– барьерная емкость перехода; Rр – сопротивление рекомбинации (активная составляющая сопротивления открытого перехода); СП– емкость патрона (корпуса диода); СД- диффузионная емкость открытого перехода. Ключ Sмоделирует переход диода из закрытого состояния в открытое. Сопротивление утечки диода обычно составляет величину порядка 10⁶ Ом и практически не влияет на работу варактора. Сопротивление RS резко меняется при переходе напряжения на диоде (е) через 0 . RS0- сопротивлениеRSв открытом состоянии перехода; RSЗ - в закрытом. Зависимость RS, СД и СБот напряженияна диоде представлена на рисунке 3.40. В рабочем для диода диапазоне частот индуктивностью выводов обычно можно пренебречь; тогда для минимизации потерь в диоде соответственно в закрытом и открытом состояниях необходимо выполнить условия

RSЗ<<1/ωСБ и Rр >>1/ωСД

Рисунок 3.40 – Эквивалентная схема варактора

Таким образом, диапазон рабочих частот варактора определяется интервалом

(3.54)

Кроме того, для уменьшения потерь из-за конечного времени восстановления ( tB ) необходимо выполнить условие

(3.55)

Заметим, что этим условиям удовлетворяют только специальные диоды, предназначенные для преобразовательных устройств. Например, детекторные диоды должны обладать в основном активной проводимостью ( т.е. для них не выполняется условие 3.54), а выпрямительные диоды из-за большого времени восстановления не могут быть использованы на высоких частотах (3.55).

При выполнении условий (3.54 - 3.55) диод можно в первом приближении считать нелинейной ёмкостью с малыми потерями.

Рассмотрим схемы варакторных умножителей частоты, представленные на рисунке 3.41. В первой схеме варактор непосредственно заземлён, что позволяет упростить проблему охлаждения, т.к. в качестве радиатора здесь может быть использован корпус устройства. В этой схеме параллельно диоду включена дополнительная емкость Сдоп, которая обычно определяется емкостью патрона диода, но возможно и подключение внешней ёмкости. ЁмкостьСдоп позволяет увеличить ток через диод и соответственно преобразуемую мощность. Однако в диапазоне СВЧ увеличение этой емкости часто приводит к появлению в рабочем диапазоне паразитного резонанса, частота которого определяется дополнительной ёмкостью совместно с индуктивностью выводов. На практике установлено, что паразитный резонанс можно вывести из рабочего диапазона частот, если

Сдоп<CБ (3.56)

Рисунок 3.41 – Схемы варакторных умножителей

Во второй схеме умножителя с последовательным включением диода условия теплоотвода естественно усложняются, т.к. оба электрода не имеют заземления. Роль дополнительной емкости в этой схеме выполняют конденсаторы С1 и С2.

Если условие (3.56) не выполняется, целесообразно перейти к последовательной схеме, где Сдоп может быть больше CБ [ 5] .

Фильтры во входной и выходной цепях обеспечивают согласование с источником возбуждения на входе и с нагрузкой на выходе. Вторая функция фильтров – разделение цепей входной и выходной частоты. Как правило, это достаточно сложные узкополосные фильтры.

При проектировании варакторных умножителей следует учитывать возможность появления параметрических колебаний с частотами Nω/2. Для их устранения необходимо исключить во входной и выходной цепях образование паразитных контуров с соответствующими резонансными частотами. Эта проблема становится особенно сложной при использовании в схеме умножителя многозвенных фильтров.

Определённые сложности возникают в варакторных умножителях при умножении колебаний с меняющейся амплитудой. Вследствие нелинейности емкости варактора, её среднее значение, определяющее настройку колебательной системы, зависит от амплитуды входных колебаний и приводит к нелинейности амплитудной характеристики. На динамической характеристике возможно появление участков с отрицательным сопротивлением и как следствие паразитной генерации. Для стабилизации средней емкости в схемах умножения применяют комбинированное, либо автоматическое смещение за счет постоянной составляющей тока диода.

Мощность и к.п.д. умножителя можно поднять путем включения в колебательную систему холостых (ненагруженных) контуров настроенных на промежуточные гармоники частоты возбуждения. Например, при утроении частоты холостой контур настраивается на вторую гармонику.

Наиболее эффективны в схемах умножителей частоты « диоды с накоплением заряда» (ДНЗ), которые отличаются от обычных «диодов с нелинейной емкостью» (ДНЕ) очень малым, практически мгновенным временем восстановления, что обуславливает широкий спектр гармоник и соответственно большие мощности выходных колебаний при больших кратностях умножения.

В заключение настоящего раздела приведём пример схемы утроителя частоты с холостым контуром и автоматическим смещением (рисунок 3.42)

Рисунок 3.42 – Варакторный умножитель частоты

Вариант схемы варакторного умножителя с частичным отображением топологии печатной платы представлен на рисунке 3.43 [ 5 ].

Рисунок 3.43 – Умножитель частоты высокой кратности

СВЧ диапазона.

Глава 4