Варакторные умножители частоты

25.02.2013 19:58 | Автор: Administrator

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 S моделирует переход диода из закрытого состояния в открытое. Сопротивление утечки диода обычно составляет величину порядка 10(в 6 степени) Ом и практически не влияет на работу варактора. Сопротивление RS резко меняется при переходе напряжения на диоде (е) через 0 . RS0 - сопротивление RS в открытом состоянии перехода; RSЗ - в закрытом. Зависимость RS, СД и СБ от напряжения на диоде представлена на рисунке 3.40. В рабочем для диода диапазоне частот индуктивностью выводов обычно можно пренебречь.

Рисунок 3.40 -Эквивалентная схема варактора.

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. Ёмкость Сдоп 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.

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.

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 N-w/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

Рисунок 3.43 -Умножитель частоты высокой кратности СВЧ диапазона.

Если вы собрались наотдых, описание стран мира - курорты и достопримечательности очень пригодятся для выбора места или маршрута путешествия.

2. Эффектом Доплера называют изменение частоты волн, регистрируемых приемником, которое происходит вследствие движения источника этих волн и приемника. Данный эффект наблюдается при распространении звуковых волн (акустический эффект) и электромагнитных волн (оптический эффект). Благодаря эффекту Доплера, астрономы установили, что вселенная расширяется - звёзды разбегаются друг от друга. С его помощью определяются параметры движения планет и космических аппаратов. Эффект Доплера лежит в основе радаров, с помощью которых гаишники определяют скорость автомобиля. Медики используют этот эффект для того, чтобы с помощью ультразвукового прибора отличить вены от артерий при проведении инъекций.

Самое поразительное, что эффект Доплера работает и в случае, когда частоты колебаний огромны, как в случае радиоактивного излучения, а относительные скорости источника и поглотителя - всего миллиметры в секунду. То есть энергия гамма-квантов меняется за счёт эффекта Доплера на очень незначительную величину. Это используется в спектрометрах ядерного гамма резонанса (мёссбауэровских спектрометрах).

И всё это стало возможным благодаря Кристиану Доплеру. Он родился 29 ноября 1803 года в Зальцбурге. В 1825 году окончил Политехнический институт в Вене, с 1829 по 1833 преподавал высшую математику в Вене. Затем, в течение полутора лет, ему пришлось работать клерком на хлопчатобумажной фабрике. Он даже хотел эмигрировать в Америку, но получил приглашение быть профессором в Праге, где проработал с 1835 по 1847 год. С 1847 года Доплер - профессор Горной и Лесной академий в Хемнице (Венгрия), с 1848 года - член Венской Академии Наук. С 1850 года - профессор Венского университета.

В конце 1853 года у Доплера обострилось заболевание туберкулёзом, и он вынужден был поехать на лечение в Венецию, где после пяти месяцев болезни, не дожив до 50 лет, 17 марта 1853 года скончался...

Вариант 8

1. Детектирование модулированного радиосигнала заключается в выделении низкочастотного сигнала, который в неявной форме содержится в высокочастотном колебании. Различают амплитудное, частотное, и фазовое детектирование. Детектирование сопровождается трансформацией (преобразованием) частотного спектра: на входе высокочастотное колебание, на выходе - низкочастотное, соответствующее передаваемому сообщению. Следовательно, детектирование требует применения нелинейного элемента, в токе которого возникает низкочастотный сигнал, и фильтра низких частот, выделяющего его.

Амплитудный детектор (АД) предназначен для получения на выходе сигнала, пропорционального огибающей.

2. Директорная антенна — многовибраторная. Она состоит из одного активного и нескольких пассивных вибраторов. Все вибраторы расположены параллельно друг другу в одной плоскости и укреплены на металлической стреле (рис. 3.54). Активнымназывается вибратор, подключенный с помощью фидера к генератору высокой частоты.Пассивным называется вибратор, в котором протекает ток под действием поля активного вибратора, непосредственно к генератору высокой частоты пассивный вибратор не подключается. Пассивные вибраторы принято называть директорами и рефлекторами. Директорная антенна обычно имеет один рефлектор и 5-7 директоров. Рефлектор расположен позади активного вибратора на расстоянии в четверть волны. Директоры расположены впереди активного вибратора на расстояниях 0,34 - 0,35 lодин от другого. Ближайший активному вибратору директор расположен от него на таком же расстоянии. Длина рефлектора l_p = 0,51 - 0,52 l, длина директора l_д = 0,38 - 0,44 l, а длина активного вибратора равна 0,47 - 0,48 l. В качестве рефлектора может быть использована металлическая поверхность или металлическая сетка

Достоинства директорной антенны: Директорная антенна проста по конструкции и питанию. При небольшом числе (например 5) директоров удается получить довольно острую характеристику направленности. Эти качества обусловили применение директорной антенны в метровом диапазоне.

Недостатки директорной антенны: Во-первых, сложна первоначальная настройка на заданную волну (подбор длин вибраторов и расстояний между ними). Во-вторых, характеристика директорной антенны чувствительна к частоте питающего генератора. При изменении частоты питающего генератора на 6-7% директорная антенна перестает работать – она оказывается расстроенной и рассогласованной.

Вариант 9

1. 1.Частотный детектор.

Частотным детектором называется устройство, выходное напряжение которого определяется отклонением мгновенной частоты сигнала от номинального значения.

Основные требования к частотному детектору

• Большой коэффициент передачи (большая крутизна характеристики Sчд );

• минимальный уровень вносимых при детектировании линейных и нелинейных искажений;

• высокое входное сопротивление;

• минимальное напряжение сигнальной частоты на выходе.

Для того, чтобы устранить нелинейные искажения при детектировании частотно- модулированных сигналов, паразитная амплитудная модуляция устраняется путем применения амплитудного ограничителя перед частотным детектором

Паразитная амплитудная модуляция и ее устранение:

• При формировании, усилении и преобразовании частотно- модулированного сигнала неизбежно возникает паразитная амплитудная модуляция (сопутствующая ПАМ).

• Механизм возникновения ПАМ можно проследить, рассматривая прохождение частотно-модулированного сигнала через колебательный контур .

Амплитудный ограничитель представляет собой устройство, напряжение на выходе которого пропорционально напряжению на входе, пока последнее не превышает или не становится меньше определенного значения ( порога ограничения); если напряжение на входе выходит за указанный предел, то напряжение на выходе сохраняется неизменным и не зависит от величины входного напряжения.

Амплитудные ограничители применяются для получения прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения, для ограничения амплитуды импульсов и для получения последовательности однололярных импульсов из последовательности разнополярных.

Частотная модуляция (ЧМ, FM (англ. Frequency modulation)) — вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной.

В частотном детекторе выделяется низкочастотная модулирующая частота из частотно-модулированного сигнала.

2.Плоская волна — волна, фронткоторой имеет форму плоскости.

Фронт плоской волны неограничен по размерам, вектор фазовой скоростиперпендикулярен фронту. Плоская волна является частным решениемволнового уравнения и удобноймоделью: такая волна в природе не существует, так как фронт плоской волны начинается в и заканчивается в , чего, очевидно, быть не может. Кроме того, плоская волна переносила бы бесконечную мощность, и на создание плоской волны потребовалась бы бесконечная энергия. Волну со сложным (реальным) фронтом можно представить в виде спектра плоских волн с помощью преобразования Фурье по пространственным переменным.

Сферическая волна — волна, фронт которой представляет собой сферу.

Вектор фазовой скорости сферической волны ориентирован в радиальном направлении от источника ("волна радиально расходится от источника"). Сферическая волна является удобноймоделью, в реальности фронт волны отличается от сферического из-за особенностей источника и неоднородности пространства. Вдальней зоне источника квазисферическая волна оптического диапазона формируется малогабаритной лампой накаливания, радиочастотного — антенной.

Луч — Направление распространения волны называют лучом.

Волновой фронт перпендикулярен лучу. Волновой фронт представляет собой геометрическое место всех частиц, колеблющихся с одинаковой фазой.

Вариант 10

1. При построении многоканальных систем УКВ радиосвязи, как правило, нет возможности установить антенны для каждого передатчика отдельно. Во-первых - просто для этого не хватит места, во-вторых - система связи будет очень дорогой. Кроме этого такая система при передаче рождает огромное количество интермодуляционных помех. На помощь приходят комбайнерные системы (или по-другому - системы сложения мощности), предназначенные для сложения мощности нескольких передатчиков на одну антенну.

Существуют два типа комбайнерных систем - гибридные и резонаторные. Независимо от типа они вносят определенные потери в передающий сигнал. Однако это может быть скомпенсировано повышением мощности передатчиков и применением антенны с большим усилением.

Сумма́тор — устройство, преобразующее информационные сигналы (аналоговые или цифровые) в сигнал, эквивалентный сумме этих сигналов.

2. Радиореле́йная свя́зь — один из видов наземной радиосвязи, основанный на многократной ретрансляции радиосигналов^[1]. Радиорелейная связь осуществляется как правило между стационарными объектами.

Схема радиорелейной линии связи с искусственным спутником Земли (ИСЗ):

1 – оконечные пункты линии; 2 – промежуточный пункт; 3 – земная станция радиосвязи с ИСЗ; 4 – ИСЗ сактивным ретранслятором

Рупорная антенна — металлическая конструкция, состоящая из волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом. Как правило, рупорную антенну возбуждают волноводом, присоединенным к узкому концу рупора. По форме рупора различают E-секториальные, H-секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.

Рупорные антенны очень широкополосны и весьма хорошо согласуются с питающей линией — фактически, полоса антенны определяется свойствами возбуждающего волновода. Для этих антенн характерен малый уровень задних лепестков диаграммы направленности (до −40 dB) из-за того, что мало затекание ВЧ-токов на теневую сторону рупора. Рупорные антенны с небольшим усилением просты конструктивно, но достижение большого (>25 dB) усиления требуют применения выравнивающих фазу волны устройств (линз или зеркал) в раскрыве рупора. Без подобных устройств антенну приходится делать непрактично длинной.

Зерка́льная анте́нна — антенна, у которой электромагнитное поле в раскрыве образуется за счет отраженияэлектромагнитной волны от металлической поверхности специального зеркала (рефлектора). В качестве источника волны обычно выступает небольшой излучатель, располагаемый в фокусе зеркала. В его роли может быть любая другая антенна с фазовым центром, излучающая сферическую волну. Основная цель зеркальных антенн сводится к преобразованию сферического или цилиндрического фронта волны в плоский фронт^[

Вариант 11

1.-

2. Полуволновый петлевой вибратор

Разновидностью полуволнового вибратора является полуволновый петлевой вибратор, называемый также шлейф-вибратором Пистолькорса (рис. 1.7).

Общая длина антенны для работы в сетке "С" составляет 5,40 метра при использовании провода с диаметром 2 мм. Расстояние между проводами — 4 см. Усиление и диаграмма направленности петлевого и разрезного полуволновых вибраторов совпадают. Сопротивление петлевого вибратора составляет около 300 Ом, поэтому питание его осуществляется с использованием полуволновой петли, как показано на рис. 1.7. Петля имеет длину в развернутом состоянии 3,64 метра и изготавливается из кабеля той же марки, что и фидер. Наилучшее согласование получается при использовании 75-омного кабеля, но вполне допустимо использовать и 50-омный кабель. Существенным преимуществом петлевого вибратора является то, что он образует замкнутый контур и при заземлении оплетки кабеля вся антенна оказывается заземленной. Кроме того, петлевой вибратор имеет большую широкополосность и менее критичен в настройке.

Рис. 1.7

Необходимо отметить, что на концах диполей, настроенных в резонанс, расположены "пучности напряжения". Даже при мощности передатчика в несколько ватт высокочастотное напряжение может достигать сотен вольт. Поэтому при использовании в качестве вибраторов гибкого провода на концах диполя должны устанавливаться качественные изоляторы (керамические или стеклотекстолитовые). Кроме того, следует избегать прикосновения к антенне при включенном передатчике.

Антенна «волновой канал», известная также как антенна Уда-Яги, или антенна Яги — (Yagi antenna), —антенна, состоящая из расположенных вдоль линии излучения параллельно друг другу активного и нескольких пассивных вибраторов. Волновой канал относится к классу антенн бегущей волны. В советской литературе применялось название «волновой канал», которое и осталось распространённым в русскоязычной литературе; в англоязычной литературе используют названия по именам изобретателей.

Вариант 12