Умножитель на базе нелинейного двухполюсника

Принцип работы умножителя на базе нелинейного двухполюсника основан на использовании зависимости параметров элементов емкости или индуктивности от амплитуды приложенного к ним напряжения или тока. Их называют еще параметрическими умножителями частоты. В качестве нелинейного двухполюсника наиболее часто используют диод с нелинейным изменением емкости (варактор) и диод с накоплением заряда (ДНЗ). На рис. 6.24 изображены две эквивалентные схемы параметрических умножителей с параллельным (рис. 6.24, а) и последовательным (рис. 6.24, б) включением нелинейного двухполюсника. В обеих схемах в качестве фильтров используют резонансные системы, имеющие очень большие искажения на всех частотах, кроме резонансных, со, — для входного фильтра и /?со, — для выходного. В качестве примера простейшего параметрического умножителя последовательного и параллельного типа на рис. 6.25 изображены схемы, в которых в качестве фильтров использован последовательный (рис. 6.25, а) и параллельный (рис. 6.25, б) контуры.

Рис 6.24.

Рис. 6.25.

Режим работы умножителей подбирается таким образом, чтобы ток i через нелинейную емкость в схеме параллельного типа (рис. 6.25, а) содержал только первую и я-ю гармоники:

Аналогично напряжение на нелинейной емкости в схеме умножителя последовательного типа (рис. 6.25, б) содержит только постоянную составляющую U₀, первую U_] и я-ю гармоники:

Спектральные составляющие напряжения на диоде в параллельной схеме и тока в последовательной схеме умножителя также будут содержать только первую и я-ю гармоники, каждая из которых будет выделена в последовательном и параллельном контурах соответственно.

На рис. 6.26 изображена эквивалентная схема нелинейного емкостного умножителя последовательного типа по первой (рис. 6.26, а) и я-й гармонике (рис. 6.26, б).

Рис. 6.26.

На рис. 6.26 обозначены: С₀ — емкость перехода при заданном напряжении Е R_s — сопротивление потерь; R_]3 — эквивалентное сопротивление по первой гармонике:

где т — U/U₀ — коэффициент глубины модуляции по первой гармонике напряжения;

р = 1/(1 — у); у — коэффициент р-п перехода (у = ½ для резкого и у = 1/3 для плавного перехода);

Для функции i (P, n) имеются таблицы расчетных значений для различных типов переходов [88].

Аналогичным образом эквивалентную схему параллельного умножителя для первой и п-й гармоник можно представить в форме, изображенной на рис. 6.27, а, б соответственно.

На рис. 6.27 обозначено: С,_э, С_пЭ — эквивалентная емкость диода, но первой и п-й гармоникам; /?_1Э — эквивалентное активное сопротивление по первой гармонике:

где р" = и_п / и₍ — коэффициент и-й гармоники напряжения;

R_si, R_sn — сопротивление потерь диода по первой и л-й гармонике.

Рис. 6.27.

Сравнительный анализ последовательного и параллельного умножителей показывает, что в последовательной схеме возможно получение любой гармоники (при произвольном X). Преимуществом последовательной схемы являются малые токи, высокое значение входного сопротивления и более высокий кпд на высоких гармониках по сравнению с параллельной схемой, поэтому она нашла наибольшее применение в умножителях СВЧ диапазона — при большом значении п.

В параллельной схеме при у = ½ возможно только удвоение частоты сигнала (п = 2). Чтобы снять это ограничение, в параллельной схеме обычно либо используют диод су ф ½, либо параллельно диоду включают дополнительный контур (рис. 6.28), настроенный на частоту (и — ш) со,.

Рис. 6.28.

К недостаткам параллельной схемы следует отнести ее низкое входное сопротивление, что затрудняет се согласование с генератором. Преимуществами параллельной схемы являются большая мощность в нагрузке и более высокий кпд при малых п, поэтому она обычно применяется при п = 2…3.