Шахгильдян В.В. Радиопередающие устройства (3-е издание, 2003) (1095866), страница 22
Текст из файла (страница 22)
В современных диапазонных передатчиках для облегчения операций настройки применяют так называемые широкодиапаэонные иелереопраиоаемаге умнозгсилзели часлзогни. В этих умножителях выбором режима работы ЭП и схемы их включения в каскаде добиваются того, чтобы в спектре выходного напряжения (или тока) каскада полностью отсутствовали (или были значительно ослаблены) составляющие с частотами 112 е, (л — 1) а и (л + 1) а. В идеальном случае желательно отсутствие всех составлшощих, кроме полезной с частотой ле. Это позволяет сделать умножитель частоты широкодиялазонным без переключаемых или перестранваемых фнльтрующих элементов.
Примером такого умножитсля является двухтактный удвоитель частоты (рис. 2.бб,хз). Влагодаря входному трансформатору 2)», с заземленной по радиочастоте средней точкой транзисторы возбуждаются токами Гя и Г'в с одинаковыми амплитудами и протнвоноложными фазами. Коллекторные цепи транзисторов подключены к нагрузке па« раллельно. Напряжение смещения на базах транзисторов установлено равным Ея = Е', вследствие чего угол отсечки коллехторных токов 0 = 90о. На рис.
2.66,6 приведены эпюры входного напряжения возбуждения Уы, коллекторных токов Гк н Г'к и напряженна на сопротивлении нагрузки У„. При выбранных схеме удвонтеля и режимах транзисторов выходное напряжение состоит из напряжений второй н последующих четных гармоник. Постоянная составляющая коллекторных токов в нагрузку не поступает, а амплитуды второй, четвертой и т.д.
гармоник относительно невелики. Наличке нижнего сгиба реальных характеристик 1„= /(1а) приводит к дополнительному снижению амплитуд этих гармоник (см. рйс. 2.66,6, штриховая кривая). В удвоителе частоты (см. рис, 2.ббпр) вместо транзисторов можно использовать высокочастотные диоды. Однако из-за низкого КПД н малой выходной мощности умножителн этого типа нс получнлн применения в передатчиках. В удвоителях частоты описанного вида (см. рис. 2.6б,а) особенно полезно использование полевых транзисторов„у которых нижняя часть' проходной характеристики 1 = ~ (еэ) имеет довольно протяженный "ах д ги гяг 3 е» о Рис. 2.66.
Схема иаухтахтиого ухаоитеоа частоты 113 квадратичный участок, на котором крутизна Яс пропорциональна мгновенному напряжению на затворе: Я = К (ез — Е'з). При гармоническом возбуждениииазатворахе'з=Ез+ Узсозв! н е'=Езсоясмтокнстоков прн Ез = Е'з содержат только постоянную составляющую и вторую гармонику: с"с = с"'с = 0,5 Камаз + 0,5 К(Рз соя 2сп, а напряжение на нагрузке оказывается гармоническим и имеет частоту 2в. В современных передатчиках умножители частоты на транзисторах работают в диапазоне ниже 5...10 ГГц.
В передатчиках более высокочастотных после оконечного транзисторного усилителя вкшочают один или несколько умножителей частоты на специальных полупроводниковых днодах-варикапах (варакторах). К зтим умножнтелям предъявляются следующие требования: заданная выходная мощносп Р„; высокий КПД ц = Р„! Р„; заданный рабочий диапазон частот. Структурная схема (рис.
2.67) и принцип работы варикапного умно- жителя следующие. Умножитель состоит из входного полосового фильтра Ф, с центральной частотой в, варикапа В, выходного полосового фильтра с центральной частотой лсо. На вход фильтра Ф, от генератора Г (или предварительного каскада) подаются колебания с частотой ю и мощностью Р . К выходу фильтра Фз подключена изгрузка, на которой рассеивается выходная мощность Р,. Полосы пропускания фильтров Ф, и Ф, не перекрываются.
Различают два режима работы варцкапа: 1) варикап даже при максимальных напряжениях на нем закрыт, угол отсечки тока через варикап 8 = 0; 2) варикап открыт на части периода входного колебания, угол отсечки тока через варикап 8 > О. В первом случае входной гармонический ток с частотой а, протекающий через варикап, создаст негармоническое напряжение на вари- капе, вследствие которого возникает гармонический выходной ток с частотой лсо. Происходит преобразование колебаний с одной частотой в колебания другой частоты.
При работе варикапа с отсечкой (8 > 0) в цепи смещения варикапа появляется постоянный ток — побочный результат работы варикапа как выпрямителя. Теоретический КПД варикапного умножителя частоты при 8 = 0 равен 1. В действительности из-за потерь в фильтрах и варикапе КПД < 1. Рассмотрим причины потерь в варнкапе при преобразовании частоты и возможности их минимизации. Эквивалентная схема мощного варикапа для преобразователей частоты приведена на рис. 2.68. Она содержит индуктивность выводов Еы резистор Я, — сопротивление материала полупроводника, резистор Яя — дифференциальное сопро- г с» и, ра д ~2 Насд ы Ю юы Рис.
2.67. Стиуатуриаа сасма умиомитсля частоты 114 тивление перехода, С, — барьерную емкость закрытого варнкапа и С ь — диффузионную емкость. На рис. 2.69 показаны графики лля С, и С 6 в зависимости от мгновенного напряжения наварикапе. Барьерная емкость на большем интервале напряженийе, меняется'сравнительно мало (2...4 раза); диффузионная емкость С ~, равная нулю при е, ч О, резко увеличивается по мере приближения е, к Е' — напряжению, прн котором открывается варикап.
Поэтому йри теоретических исследованиях и расчетах вольт-фарадную характеристику варикапов аппроксимируют двумя отрезками прямых а,ат, атас (см. Рис. 2.69). Поскольку барьерная емкость С, закрытых варикапов незначительно изменяется при изменении е, и сравнительно мала (дссятки нанофарад), то режим варнкапа с полностью закрытым переходом используется только на очень высоких частотах (более ! О ГГц) в удвоителях и утроителях частоты. В умножнтелях частоты большей кратности и работающих на более низких частотах обычно используется режим с отпиранием р-л перехода, когда к барьерной емкости С, добавляется диффузионная емкость, превышающая первую на несколько порядков.
В результате резкого увеличения диапазона изменения емкости С'а = С, + С 6 увеличивается накапливаемый на ней заряд, возрастает рабочий ток и преобразуется мощность. Прн этом и мощность, и КПД умножитсля оказываются достаточно большими даже при высокой кратности н (до 5 — 7). Условия.минимизации потерь в варнкапс различны при открытом н закрытом р-л переходах. При открытом переходе необходимо, чтобы ток через переход протекал бы в основном через диффузионную емкость С ~,те.емкостноесопротнвление )7аС сдолжнобытынногоменьшс сопротивления Яя.
Рабочую частоту с учетом этого условия можно определить из неравенства (2.78) в> )07т где т = С ~Я» — постоянная времени рекомбинации. Если условие (2.78) не будет выполняться, то значительный ток лотсчст через Яя. В гс ~а Рнс. 2.68. Эквнваяснтная сасма варикапа Рис.
2.69. Зависимость смкостн варнкапа от напрмксииа сммнсния результате возникнет интенсивное преобразование энергии ВЧ колебаний в энергию постоянного тока, которая будет выделяться по цепи смещения. При закрытом переходе в эквивалентной схеме варикапа остаютса Ь„М, и С„. Отсюда следует, что потери в этом режиме будут малы тогда, когда емкостиое сопротивление 1/еС, много больше сопротивлениа Я,. Отсюда условие, ограничивающее рабочую частоту сверху при незначительности потерь: (2.79) а< ИОС,Я,.
Наконец, в варикапах имеют место потери иэ-за конечного времени ~, восстановления закрытого состояния р-л перехода Эти потери становятся незначительными, если рабочая частота выбрана с учетом неравенства в < И10 ~,. Таким образом, в некотором интервале частот, определяемых, с одной стороны, неравенством (2.76) и; с другой стороны, неравенствами (2,77) и (2.78)„варнкап будет эквивалентен нелинейной емкости с относительно малыми потерами как в открытом, так и в закрытом состоянии. На рис. 2.
70 приведены эквивалентные схемы умножителей частоты при параллельном и последовательном включении варнкяла. В реальных варикапных умножитслях, работающих в диадазонс СВЧ, входные и выходные фильтры выполняются в виде волиоводных ияи полосковых конструкций. При определенных соотношениях макду элементами эквивалентных схем они оказываются равноценными, поэтому можно ограничиться изучением любой из иих. Рассмотрим подробнее схему с параллельным включением варикапа (рис. 2.70,а). Примем, что последовательные контуры входного и выходного фильтров настроены соответственно на частотувходногов и выходного лм колебаний и обладают достаточно высокой добротностью.
Следовательно, через варнкап в этом случае могут протекать три токщ постоянная составляющм У,е (если 0 > О) и два гармонических тока:1, =у,з!псн и 1з=у„я(плен. Чтобы представить физические явления, имеющие место при работе варикапа, сначала рассмотрим более простой случай. Пусть цепь, подключающая выходной фильтр к варикапу, разорвана. На варикап поданы запирающее напряжение Е, и входной ток 1, "- У,з)п в~, амплитуда которого, начиная с момента ~ = О, увеличивмтси по линейному закону. Вольт-фарадиую характеристику варикапа аппрокснмируем, как было отмечено выше, двумя отрезками прямой. На рис. 2.71 изображены: эпюры входного тока (а); вольт-фарадная характеристика варикапа (6) и эпюра напряжений иа варнкапе (в). Аппроксимированная вольт-фарадная характеристика варикапа показывает, что варнкап имеет посто- 116 ЮкаЪой Вйлами дыквдиои Еильтр срузкв ев + дкодиой еинто а7 дыкодкаи вильно исоузкв Еа идд Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
