Умножитель частоты (УЧ)

УЧ получили огромное распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной техники. Например в индукционных печах с токами высокой частоты, в радионавигационных и радиолокационных устройствах, в радиосвязе, схемотехнических реализациях подавления помех, кроме того с помощью УЧ можно регулировать скорость электродвигателей.

Появление первых схемотехнических разработок умножителей частоты в истории развития электроники зафиксировано в тридцатых годах прошлого века 7 цикла.

Основной технической характеристикой УЧ является коэффициент умножения частоты N , вычисляемый по формуле как отношение частоты выходного сигнала к входной частоте:

Характерной особенностью УЧ является постоянство N при изменении (в определенной конечной области) частоты сигнала на входе, а также свойств самого умножителя ( резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав УЧ), т.е. в нем относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остается величиной постоянной. Это свойство позволяет применять УЧ для кратного увеличения частоты стабильных колебаний в различных измерительных, радиопередающих, радиолокационных, и т.п устройствах; при этом коэффициент умножения частоты N может достигать значений 10 и более единиц.

Основная техническая проблема при разработке УЧ – это снижение фазовой нестабильности входных колебаний (из-за случайного характера изменения их фазы), которая приводит к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе умножителя частоты по сравнению с аналогичной величиной на его входе.

Диодные умножители частоты

Нашли широкое применение на высоких и сверхвысоких частотах. Они характеризуются низким уровнем фазовых и тепловых ишумов, а также достаточно простая конструкция. Сегодня в радиолюбительской практике используются три принципиально отличающихся способа умножения частоты в диодных УЧ:

Работа диодных УЧ описывается рядом технических параметров: коэффициент умножения (смотри формулу выше), выходная (P_выхN) и входная (P_вх) мощности, полоса рабочих частот, КПД (η=P_выхN/P_вх , или эффективность умножителя или коэффициент передачи по мощности), и т.п.

Варакторные умножители частоты

Основным их рабочим элементом является умножительный варикап (варактор) — разновидность полупроводникового диода, который применяется как нелинейная емкость с низкими потерями. Преобразование частоты осуществляется за счет искажения формы сигнала на нелинейно зависящей от напряжения емкости и последующего выделения необходимой гармонической составляющей. Структурные схемы двух основных типов варакторных умножителей показаны на рисунках ниже:

Эти схемы включают в себя: варактор, источник входного сигнала, нагрузку и фильтры Ф1, Ф2. Последнии необходимы для фильтрации гармоник в нагрузке и источнике входного сигнала, а также для согласования источника и нагрузки. Ф1 настраивается на частоту входного сигнала (это может быть, например, ФНЧ с частотой среза немного превышающей частоту входного сигнала), а Ф2 — на частоту необходимой гармоники (это должен быть достаточно узкополосный ПФ. При таких характеристиках через варактор идет лишь две токовых гармоники.

Мощность сигнала, поступающая на УЧ, частично теряется в варакторе, Ф1 и Ф2. Небольшая доля преобразованной мощности рассеивается в компонентах схемы. Поэтому коэффициент передачи по мощности варакторных УЧ меньше единицы.

Удвоение частоты на схеме двухполупериодного выпрямления

Особенность двухполупериодного выпрямителя состоит в том, что частота пульсаций выходного напряжения в два раза больше частоты входного напряжения. Это свойство и лежит в принципе работы удвоителя частоты. На рисунке ниже даны две схемы простых удвоителей, базирующихсяна мостовой схеме и на двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой.

В роли трансформаторов на входе и выходе умножителя могут применяться обыкновенные резонансные контуры, но более лучших свойств можно достичь при использовании широкополосных симметрирующих трансформаторов.