Умножитель частоты

(5)5 Н 03 ЕТЕН ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНО ВЕДОМСТВО СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1125734, кл. Н 03 В 17/14, 1982,Заявка Японии М 51-42459, кл, Н 03 В19/14, опублик, 1970.(57) Использование; изобретение относитсяк радиоэлектронике, а именно к умножителям частоты высокой кратности с прямоугольным выходным волноводом, и можетбыть использовано в радиопередающих устройствах, в радиоспектроскопии и т.д,Сущность изобретения: для увеличения эффективности умножения частоты в умножителе частоты, содержащем диод, отрезокпрямоугольного волновода с подстроечнымвинтом и траверсой, параллельной широким стенкам волновода, аксиально соединенные дроссель и центральный стержень,Изобретение относится к радиотехнике, а именно к умножителям частоты высокой кратности с прямоугольным выходным волноводом, и может быть использовано в радиопередающих и радиоприемных устройствах, в радиоспектроскопии и других устройствах СВЧ-диапазона,Целью изобретения является увеличение эффективности умножения частоты.На фиг,1 представлена конструкция предлагаемого УЧ; на фиг,2 - зависимость эффективности умножения частоты от расодин конец которого является входом, а другой конец гальванически соединен с первым электродом диода, а дополнительно введенном отрезке коаксиала, подключенном к отрезку прямоугольного волновода, вдоль его оси размещены центральный стержень с дросселем, диод и дополнительный стержень, один конец которого гальванически соединен со вторым электродом диода, второй конец - с центром траверсы, при этом расстояние от кристалла диода до центра траверсы определяют из предложенного не-, равенства, Центральный стержень со сторонывхода умножителя частоты зафиксирован относительно отрезка коаксиала центрирующей диэлектрической втулкой, .Отношение диаметра дросселя и диаметра коаксиальной части задано аналитическим соотношением Диэлектрическая втулка может быть выполнена из поглощающего материала, например текстолита с уступом, одна часть которого входит во внутреннюю часть дросселя, а между другой его частью и торцом разомкнутого конца дросселя образован зазор, 2 з.п. ф-лы,4 ил, Г стояния И между центром траверсы и кристаллом диода; на фиг,3 - зависимость эффективности умножения частоты от соотношения диаметров дросселя и коаксиальной части.Предлагаемый УЧ (см. фиг,1) содержит диод 1, отрезок прямоугольного волновода 2 с подстроечным винтом 3 и траверсой 4, параллельной широким стенкам волновода, Гальванически связанные дроссель 5 и центральный стержень 6, один конец которого является входом умножителя частоты, а второй конец гальванически соединен с первым электродом диода 1, например, пайкой при цангой. Прямоугольный волновод 2 гальванически соединен с коаксиальной частью 7, и они образуют (см. фиг,1) единый корпус. В коаксиальной части вдоль ее оси 5 размещены центральный стержень 6 с дросселем 5, диод 1 и дополнительный стержень 8, один конец которого гальванически соединен (например, цангой) со вторым электродом диода 1, второй конец - с центром "0 траверсы 4. Второй конец стержня 8 введенв отверстие в центре траверсы 4 и прижат к его стенке продольным винтом 9.Центральный стержень 6 со стороны входа УЧ зафиксирован относительно коак сиальной части 7 гайкой 10 с помощью центрирующей диэлектрической втулки 11.Диэлектрическая втулка 11 выполнена из поглощающего материала, например,20 текстолита с уступом 12, заполняющим внутреннюю часть дросселя 5, остальнаячасть втулки 11 упирается в уступ коаксиальной части 7 и заполняет внутреннее пространство коаксиальной части от дросселя 5до гайки 10.Длина уступа 12 1 з втулки 11 большевысоты 2 стенки дросселя 5 и образует зазор между выступающей частью втулки иторцом разомкнутого конца дросселя 5.На фиг.1 параллельно входу УЧ, т,е.между входным концом центрального стержня 6 и отрезком волновода 2, включен резистор 13.В предлагаемом УЧ в качестве диода 1может быть использован полупроводниковый умножительный. варакторный, параметрический и т,д работающий вдиапазоне частот входного и выходного сигналов.Все металлические элементы УЧ имеютпокрытия, например, серебром, с малымипотерями на СВЧ-частотах,Предлагаемый УЧ работает следующимобразом. Входной сигнал с частотой Ь напримерр, 270 М Гц подается на входной конеццентрального стержня 6 и проходит последовательно через гальванически соединенные центральный стержень 6 с дросселем 5,диод 1, дополнительный стержень 8, траверса 4, корпус прямоугольного волновода 2.Диод 1 искажает форму входного сигнала итем самым обогащает спектр тока, протекающего через него, гармониками, кратнымичастоте входного сигнала. Одна из этих гармоник используется в качестве полезной,выходной с частотой, равной вых = Й вх.например, 9180 МГц, где И = 34 - кратностьумножения частоты.Ток выходной гармоники, протекая черезтраверсу 4, возбуждает электромагнит 25 30 35 40 45 50 55 ное поле низшего типа колебаний Н 1 о в отрезке прямоугольного волновода 2; которое и используется в качестве выходного сигнала УЧ. Распределение тока и напряжения О вдоль траверсы 4, а также вдоль дополнительного стержня 8 и диода 1 показаны на фиг,1 соответственно, штрихпунктирной и пунктирной линиями. За нулевой уровень тока и напряжения приняты оси симметрии траверсы 4 и дополнительного стержня 8 с диодом 1. Распределение напряжения вдоль траверсы 4 симметрично относительно центра траверсы, в центре- максимум, а у стенок волновода 2 - минимум, Распределение напряжения вдоль стержня 8 и диода 1 несимметрично, имеет максимум напряжения (минимум тока) на конце стержня, размещенного в центре траверсы; и минимум напряжения (максимум тока) на расстоянии 1 в области кристалла диода 1.Путь прохождения тока выходной гармоники в коаксиальной части замыкается на ее корпусе в области дросселя 5, образующего вместе с центральным стержнем 6 и коаксиальнойчастью 7 фильтр, препятствующий прохождению тока выходной гармоники на вход УЧ, тем самым уменьшая потери мощности выходного сигнала в резисторе 13, на излучение в окружающее пространство и на потери в выходных цепях источника выходного сигнала..Резистор 13, параллельный входу УЧ, замыкает путь прохождения постоянной составляющей тока диода 1, является резистором автоматического смещения режима работы диода по постоянному току. Данный резистор может отсутствовать при введении смещения от дополнительного источника постоянного напряжения,В предлагаемом УЧ диод 1 размещен в коаксиальной части 7, причем конструкция УЧ, представленная на фиг,1, позволяет изменить положение диода 1 на оси коаксиальной части, выбирая на этапе настройки оптимальное расстояние И от центра (кристалла) диода до центра траверсы 4 по максимальной мощности выходного сигнала. На фиг,2 представлена зависимость мощности выходного сигнала (эффективности умножения частоты при постоянной мощности входного сигнала) от расстояния 11. Откуда видно, что данная зависимость имеет максимум; причем максимальное значение мощности наблюдается в следующих пределах: 0,3 оИ 02 Мь (1) Граничные значения определяютуменьшенные в 2 раза (на 3 Зд) значениямощности относительно максимального значения.При оптимальном значении 1 центр диода, его кристалл как источник выходной гармоники находится в единственной пучности общего тока (узле напряжения) выходной гармоники, а эта пучность общего тока оказывается внутри коаксиальной части, т.к. 1 всегда больше половины ширины узкой стенки отрезка прямоугольного волновода,Приведенная на фиг,2 зависимость проверялась экспериментально для различных типов диодов; 2 А 605 Б, 2 А 604, 2 А 608 А, КД 524 А, КТ 524 Б (см, протокол испытаний),Замыкание тока диода выходного сигнала в коаксиальной части обеспечивается дросселем 5, который с одной стороны препятствует прохождению выходного сигнала на вход УЧ и, кроме того, за счет емкостного зазора между дросселем 5 и внутренней поверхностью коаксиальной части замыкает путь тока выходного сигнала. Для улучшения выполнения этих функций диаметр д дросселя должен быть максимально возможным, однако он ограничен внутренним диаметром О коаксиальной части 7 и с приближением к нему эффективность умножения уменьшается, т к, при этом увеличивается емкость зазора, шунтирующая входной сигнал диода 1 и всего УЧ. Зависимость выходной мощности УЧ от соотношения диаметров имеет оптимум (см. фиг.3), причем максимально значение мощности наблюдается в следующих пределах:0,8( 0,95 (2) Граничные значения определяются уменьшением в 2 раза(на 3 дд ) значения мощности относительно максимального значения (см. протокол испытаний).Кроме того, внутренние размеры коаксиальной части выбираются из условия отсутствия низшего Н-типа колебаний в коаксиальной части. При этом в области дросселя 5 выполняются условия распространения сигнала с частотой выходного сигнала УЧ. В этом случае дроссельное устройство, образованное центральным стержнем 6, дросселем 5 и корпусом коаксиальной части 7, работает наиболее эффективно при высоте стенки 2 дросселя 5, равной четверти длины волны выходного сигнала в вакууме, Однако эффективность умножения УЧ дополнительно увеличивается на 15 - 20 при использовании диэлектрической втулки 11 из поглощающего материала, например, текстолита и выборе высоты стенки дросселя из соотношениягде и = 0,1,2,При этом втулка 11 выполнена с уступом длиной з, заполняющим внутреннюю часть дросселя 5, остальная часть втулки заполняет внутренне пространство коаксиальной части от дросселя 5 до гайки 10, а длина з уступа втулки больше высоты г стенки дросселя 5 и образуется зазор (з - Ь), т,е, выступ втулки не касается свободного торца дросселя 5. В этом случае избирательные свой 5 10ства дросселя как фильтра выходной гармоники ухудшаются незначительно, но существенно улучшается работа УЧ из-за широкополосного ослабления гармоник, 15 кратных частоте входного сигнала, для которых дроссель 5 не является эффективным заграждающим элементом.Предлагаемый УЧ позволяет по сравнению с известным УЧ (прототипом) повысить мощность выходного сигнала в 2 и более раз 20(см, фиг.2), т.е. увеличить эффективность умножения частоты также в 2 и более раз, прежде всего из-за выбора оптимального положения диода относительно траверсы на 25 расстоянии , что не может быть сделано в известном УЧ при размещении диода внутри волновода, т,к. в этом случае максимальное удаление диода от центра траверсы равно половине длины узкой стенки волно 30 вода, которое определяется из известных соотношений для выбора стандартных сечений прямоугольных волноводов с основным типом колебанийа = Л / 1,4 Ь = (0,4- 0,5)а,где а - длина широкой стенки волновода; 35 тур и частот.Кроме того, дополнительное увеличение эффективности умножения частоты на Ь - длина узкой стенки волновода.Отсюда половина длины узкой стенкиволновода равна402= (0,143 . 0,184) Яи меньше примерно в 2 раза, минимальногозначения длины 1, обеспечивающей наибольшее значение эффективности умножения частоты,45 Выбор оптимальных значений 1, д и О,обеспечивающих работу УЧ на вершинекривых, представленных на фиг,2 и фиг.3,обеспечивает наименьшую крутизну изменения мощности выходного сигнала от гео 50 метрических размеров. а следовательно,наименьшую чувствительность к допускамизготовления УЧ, к изменению размеров оттемпературы окружающей среды, к разбросам параметров диода, что также улучшает55 воспроизводимость УЧ от образца к образцу, расширяет диапазон рабочих темпера15 - 20 ф в предлагаемом УЧ. достигается за счет использования втулки из поглощающего материала, например, из текстолита с выбранной геометрией и описанным разме щением ее в коаксиальной части и в дросселе с зазором между выступающей частью втулки и торцом разомкнутого конца дросселя.Увеличение эффективности умножения частоты позволяет реализовать умножители частоты с повышенными кратностями умножения частоты.Формула изобретения 1, Умножитель частоты, содержащий отрезок прямоугольного волновода с траверсой, параллельной широким стенкам, и подстроечным винтом, диод, один электрод которого соединен с первым концом центрального стержня, аксиально соединенного с дросселем, при этом второй конец центрального стержня является входом умножи-, теля частоты, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения эффективности умножения частоты, введены отрезок коаксиала, подключенный перпендикулярно отрезку прямоугольного волновода, дополнительный стержень и центрирующая диэлектрическая втулка, при этом на оси отрезка коаксиала лежат продольные оси центрального стержня, дросселя диода и дополнительного стержня, который одним концом соединен сдругим электродом диода, а другим концомзакреплен в центретраверсы, расстояние 15 от которого до кристалла диода выбрано иэсоотношенияО,ЗЛо 110,2 Л. Ь,где Л - длина волны выходного сигнала ввакууме;110 й - длина волны выходного сигнала впрямоугольном волноводе,а на второй конец центрального стержнянадета центрирующая диэлектрическаявтулка;15 2. Умножитель частоты по п,1, о т л и ч а. ю щ и й с я тем, что внутренний диаметр 0отрезка коаксиала и наружный диаметр бдросселя удовлетворяет соотношению200,8 д0,95.. 3. Умножитель частоты по п.1, о тл и ч аю щ и й с я тем, что центрирующая диэлектрическая втулка выполнена из поглощающего 25 материала ступенчатойи установлена однойчастью во внутренней части дросселя, а другой - с зазором между ней и торцом разомкнутого 1 онца дросселя.