DE3046019A1 - Frequenzvervielfacher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzvervielfacher, insbesondere einen Vervielfacher, der zur Erzeugung eines Signals mit einer Frequenz ausgelegt ist, die ein geradzahliges ganzes Vielfaches der angelegten Frequenz ist.

Frequenzvervielfachung kann mittels eines geeigneten Diodennetzwerks erreicht werden; dabei ist es üblich, solche Netzwerke zur Vervielfachung einer Frequenz mit dem Faktor 2 zu benutzen, in welchem Falle das Netzwerk normalerweise als "Frequenzdoppler" bezeichnet wird, jedoch können auch prinzipiell höhere Ordnungen von geradzahligen Vielfachen erreicht werden durch die Verwendung von abgestimmten harmonischen Filtern oder durch eine Kaskadenschaltung einer Anzahl von Frequenzdopplern.

Die Verwendung eines solchen Frequenzvervielfachers kann nun eine Amplitudenverzerrung des frequenzvervielfachten Signals bewirken und dann, wenn das Signal, dessen Frequenz vervielfacht wird, selbst ein amplitudenmoduliertes Signal ist, kann die Verzerrung der Amplitudenmodulation besonders störend sein. Es kann dadurch eine Verschlechterung der durch die Amplitudenmodulation dargestellten Information erzeugt werden, und deswegen muß diese Verzerrung klein gehalten werden. Es wird angenommen, daß die Verzerrung in erster Linie von der Nichtlinearität der Durchlaßkennlinie der Dioden stammt, die einen Teil des Frequenzvervielfachers bilden. Prinzipiell kann diese Verzerrung dadurch verringert werden, daß die Dioden mit relativ hohen Pegeln angesteuert werden, so daß sie im lineareren Abschnitt ihrer Durchlaßkennlinie arbeiten, jedoch wird dadurch viel Leistung vergeudet, und es ist nicht immer praktisch durchführbar, ein Eingangssignal mit einem für diesen Zweck ausreichend hohen Pegel zu erzeugen.

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Durch die Erfindung soll ein Frequenzvervielfacher mit geringerer Signalverzerrung geschaffen werden.

Erfindungsgemäß enthält ein Frequenzvervielfacher ein Diodennetzwerk mit einer Vielzahl von Dioden, die jeweils zur Gleichrichtung eines an das Netzwerk angelegten Wechselstromsignals ausgelegt sind, wobei die gleichgerichteten Signale zur Erzeugung eines Signals mit einer Frequenz kombiniert werden, die ein geradzahliges Vielfaches der Frequenz des angelegten Signals ist, und zeichnet sich dadurch aus, daß eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung an jede Diode vorgesehen ist, um diese mindestens annähernd zu ihrer Stromleitungsschwelle in Vorwärtsrichtung vorzuspannen.

Obwohl das Diodennetzwerk einen Diodenring aus vier Dioden umfassen kann, werden bevorzugterweise nur zwei Dioden vorgesehen, die jeweils als Halbwellen-Gleichrichter wirken. Dioden zeigen allgemein einen ausgeprägten Knick (marked knee) in ihrer Durchlaßkennlinie, und unterhalb dieses Knick- oder Kniebereiches ist der Durchlaßstrom der Diode sehr klein, bezogen auf die angelegte Vorwärtsspannung. Typischerweise beträgt die Kniespannung bei Schottky-Sperrschichtdioden etwa 200 mV. Die Erfindung ist besonders für sehr hohe Frequenzen, typischerweise in der Größenordnung von einigen 100 MHz geeignet, und bei derart hohen Frequenzen ist es notwendig, Dioden mit sehr kleiner innerer Reaktanz einzusetzen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt werden Schottky-Dioden als sehr geeignet für diesen Zweck angesehen und derartige Dioden zeigen einen sehr markanten Knieverlauf der Durchlaßkennlinie, so daß die Stromleitungsschwelle recht einfach mit ziemlicher Genauigkeit bestimmt werden kann.

Vorzugsweise wird jede Diode im Diodennetzwerk mit einer

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gemeinsamen Vorspanneinrichtung angesteuert.

Vorzugsweise wird als VorSpannungseinrichtung eine Gleichspannungsquelle verwendet, wobei die Gleichspannung an die Dioden im Diodennetzwerk über ein Tiefpaßfilter angelegt wird. Das Tiefpaßfilter ist so ausgelegt, daß seine Grenzfrequenz weit unterhalb der Frequenz des an den Frequenzvervielfacher angelegten Signals liegt.

Vorzugsweise umfaßt das Tiefpaßfilter eine in Reihe zwischen den Dioden und einem Spannungs-Bezugspunkt verbundeneInduktivität.

Der Spannungs-Bezugspunkt kann durch ein einfaches Potentiometer geschaffen werden, in welchem die Relativwerte der in Reihe liegenden Widerstände die Größe der Vorspannung bestimmen. Vorzugsweise wird eine Vorspannung eingesetzt, die eine Funktion der temperaturabhängigen Veränderungen der Durchlaßkennlinie der Dioden ist. Das kann dadurch erreicht werden, daß eine weitere Diode in die Vorspannungseinrichtung eingefügt wird, so daß temperaturabhängige Änderungen ihres Durchlaßverhaltens die an die Dioden im Diodennetzwerk angelegte Vorspannung modifizieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Stromspannungskennlinxe einer typischerweise bei einem erfindungsgemäßen Frequenzvervielfacher eingesetzten Diode,

Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Frequenzvervielfachers,

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Fig. 3 Zeitdiagramme von Signalen an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig. 2, und

Fig. 4 ein Schaltbild eines abgewandelten Frequenzvervielfachers .

Bei einem Frequenzvervielfacher, der bei sehr hohen Eingangsfrequenzen von typischerweise etwa 5OO MHz arbeitet, müssen Dioden mit sehr hohem Frequenzbereich eingesetzt werden. Typischerweise werden dazu Schottky-Sperrschichtdioden verwendet, da diese auch bei hohen Frequenzen von mehr als 10 GHz eine zufriedenstellende Gleichrichtung ergeben. Eine typische Stromspannungskennlinie einer Silizium-Schottky-Sperrschichtdiode ist in Fig. 1 gezeigt, und es ist daraus zu ersehen, daß bis zu einer Durchlaßspannung

vcn 0,2 V
(U-.) ein vernachlässigbarer Durchlaßstrom (I) fließt.

Über diesen Schwellwert steigt der Durchlaßstrom rasch an, und bei ca. 0,4 V Durchlaßspannung wird die Durchlaßkennlinie linear. Es ist so zu sehen, daß die Durchlaßkennlinie einen ausgeprägten Knick oder ein ausgeprägtes Knie

im Bereich von 0,2 V zeigt und daß durch die Diode unterpraktisch halb dieser Eingangsspannung kein Strom fließt. Beim praktischen Einsatz ergibt diese Eigenschaft der Diode ernsthafte Schwierigkeiten, da bei Eingangssignalen mit niedrigen Spannungspegeln der größte Teil des Signals verlorengeht, da erst die Schwellspannung überwunden werden muß, bevor ein Signalstrom erzielt wird. Zusätzlich kann die ausgeprägte Nichtlinearität der Durchlaßkennlinie im Bereich des Knies Verzerrungen in das Signal einführen. Diese Verzerrungen werden insbesondere bei amplitudenmodulierten Eingangssignalen auffällig, da die vorhandene Schwellspannung eine ifoaulationstiefe oder einen viel höheren Modulationsgrad des Ausgangssignals gegenüber dem entsprechenden Wert des Eingangssignals ergibt. Diese Verzerrung rührt von der Tatsache her, daß, um 100% Amplitudenmodulationsgrad im Ausgangssignal der

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Diode zu erreichen, die niedrigsten Stellen der Eingangs-Amplitudenmodulation nur die Schwellspannung von typischerweise 0,2 V der Diode besitzen müssen, damit ein niedrigster Wert Null im vervielfachten Ausgangssignal vorhanden ist.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Frequenzdoppier gezeigt, der eine beträchtliche Reduzierung der genannten Verzerrungen erlaubt. Ein Eingangssignal mit einer zu verdoppelnden Frequenz wird an den Eingang 1 angelegt, der mit der Primärwicklung 2 eines Transformators 3 verbunden ist. Der Transformator erzeugt zwei Ausgangssignale an den Ausgangspunkten 4 und 5 mit gleicher Amplitude, jedoch entgegengesetzter Polarität. Diese Signale werden über jeweilige Schottky-Sperrschichtdioden 6 und 7 geleitet, in denen die Signale gleichgerichtet werden, und die gleichgerichteten Signale werden am Punkt 8 wieder vereinigt, so daß sich die in Fig. 3 dargestellte Signalform ergibt. Jede Diode 6 und 7 leitet abwechselnd Halbzyklen der angelegten Wellenform durch, so daß das kombinierte Signal einen hohen Anteil der zweiten Harmonischen des Eingangssignals enthält. Dieses Signal vom Punkt 8 wird über einen Kondensator 9 zur Ausgangsklemme 10 geleitet.

Der Transformator 3 kann durch eine Halbleiterschaltung ersetzt werden, die die entsprechende Funktion ausübt, oder durch eine andere Transformatorauslegung mit der gleichen Funktion.

Soweit bisher beschrieben, handelt es sich um einen ziemlich konventionellen Frequenzdoppler, jedoch ist ein Spannungsteiler aus Widerständen 11 und 12 und ein Tiefpaßfilter in Form einer Induktivität 13 zusätzlich vorgesehen. Die Relativwerte der Widerstände 11 und 12 sind so in Verbindung mit der negativen Versorgungsspannung -U ausgelegt, daß eine Referenzspannung am Punkt 14 zwischen den Widerständen

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11 lind 12 erzeugt wird, die zumindest annähernd gleich der Schwellspannung der DurdiLaßkennlinie der Dioden 6 und 7 ist. Die am Punkt 14 vorhandene Gleichspannung wird über die Induktivität 13 an den Punkt 8 übertragen (wobei angenommen wird, daß der Gleichspannungswiderstand der Induktivität 13 vernachlässigbar ist), so daß eine dauernd anliegende Vorspannung für die Dioden 6 und 7 erzeugt ist.

Wenn nun ein Eingangssignal mit sehr niedrigem Pegel an die Dioden 6 und 7 angelegt wird, werden sie sofort durchleiten und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugen. Die erwähnte Verzerrung insbesondere bei Amplitudenmodulation ist dabei nicht vollständig beseitigt, da die Diodenkennlinie im Bereich der Kniespannung gekrümmt verläuft, d.h. eine "weiche" Charakteristik besitzt. Unter der Annahme, daß an der Klemme 10 eine Eingangsimpedanz von 50 Ohm anliegt, betragen die Widerstandswerte der Widerstände 11 und 12 typischerweise 2,4 kOhm bzw. 51 Ohm , bei einer Versorgungsspannung -U von 15V.

Ohne Anlegen einer Vorspannung an die Dioden 6 und 7 zeigt es sich,daß bei einem Eingangspegel von 0 dB ein Amplitudenmodulationsgrad von 40% erforderlich ist, um 80% Ausgangsamplitudenmodulationsgrad zu erreichen. Wenn gemäß Fig. 2 eine Vorspannung angelegt ist, ergibt sich ein Ausgangsamplitudenmodulationsgrad von 80% bei 72% Eingangsamplitudenmodulation, und zusätzlich verbessert sich die Amplitudenmodulationsverzerrung von 3% auf 0,5%, sowie die Durchgangsdämpfung um 6 dB.

Zusätzlich wird die Wirkung des Frequenzdoppiers durch den Temperaturkoeffizienten der temperaturabhängigen Kniespannung der Dioden 6 und 7 verschlechtert, die eine Änderung der Amplitudenmodulation, eines amplitudenmodulierten Eingangssignals erzeugt. Dieser Effekt kann durch den in Fig. 4

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dargestellten Frequenzdoppier reduziert werden. Dieser Frequenzdoppier ist sonst gleichartig wie der in Fig. 2 aufgebaut, jedoch wird die Gleich-Vorspannung anders erzeugt. Es ist ein Spannungsteiler aus drei Widerständen 30, 31 und 32 vorgesehen mit einer in Reihe mit diesen Widerständen liegenden weiteren Schottky-Sperrschichtdiode 33. Die an dem Punkt 34 entstehende Referenzspannung wird über einen Verstärker 35 mit Verstärkungsfaktor 1 und einen nachgeschalteten Widerstand 36 an den Punkt 8 übertragen. Dabei wird angenommen, daß die Dioden 6, 7 und angepaßte Kennlinien besitzen, so daß eine Temperaturänderung alle Dioden in gleicher Weise beeinflußt. Damit ergibt eine Temperaturänderung der Diode 33 eine entsprechende Abwandlung der Gleich-Vorspannung am Punkt 8, so daß die Schwellwertspannung für die Dioden 6 und 7 gleichfalls abgewandelt wird. Der Widerstandswert des Widerstandes 36 wird so ausgewählt, daß das Amplitudenmodulations-Ansprechverhalten optimiert ist.

Die an der Ausgangsklemme 10 erhaltene vervielfachte Frequenz entspricht in ihrem Zeitverlauf der in Fig. 3 dargestellten Kurve. Obwohl es keine glatte Sinuswelle ist, ist sie trotzdem für viele Zwecke annehmbar. Wenn eine reinere Sinuswellenform erforderlich ist, kann ein Filter an der Ausgangsklemme 10 vorgesetzt werden, äas die verdoppelte Frequenz durchleitet, jedoch höhere Harmonische dämpft. Falls das Eingangssignal sich in einem breiten Frequenzbereich ändert, kann eine Anzahl von Ausgangsfiltern vorgesehen werden, wobei das jeweils geeignete Filter in der erforderlichen Weise zugeschaltet wird. Alternativ kann auch ein Nachlauffilter mit beeinflußbarem Frequenzverhalten benutzt werden.

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Da das Ausgangssignal an der Klemme 10 keine reine Sinuswelle darstellt, können Schmalbandfilter benutzt werden, um geradzahlige Vielfache höherer Ordnung der Eingangssignalfrequenz zu erzielen, jedoch fällt die Amplitude der geradzahligen Harmonischen scharf mit ansteigender Ordnungszahl ab.

Es wird so ein Frequenz vervielfacher mit Verwendung zweier Schottky-Sperrschichtdioden zur Gleichrichtung eines Eingangssignals gezeigt, bei dem die gleichgerichteten Wellenzüge der beiden Dioden vereinigt werden zur Erzeugung

dessen Frequenz
eines Ausgangssignals, dem Zweifachen der Eingangsfrequenz entspricht. Um die bei niedrigen Signalpegeln auftretende Verzerrung zu verringern, wird eine Gleich-Vorspannung an die Dioden angelegt,um sie bis zu ihren Schwellwertoder Kniespannungen vorzuspannen. Die Auswirkungen von Temperaturänderungen der Dioden werden dadurch verringert, daß eine weitere Diode eingesetzt wird, um den Effektivwert der Vorspannung zu bestimmen.

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Claims (8)

Patentansprüche

1./ Frequenzvervielfacher mit einem Diodennetzwerk mit einer Vielzahl von Dioden, von denen jede zur Gleichrichtung eines an das Netzwerk angelegten Wechselspannungseingangssignals ausgelegt ist, wobei die gleichgerichteten Signale zur Erzeugung eines Signals mit einer Frequenz vereinigt werden, die ein geradzahliges Vielfaches der Eingangssignalfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (11, 12, 13, 14; 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) vorgesehen ist zum Anlegen einer Vorspannung an jede Diode (6, 7), um diese zumindest annähernd auf ihren Stromleitungs-Schwellwert vorzuspannen.

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2. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Diodennetzwerk zwei jeweils als Halbwellengleichrichter wirkende Dioden (6, 7) umfaßt.

3. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dioden Schottky-Sperrschichtdioden (6, 7) sind.

4. Frequenzvervielfacher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Dioden im Diodennetzwerk mit einer gemeinsamen Vorspannungseinrichtung (11, 12, 13, 14; 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) verbunden sind.

5. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspannungseinrichtung ein Tiefpaßfilter (13) enthält, über das die Gleich- Vorspannung an das Diodennetzwerk angelegt ist.

6. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Tiefpaßfilter eine in Reihe zwischen die Dioden (6, 7) und einen Bezugsspannungspunkt (14) geschaltete Induktivität (13) umfaßt.

7. Frequenzvervielfacher nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspannung eine Funktion temperaturabhängiger Änderungen der Durchlaßkennlinie der Dioden (6, 7) ist.

8. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspannungseinrichtung eine weitere, durch die temperaturabhängigen Veränderungen ihrer Durchlaßkennlinie die an die Dioden (6, 7) im Diodennetzwerk angelegte Vorspannung modifizierende Diode (33) enthält.

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