RU51804U1

RU51804U1 - FREQUENCY FREQUENCY

Info

Publication number: RU51804U1
Application number: RU2005128255/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Ануфриев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Спектран"
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2006-02-27

Abstract

Изобретение относится к области генерирующей и измерительной СВЧ-техники, а именно к задаче преобразования (умножения) частоты.The invention relates to the field of generating and measuring microwave technology, and in particular to the task of frequency conversion (multiplication).

Задачей полезной является повышение КПД при обеспечении возможности работы на основной частоте без потерь мощности.A useful task is to increase the efficiency while ensuring the ability to work at the fundamental frequency without loss of power.

Поставленная задача решается тем, что в умножитель частоты, содержащий управляемый генератор с блоком фазовой автоподстройки частоты, последовательно соединенные нелинейный элемент и резонансную систему, согласно решению, введена цепь обратной связи, состоящая из последовательно соединенных направленного ответвителя, датчика мощности, микропроцессора, цифроаналогового преобразователя и аттенюатора, управляемого напряжением, при этом направленный ответвитель подключен к выходу резонансной системы, а аттенюатор - к входу нелинейного элемента; резонансная система выполнена в виде ЖИГ-фильтра, нелинейный элемент - в виде малошумящего усилителя.The problem is solved in that in a frequency multiplier containing a controlled generator with a phase-locked loop, a nonlinear element and a resonant system are connected in series, according to the solution, a feedback circuit is introduced, consisting of a directional coupler, a power sensor, a microprocessor, a digital-to-analog converter, and the voltage-controlled attenuator, with the directional coupler connected to the output of the resonant system, and the attenuator to the non-linear input element; the resonant system is made in the form of a YIG filter, the nonlinear element is in the form of a low-noise amplifier.

Description

Полезная модель относится к области генерирующей и измерительной СВЧ-техники, а именно к задаче преобразования (умножения) частоты.The utility model relates to the field of generating and measuring microwave technology, namely to the task of frequency conversion (multiplication).

Известно два основных метода умножения частоты. Принцип работы первого метода заключается в синхронизации высокостабильными колебаниями частоты f₁автогенератора, работающего на частоте n*f₁. Эта синхронизация на гармонике входной частоты осуществляется захватыванием частоты или с помощью схем фазовой автоподстройки. Принцип работы второго метода заключается в искажении формы синусоидального входного сигнала нелинейньм элементом с последующим выделением колебаний нужной гармоники резонансными системами (см.: Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильчиков Н.А. Твердотельные устройства в СВЧ и технике. М.: Радио и связь, 1988; Савельев B.C. Умножители частоты СВЧ-диапазона на транзисторах // Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ, 1986, вып.17.).Two main methods of frequency multiplication are known. The principle of operation of the first method is synchronization by highly stable oscillations of the frequency f _{1 of an} oscillator operating at a frequency n * f ₁ . This synchronization at the harmonic of the input frequency is carried out by capturing the frequency or using phase-locked loops. The principle of operation of the second method is to distort the shape of the sinusoidal input signal by a nonlinear element, followed by the allocation of the desired harmonic oscillations by the resonant systems (see: Gassanov L.G., Lipatov A.A., Markov V.V., Mogilchikov N.A. Solid state devices in microwave and technology. M: Radio and communications, 1988; Savelyev BC. Frequency multipliers of the microwave range on transistors // Reviews on electronic technology. Ser. 1. Microwave electronics, 1986, issue 17.).

Во втором методе в качестве нелинейного активного сопротивления обычно используются точечные, туннельные или p-n диоды, а также биполярные или полевые транзисторы. В качестве резонансных систем используются коаксиальные, спиральные, полосковые или волноводные резонаторы. В качестве основных параметров умножителей частоты рассматриваются: выходная мощность Р_n требуемой n-й гармоники, КПД, равный отношению мощности Р_n к мощности P₁ первой гармоники, поступающей на вход умножителя, а также уровень подавления побочных колебаний.In the second method, point, tunnel, or pn diodes, as well as bipolar or field effect transistors, are usually used as nonlinear active resistance. As resonance systems, coaxial, spiral, strip or waveguide resonators are used. The main parameters of frequency multipliers are considered: the output power P _{n of the} required nth harmonic, the efficiency equal to the ratio of the power P _n to the power P _{1 of the} first harmonic supplied to the input of the multiplier, as well as the level of suppression of side vibrations.

Обычно используемые умножители частоты отличаются рядом недостатков: низкий КПД (практически для всех видов), малая выходная мощность и нестабильность колебаний (для диодных умножителей), возможность параметрической генерации паразитных колебаний (для варакторных умножителей), сложность настройки и большая инерционность процессов, не позволяющая их использование на высоких частотах порядка ГГц (для транзисторных умножителей).Commonly used frequency multipliers have several disadvantages: low efficiency (for almost all types), low output power and oscillation instability (for diode multipliers), the possibility of parametric generation of spurious oscillations (for varactor multipliers), the complexity of the settings, and the large inertia of the processes that do not allow them use at high frequencies of the order of GHz (for transistor multipliers).

Известен гармонический умножитель частоты (патент РФ №2257665 МПК Н 03 В 19/06), который содержит фазоинверсный каскад, двухтактный каскад, активные элементы которого по выходу соединены параллельно и подключены к нагрузке, при этом истоковые электроды активных элементов подсоединены к выходам фазоинверсного каскада и через истоковые резисторы к общей точке устройства, при этом управляющие Known harmonic frequency multiplier (RF patent No. 2257665 IPC N 03 V 19/06), which contains a phase-inverse cascade, push-pull cascade, the active elements of which are connected in parallel to the output and connected to the load, while the source electrodes of the active elements are connected to the outputs of the phase-inverted cascade and through the source resistors to the common point of the device, while controlling

электроды активных элементов через блокировочные конденсаторы соединены с общей точкой устройства.electrodes of active elements through blocking capacitors are connected to a common point of the device.

Недостатком устройства является сложность настройки и большая инерционность процессов.The disadvantage of this device is the complexity of the settings and the large inertia of the processes.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является умножитель частоты, содержащий последовательно соединенные фильтр нижних частот, управляющий элемент, подстраиваемый генератор, ключевой фазовый детектор и запоминающее устройство. Между выходом запоминающего устройства и входом фильтра нижних частот введены последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель и фазочувствительный выпрямитель, к другому входу которого подключен выход введенного делителя частоты на два, вход которого объединен с другим входом ключевого фазового детектора и является входом опорного сигнала умножителя частоты (см. авт. св-во СССР №813676, МПК Н 03 В 19/00)Closest to the proposed technical solution is a frequency multiplier containing a series-connected low-pass filter, a control element, an adjustable oscillator, a key phase detector and a storage device. Between the output of the storage device and the input of the low-pass filter, a series-pass filter, an amplifier, and a phase-sensitive rectifier are introduced, to the other input of which is connected the output of the introduced frequency divider by two, the input of which is combined with the other input of the key phase detector and is the input of the reference signal of the frequency multiplier (see Authors USSR Union No. 813676, IPC N 03 B 19/00)

Однако он характеризуется низким КПД, малой выходной мощностью, нестабильностью колебаний.However, it is characterized by low efficiency, low output power, and oscillation instability.

Изобретение поясняется чертежом, где позициями обозначены:The invention is illustrated in the drawing, where the positions indicated:

1 - генератор, управляемый напряжением.1 - voltage controlled oscillator.

2 - блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).2 - phase locked loop (PLL).

3 - аттенюатор, управляемый напряжением.3 - voltage controlled attenuator.

4 - сверхширокополосный малошумящий усилитель (МШУ).4 - ultra-wideband low noise amplifier (LNA).

5 - ЖИГ-фильтр.5 - YIG filter.

6 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).6 - digital-to-analog converter (DAC).

7 - направленный ответвитель.7 - directional coupler.

8 - датчик мощности.8 - power sensor.

9 - микропроцессор.9 - microprocessor.

Предлагаемый умножитель частоты с переменной кратностью, содержит управляемый генератор 1 с блоком фазовой автоподстройки частоты 2, последовательно соединенные сверхширокополосный малошумящий усилитель 4 и ЖИГ-фильтр 5, цепь обратной связи, состоящую из последовательно соединенных направленного ответвителя 7, датчика мощности 8, микропроцессора 9, цифроаналогового преобразователя 6 и аттенюатора 3, управляемого напряжением. Направленный ответвитель 7 подключен к выходу ЖИГ-фильтра 5 а аттенюатор 3 - к входу сверхширокополосного малошумящего усилителя 4.The proposed frequency multiplier with variable frequency, contains a controlled generator 1 with a phase-locked loop 2, serially connected ultra-wideband low-noise amplifier 4 and YIG filter 5, a feedback circuit consisting of a series-connected directional coupler 7, a power sensor 8, a microprocessor 9, digital-to-analog converter 6 and voltage controlled attenuator 3. The directional coupler 7 is connected to the output of the YIG filter 5 and the attenuator 3 to the input of the ultra-wideband low noise amplifier 4.

Принцип работы умножителя частоты заключается в искажении формы синусоидального входного сигнала нелинейным элементом с последующим выделением колебаний нужной гармоники резонансной системой. В качестве нелинейного элемента используется сверхширополосный малошумящий усилитель с небольшой мощностью однодецибельной компрессии Р.The principle of operation of the frequency multiplier is to distort the shape of the sinusoidal input signal by a nonlinear element, followed by highlighting the oscillations of the desired harmonic by the resonant system. As a non-linear element, an ultra-wide low-noise amplifier with a small power of one-decibel compression R.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Сигнал генератора 1, который управляется с помощью блока автоподстройки частоты 2, поступает на управляемый аттенюатор 3 и, после изменения его мощности на аттенюаторе, на нелинейный элемент 4 в виде сверхширокополосного малошумящего усилителя, например Agilent Technologies MGA-86563. В нелинейном элементе 4 производится преобразование сигнала, на выходе нелинейного элемента получаем ряд сигналов, из которых выделяется сигнал требуемой частоты с помощью ЖИГ-фильтра 5 (а остальные, соответственно, гасятся). Далее сигнал подается на выход устройства, при этом выходная мощность определяется с помощью направленного ответвителя 7 и датчика мощности 8, после чего микропроцессор 9 производит регулировку уровня выходной мощности путем управления через ЦАП 6 управляемым аттенюатором 3.The signal of the generator 1, which is controlled by the automatic frequency block 2, is fed to a controlled attenuator 3 and, after changing its power on the attenuator, to a non-linear element 4 in the form of an ultra-wideband low-noise amplifier, for example, Agilent Technologies MGA-86563. In the nonlinear element 4, the signal is converted, at the output of the nonlinear element we obtain a series of signals from which the signal of the required frequency is extracted using the YIG filter 5 (and the rest, respectively, are suppressed). Next, the signal is supplied to the output of the device, while the output power is determined using a directional coupler 7 and a power sensor 8, after which the microprocessor 9 adjusts the level of output power by controlling the controlled attenuator 3 through the DAC 6.

Сигнал, поступающий на умножитель, должен иметь мощность на 40-50% больше мощности Р МШУ. Для получения сигнала основной частоты на аттенюаторе вводится ослабление, обеспечивающее уровень входной мощности МШУ ниже точки компрессии. При работе на гармониках мощность на усилителе больше мощности Р. Вследствие отсутствия аналитической зависимости между мощностью, падающей на усилитель, и КПД умножителя на требуемой гармонике, уровень падающей мощности подбирается по максимуму напряжения на детекторе.The signal supplied to the multiplier should have a power of 40-50% more power P LNA. To obtain the main frequency signal, attenuation is introduced on the attenuator, providing the LNA input power level below the compression point. When working at harmonics, the power on the amplifier is greater than the power P. Due to the lack of an analytical relationship between the power incident on the amplifier and the efficiency of the multiplier at the required harmonic, the level of incident power is selected according to the maximum voltage at the detector.

Преимущества предложенного умножителя заключаются в высоком КПД при использовании МШУ, который составляет 92% на второй гармонике, 71% на третьей, 54% на четвертой и 38% на пятой, возможности работы на основной частоте без потерь The advantages of the proposed multiplier are high efficiency when using LNA, which is 92% at the second harmonic, 71% at the third, 54% at the fourth and 38% at the fifth, the ability to work at the main frequency without loss

мощности (с усилением соответствующем усилению МШУ), простоте настройки и малых фазовых и амплитудных шумах. В качестве нелинейного элемента возможно использования любого МШУ работающего в требуемой полосе частот с небольшой мощностью Р.power (with amplification corresponding to the gain of the LNA), ease of setup, and small phase and amplitude noise. As a non-linear element, it is possible to use any LNA operating in the required frequency band with a small power R.

Claims

A frequency multiplier comprising a controlled oscillator with a phase-locked loop, a nonlinear element and a resonant system connected in series, characterized in that a feedback circuit is introduced into it, consisting of a directional coupler, a power sensor, a microprocessor, a digital-to-analog converter and an attenuator controlled by voltage while the directional coupler is connected to the output of the resonant system, and the attenuator is connected to the input of the nonlinear element; the resonance system is made in the form of a YIG filter, the nonlinear element is in the form of an ultra-wideband low-noise amplifier.