Умножитель частоты ответного сигнала. Что значит "умножитель частоты"

1. Введение

2. Обзор методов решения аналогичных задач

3. Выбор обоснования и предварительный расчёт структурной схемы

4. Описание принципа работы структурной схемы

5. Описание схемы электрической и электрический расчёт

6. Расчёт на ЭВМ

7. Заключение

8. Список литературы

9. Перечень элементов к электрической схеме

1. Введение

Умножители частоты, или как их называют в более развернутом виде, системы формирования дискретного множества частот, в настоящее время получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры.

Индукционные печи с токами высокой частоты, радиосвязные, радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя – вот далеко не полный перечень областей применения умножителей частоты.

Появление первых разработок умножителей частоты относится к 30-м и 40-м годам XX века.

В электротехнике и электронике умножителем частоты называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз N частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний в заданном диапазоне частот с требуемой стабильностью и качеством выходного сигнала.

Основной параметр – коэффициент умножения частоты N , определяемый как отношение частоты выходного сигнала к частоте входного:

(1.1)

Характерной особенностью умножителей частоты является постоянство N при изменении (в некоторой конечной области) частоты входного сигнала, а также параметров самого умножителя (например, резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав умножителя частоты), т.е. в умножителе частоты относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остается постоянной. Это важное свойство позволяет использовать умножители частоты для повышения частоты стабильных колебаний в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и других установках; при этом N может достигать 10 и более.

Основная проблема при конструировании умножителей частоты – это уменьшение фазовой нестабильности входных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), которая приводит к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе.

Наиболее распространены умножители частоты, состоящие из нелинейного устройства (например, транзистора, варикапа, катушки с ферритовым сердечником) и одного или нескольких электрических фильтров. Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными входной частоте. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой

, подавляя (не пропуская) остальные. Такие устройства применяются для умножения частоты гармонических колебаний.

Находят применение также умножители частоты, действие которых основано на синхронизации колебаний автогенератора. В таких приборах возбуждаются колебания с частотой

, которая становится в точности равной под действием поступающих на вход колебаний с частотой . Недостатком этих умножителей частоты является сравнительно узкая полоса значений , при которых возможна синхронизация.

Также, в отличие от обычных умножителей частоты умножители на фазовращателях могут обеспечить спектрально чистый, не требующий фильтрации выходной сигнал. Используя для расщепления фазы широкополосные фазово-разностные цепи, можно реализовать частотно-независимые умножители, работающие в диапазоне, который перекрывает множество октав.

В настоящее время выявились следующие основные методы построения умножителей частоты:

– косвенный на базе систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ);

– прямой с использованием фильтрующих элементов на поверхностно-акустических волнах;

– цифровой на основе вычислительных процедур.

Необходимо отметить, что умножители частоты с ИФАПЧ относятся к числу чрезвычайно динамичных, развивающихся систем формирования дискретного множества частот. Решающую роль при этом играют такие важнейшие преимущества умножителей частоты и ИФАПЧ, как возможность реализации высококачественных спектральных и приемлемых динамических характеристик при хороших габаритных, энергетических и других показателях.

2. Обзор методов решения аналогичных задач

Рассмотрим некоторые схемы и методы построения умножителей частоты. Процесс умножения частоты на нелинейном элементе сводится к следующему: входной сигнал воздействует на нелинейный элемент или на нелинейный резонатор, в результате чего синусоидальное колебание превращается в периодическое несинусоидальное, которому соответствует бесконечный ряд синусоидальных составляющих. Затем резонатор выделяет ту составляющую, на которую он настроен, в результате чего на выходе выделенная гармоника преобладает над всеми остальными.

Величины побочных гармоник определяется добротностью резонатора, и для того, чтобы их уменьшить, необходимо увеличивать добротность резонаторов. Однако величина добротности резонаторов особенно на длинных и коротких волнах ограничена, и в этом случае для ослабления побочных гармоник применяют специальные фильтры или различные буферные каскады.

Основным показателем умножителя частоты на пассивном нелинейном элементе является коэффициент полезного действия η, под которым понимается отношение мощности N-ой гармоники в нагрузке

к мощности, потребляемой от возбудителя:

Столь малые значения к.п.д. обусловлены тем, что из-за выпрямительных свойств нелинейного активного сопротивления большая часть мощности возбудителя преобразуется в мощность постоянного тока и выделяется в цепи смещения.

Если для цепей умножения частоты применять нелинейное реактивное сопротивление, то из-за отсутствия в таком нелинейном элементе потерь мощности при идеальной фильтрации во входной и выходной цепях к.п.д. умножителя будет равен.

В качестве нелинейного реактивного сопротивления в умножителях частоты обычно используют нелинейную ёмкость p -n перехода.

Рисунок 2.1 . Структурная схема умножителя частоты на нелинейном элементе. 1 – фильтр, настроенный на гармонику, близкую к первой; n – фильтр, настроенный на n-ую гармонику.

Принцип работы умножителей на фазовращателях показан на рис.2.2. Частота синусоидального сигнала умножается на N путем разделения входного напряжения на N различных фаз, равноудаленных друг от друга в диапазоне 360°. N сигналов с различными фазами управляют N транзисторами, работающими в режиме класса С, выходные сигналы которых объединяются для формирования импульса через каждые 360°/N градусов. Благодаря использованию N транзисторов мощность входного сигнала может быть в N раз выше мощности, необходимой для насыщения транзистора.

Рисунок 2.2 . Структурная схема умножителя частоты на фазовращателях.

Схема простого умножителя частоты с переменным коэффициентом умножения и жесткой синхронизацией выходных сигналов по отношению к входным приведена на рис. 2.3. Он состоит из генератора импульсов на трех инверторах DD1.1-DD1.3 и синхронизирующего каскада на транзисторе VT1.

Когда входные синхроимпульсы отсутствуют, мультивибратор на DD1.1-DD1.3 работает в обычном режиме. Если в генераторе использована микросхема с двумя защитными диодами на входе, длительность перезарядки конденсатора C1 для любой полярности одинакова и период импульсов составит 1,4 R3 C1, а частота f - 0,7/(R3 C1).

При поступлении на вход VT1 положительных импульсов частоты F вх (рис. 2.3) транзистор в моменты t 1 ,t 3 открывается, что приводит к срыву процесса периодической перезарядки. После закрывания его с момента t 2 , t 4 процесс генерации возобновляется.Генератор формирует импульсы, синхронные по отношению к входным с частотой

F вых = kF вх, (2.3)

Рисунок 2.3 . Принципиальная схема умножителя частоты с жёсткой синхронизацией.

где k - переменный коэффициент умножения,определяемый элементами R3, C1, а F вх - частота входных импульсов.

В качестве элементов DD1 можно использовать любые инверторы микросхем серий К176, К561, КР1561. Кроме того, элементы DD1.1, DD1.2 могут быть без инверсии (буферы) или с гистерезисом (триггеры Шмитта).Транзистор серии КТ315 допустимо заменить другим аналогичным.

Это устройство при подаче на вход импульсов строчной частоты телевизионной развертки позволяет выделять строго определенные участки строки растра для формирования или считывания информации.

Так же умножитель частоты можно спроектировать на резонансном усилительном каскаде. Резонансным называется усилитель, нагрузкой которого служит резонансный контур, настроенный на частоту усиливае­мого сигнала. Для настройки в контуре используется переменное реактивное сопротивление. Резонансные усилители являются из­бирательными высокочастотными усилителями. В радиотехнике они предназначаются для выделения из действующих на входе сигналов с разными частотами лишь группы сигналов с близкими частотами, которые несут нужную информацию. К резонансным усилителям предъявляются требования возможно большего уси­ления, высокой избирательности и стабильности, малого уровня шумов, удобства управления и др.

1. Назначение, принцип действия и основные параметры

Умножители частоты в структурной схеме радиопередатчика (см. рис. 2.1) располагаются перед усилителями мощности ВЧ или СВЧ колебаний, повышая в требуемое число раз частоту сигнала возбудителя. Умножители частоты могут также входить в состав и самого возбудителя или синтезатора частот. Для входного и выходного сигнала умножителя частоты запишем:

где n - коэффициент умножения частоты в целое число раз.

Классификация умножителей частоты возможна по двум основным признакам: принципу действия, или способу реализации функции (17.1), и типу нелинейного элемента. По принципу действия умножители подразделяют на два вида: основанные на синхронизации частоты автогенератора внешним сигналом (см. разд. 10.3), в п раз меньшим по частоте (рис. 17.1,а), и с применением нелинейного элемента, искажающего входной синусоидальный сигнал, и выделением из полученного многочастотного спектра требуемой гармоники (рис. 17.1,б).

Рис. .1. Умножители частоты

По типу используемого нелинейного элемента умножители частоты второго вида подразделяют на транзисторные и диодные.

Основными параметрами умножителя частоты являются: коэффициент умножения по частоте n; выходная мощность n-й гармоники Р n , входная мощность 1-й гармоники Р 1 , коэффициент преобразования К пр =Р n /Р 1 ; коэффициент полезного действия =Р n /Р 0 (в случае транзисторного умножителя), уровень подавления побочных составляющих.

Недостаток умножителей частоты (рис. 17.1, а) первого вида состоит в сужении полосы синхронизма с увеличением номера гармоники п. У умножителей частоты второго вида уменьшается коэффициент преобразования К пр с повышением п. Поэтому обычно ограничиваются значением n = 2 или 3 и при необходимости включают последовательно несколько умножителей частоты, чередуя их с усилителями.

2. Транзисторный умножитель частоты

Схема транзисторного умножителя частоты (рис. 17.2) и методика его расчета практически ничем не отличаются от усилителя.

Необходимо только выходную цепь генератора настроить на n-ю гармонику и выбрать значение угла отсечки =120/n, соответствующее максимальному значению коэффициента  n (). При расчете выходной цепи коэффициент разложения косинусоидального импульса по 1-й гармонике  1 () следует заменить на коэффициент по n-й гармонике  n (). Контур в выходной цепи, настроенный в резонанс с n-и гармоникой сигнала, должен обладать удовлетворительными фильтрующими свойствами.

Рис. 17.2. Схема транзисторного умножителя частоты

Коэффициент умножения схемы на рис. 17.2 обычно не превышает 3–4 раз при КПД, равном 10–20%.

3. Диодные умножители частоты

Работа диодных умножителей частоты основана на использовании эффекта нелинейной емкости. В качестве последней используется барьерная емкость обратно смещенного р-n-перехода. Полупроводниковые диоды, специально разработанные для умножения частоты, называются варакторами. При =0,5 и  0 =0,5 В для нелинейной емкости варактора получим:

, (2)

где и - обратное напряжение, приложенное к p-n-переходу.

График нелинейной функции (17.2) показан на рис. 17.3.

Рис. 17.3. График нелинейной функции

Заряд, накапливаемый нелинейной емкостью, с напряжением и током связаны зависимостями:

, (3)

Две основные схемы диодных умножителей частоты с варакторами приведены на рис. 17.4.

Рис. 17.4. Диодные умножители частоты с варакторами

В схеме диодного умножителя параллельного вида (рис. 17.4, а) имеются два контура (или фильтра) последовательного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного  и выходного n сигналов. Такие контуры имеют малое сопротивление на резонансной частоте и большое - на всех остальных (рис. 17.5).

Рис. 17.5.Зависимость сопротивления контура от частоты

Поэтому первый контур, настроенный в резонанс с частотой входного сигнала о, пропускает только 1-ю гармонику тока, а второй контур, настроенный в резонанс с частотой выходного сигнала n, - только n-ю гармонику. В результате ток, протекающий через варактор, имеет вид:

Поскольку емкость варактора (17.2) есть нелинейная функция, то согласно (17.3) при токе (17.4) напряжение на варакторе отлично от синусоидальной формы и содержит гармоники.

Одна из этих гармоник, на которую настроен второй контур, проходит в нагрузку.

Таким образом, с помощью нелинейной емкости в устройстве происходит преобразование мощности сигнала с частотой  в сигнал с частотой n, т.е. умножение частоты.

Аналогичным образом работает вторая схема умножителя частоты последовательного вида (рис. 17.4, б), в которой имеется два контура (или фильтра) параллельного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного  и выходного n сигналов. Такие контуры имеют большое сопротивление на резонансной частоте и малое - на всех остальных. Поэтому напряжение на первом контуре, настроенном в резонанс с частотой входного сигнала , содержит только 1-ю гармонику, а на втором контуре, настроенном в резонанс с частотой выходного сигнала n, - только n-ю гармонику. В результате напряжение, приложенное к варактору, имеет вид:

где U 0 - постоянное напряжение смещения на варакторе.

Поскольку емкость варактора (17.2) есть нелинейная функция, то согласно (17.3) при напряжении (17.5) ток, протекающий через варактор, отличен от синусоидальной формы и содержит гармоники. Одна из этих гармоник, на которую настроен второй контур, проходит в нагрузку. Таким образом, с помощью нелинейной емкости в схеме происходит преобразование мощности сигнала с частотой  в сигнал с частотой n, т.е. умножение частоты.

Варакторные умножители частоты в ДЦВ диапазоне при n=2 и 3 имеют высокий коэффициент преобразования К пр =P n /P 1 =0,6…0,7. При больших величинах п в СВЧ диапазоне значение К пр уменьшается до 0,1 и ниже.

электронное (реже электромагнитное) устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний. Отношение f вых /f вх (f вх и f вых – частоты колебаний соответственно на входе и выходе У. ч.) называется коэффициента умножения частоты m (m ≥ 2 ; может достигать нескольких десятков). Характерная особенность У. ч. – постоянство т при изменении (в некоторой конечной области) f вх , а также параметров У. ч. (например, резонансных частот колебательных контуров (См. Колебательный контур) или Резонаторов, входящих в состав У. ч.). Отсюда следует, что если f вх по каким-либо причинам получила приращение Δf вх (достаточно малое), то приращение Δf вых частоты f вых таково, что Δf вх /f вх = Δf вых /f вых, т. е. относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остаётся неизменной. Это важное свойство У. ч. позволяет использовать их для повышения частоты стабильных колебаний (обычно получаемых от кварцевого задающего генератора (См. Задающий генератор)) в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и др. установках.

Наиболее распространены У. ч., состоящие из нелинейного устройства (например, Транзистора, варактора, или Варикапа, катушки с ферритовым сердечником; электронной лампы (См. Электронная лампа)) и электрического фильтра (См. Электрический фильтр) (одного или нескольких). Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в Спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными f вх. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой mf вх , подавляя (не пропуская) остальные. Поскольку такое подавление в реальных фильтрах не является полным, на выходе У. ч. остаются нежелательные (т. н. побочные) составляющие, т. е. гармоники с номерами, отличными от m. Задача облегчается, если нелинейное устройство порождает практически только m- ю гармонику f вх, – в этом случае иногда обходятся без фильтра (известны подобные У. ч. на туннельных диодах (См. Туннельный диод) и специальных электроннолучевых приборах). При m > 5 бывает энергетически выгоднее использовать многокаскадные У. ч. (в них выходные колебания одного каскада служат входными для другого).

Находят применение также У. ч., действие которых основано на синхронизации автогенератора (см. Генерирование электрических колебаний). В последних возбуждаются колебания с частотой f 0 = mf вх , которая становится в точности равной mf вх под действием поступающих на его вход колебаний с частотой f вх. Недостаток таких У. ч. – сравнительно узкая полоса значений f вх, при которых возможна синхронизация. Кроме указанных, некоторое распространение получили радиоимпульсные У. ч., в которых на вход электрического фильтра подаются радиоимпульсы определённой формы, вырабатываемые под действием входных колебаний с частотой f вх.

Основная проблема при создании У. ч. – уменьшение фазовой нестабильности выходных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), приводящей к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе. Строгий расчёт У. ч. связан с интегрированием нелинейных дифференциальных уравнений.

Лит.: Жаботинский М. Е., Свердлов Ю. Л., Основы теории и техники умножения частоты, М., 1964; Ризкин И. Х., Умножители и делители частоты, М., 1966; Бруевич А. Н., Умножители частоты, М., 1970; Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах, М., 1973.

И. Х. Ризкин.

• - влектронный умножитель, - электронное устройство для усиления потока электронов на основе вторичной электронной эмиссии...
• - специальный трансформатор, увеличивающий частоту переменного тока, вырабатываемого генератором, либо специальная ламповая схема, служащая для получения токов высокой частоты...

  Морской словарь

• - электронное устройство для усиления тока первичных электронов на основе вторичной электронной эмиссии. ЭУ либо входит в состав нек-рых электровакуумных приборов, либо используется как самостоят...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - фотоумножитель, - усилитель слабых фототоков, действие к-poro осн. на вторичной электронной эмиссии; разновидность фотоэлектронного прибора. Осн. узлы ФЭУ: фотокатод, эмитирующий электроны под действием оптич...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - см. Вторично-электронный умножитель...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - электронное устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний. Отношение fвых/fвх называется коэффициента умножения частоты m ...
• - электровакуумный прибор, в котором поток электронов, эмитируемый Фотокатодом под действием оптического излучения, усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии...

  Большая Советская энциклопедия

• - электронное устройство для усиления потока электронов на основе вторичной электронной эмиссии...

  Большая Советская энциклопедия

• - радиоэлектронное устройство для увеличения в целое число раз частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний...
• - усилитель слабых фототоков, действие которого основано на вторичной электронной эмиссии. Конструктивные узлы ФЭУ: фотокатод, диноды и анод-коллектор...

  Большой энциклопедический словарь

• - умножи/тель-дете/ктор,...

  Слитно. Раздельно. Через дефис. Словарь-справочник

• - УМНОЖИ́ТЕЛЬ, умножителя, муж. В выражении: умножитель частоты - трансформатор, увеличивающий частоту переменного...

  Толковый словарь Ушакова

• - ...

  Орфографический словарь-справочник

• - умнож"...

  Русский орфографический словарь

• - ...

  Формы слова

• - умножатель, фото,...

  Словарь синонимов

"Умножитель частоты" в книгах

Свободные частоты

Из книги Google. Прошлое. Настоящее. Будущее автора Лау Джанет

Свободные частоты Трудно передать восторг Ларри Пейджа, когда пришло известие, что Федеральная комиссия США по связи (Federal Communications Commission, FCC) одобрила использование свободных частот, не задействованных в трансляции телевизионных или радиопередач: Не за горами тот день,

Как контролировать частоты

Из книги Просите – и получите автора Моранси Пьер

Как контролировать частоты Этот усилитель успеха всего лишь дополняет объяснения, представленные мной в разделе о питании. Поскольку все во Вселенной вибрирует, вам следует заняться изучением внешних воздействий на ваш энергетический уровень. Какой смысл

Глава шестая Токи высокой частоты. Резонанс-трансформатор. Безопасен ли электрический ток? Лекция Теслы о токах высокой частоты

Из книги автора

Глава шестая Токи высокой частоты. Резонанс-трансформатор. Безопасен ли электрический ток? Лекция Теслы о токах высокой частоты По утверждению Теслы, год, проведенный им в Питсбурге, был потерян для исследовательских работ в области многофазных токов. Возможно, что это

9. ЧАСТОТЫ МОСКВЫ

Из книги Энциклопедия безопасности автора Громов В И

9. ЧАСТОТЫ МОСКВЫ Большинство из предлагаемых вашему вниманию частот можно прослушивать с помощью сканирующего приемника (сканера). Мы рекомендуем проверенные и надежные сканеры японской фирмы AOR Ltd модели AR-3000 (стационарный) или AR-8000 (портативный). Их, а так же любую

Умножитель частоты

автора Коллектив авторов

Умножитель частоты Умножитель частоты – это радиоэлектронное устройство, предназначенное для увеличения частоты периодических электрических колебаний в целое число раз. В задачи этого электрического аппарата входит увеличение частоты приводимых к нему

Фотоэлектронный умножитель

Из книги Большая энциклопедия техники автора Коллектив авторов

Фотоэлектронный умножитель Фотоэлектронный умножитель – электровакуумный прибор, в котором поток электронов, эмитируемый фотокатодом под воздействием оптического излучения, в результате вторичной электронной эмиссии усиливается в умножительной системе; ток в цепи

Девиация частоты

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ДЕ) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (ФО) автора БСЭ

Умножитель частоты

Из книги Большая Советская Энциклопедия (УМ) автора БСЭ

1.3.2. Частоты

Из книги Электронные фокусы для любознательных детей автора Кашкаров Андрей Петрович

1.3.2. Частоты При проведении эксперимента в сельских условиях сигнал с портативного трансивера был получен другим корреспондентом, находящимся в 22 м от меня – принят на идентичную радиостанцию, настроенную на те же частоты.При экспериментировании замечена интересная

В передающих и приемных трактах систем связи, а также в некоторых измерительных устройствах широко применяется нелинейное преобразование гармонического колебания, в результате которого частота этого колебания увеличивается в k раз, k – целое положительное число. Такое нелинейное преобразование называется умножением частоты, а устройство, его реализующее, – умножителем частоты.

Таким образом, умножитель частоты – это устройство, которое увеличивает в k раз частоту гармонического колебания. Если на вход умножителя подается сигнал , то на выходе формируется сигнал , причем некоторые умножители увеличивают в k раз и начальную фазу, т.е. .

Умножители частоты используются при формировании колебаний с высокой стабильностью частоты. Это относится прежде всего к формированию высокочастотных колебаний при кварцевой стабилизации частоты задающего генератора. Собственная частота кварца определяется выражением , b – толщина пластинки кварца. Для частоты более 50 МГц пластинка должна иметь толщину порядка сотых долей миллиметра. Такие пластинки изготовить очень трудно, они имеют слабую механическую прочность. Поэтому такой метод стабилизации используют в генераторах с частотой до 5 МГц, в отдельных случаях до 50 МГц. Колебания более высоких частот получают с помощью умножителей частоты.

В качестве умножителей частоты наиболее часто используют схему нелинейного резонансного усилителя с контуром, настроенным на требуемую частоту. Как было показано ранее, в спектре импульсов тока нелинейного усилителя на транзисторе (работающего в режиме с отсечкой тока) имеются гармонические составляющие с частотами, кратными частоте входного сигнала. Если контур усилителя настроить на частоту k- й гармоники, то на выходе будет сформировано гармоническое колебание с частотой этой гармоники.

Известно, что амплитуда k -й гармоники определяется выражением . Следовательно, режим работы усилителя как умножителя частоты должен быть таким, чтобы амплитуда нужной гармоники была наибольшей. При определенном значении это обеспечивается оптимальным углом отсечки, при котором = max.

Практически доказано, что такой угол отсечки, при котором графики имеют хорошо выраженные максимумы, равен . Знание угла отсечки дает возможность определить амплитуду входного сигнала и напряжение рабочей точки умножителя частоты:

, .

Здесь – средняя крутизна ВАХ транзистора для k -й гармоники, – напряжение отсечки.

Рассмотренная схема умножителя может обеспечить умножение частоты в 2, реже в 3 раза и не более, ибо амплитуды высших гармоник коллекторного тока быстро убывают с увеличением их частоты. В тех случаях, когда требуется умножение частоты сигнала в десятки и более раз, возможно многократное умножение частоты путем последовательного включения нескольких умножителей. Однако более целесообразно использовать другой метод.

Известно, что спектр периодической последовательности видеоимпульсов содержит бесконечное число гармонических составляющих с частотами, кратными частоте следования импульсов . Амплитуды этих гармоник при достаточно велики в широком диапазоне частот (ширина основного лепестка спектра равна ). Поэтому с помощью узкополосных фильтров можно выделить гармоники с частотами при значениях более десяти.

Схема такого умножителя содержит нелинейный преобразователь гармонического колебания в периодическую последовательность очень коротких по длительности видеоимпульсов с частотой повторения, равной частоте входного колебания, т.е. . Необходимая гармоника спектра этих импульсов выделяется фильтром.

Еще больший коэффициент умножения можно получить, если использовать периодическую последовательность радиоимпульсов. Спектр такого сигнала сосредоточен в области частоты несущего колебания. В составе этого спектра содержатся гармонические составляющие с частотами , значительно превышающими частоту входного колебания. Схема такого умножителя сложная, так как должна содержать импульсный амплитудный модулятор, преобразующий колебания с частотой в периодическую последовательность радиоимпульсов с частотой следования .

Умножение частоты можно осуществить также с помощью параметрических цепей (например, цепей с варактором). В рамках данного учебного пособия эта проблема не рассматривается.

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:

N=f вых /f вх

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.

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:

Варакторное умножение (другими словами умножение на нелинейной емкости);
Удвоение на схеме двухполупериодного выпрямления
Диодное преобразование формы импульсов с последующим выделением необходимой гармоники.

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.

Основным их рабочим элементом является умножительный (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.

Особенность 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.