Файл: Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие.pdf

©

Частота накачки (J.а —/IQ -г- 1,^J 7,5+50 ГГц. Генераторы гармоник (умножители частот]на нелиней­

ной емкости варакторных диодов находят широкое примене­ ние для получения колебаний СВЧ с высокой стабильностью частоты, а также в тех случаях, когда непосредственноегенерирование колебаний заданной частоты оказывается

недостаточно эффективным^

Генераторы гармоник'на варакторах теоретически мо­

гут генерировать гармоники с к .п .д ., равным 1Q0/J. Этотвывод непосредственно еле,дует иэ уравнений Мэнли-Роу. Рассмотрим с помощью системы (2] случай, когда к варак­

ми входной U, 0 /уА?/ и выходаой L'c.^2.^2 резонансными цепя­ ми, настроенными-соответственно на первую и - з гармо­ ники. грузка включена последовательно с выходным кон-

Рис.19. Принципиальная схема варакторного умножителя частоты.

туром, цепь напряжения смещения не показана. -

Так как сопротивление входного контура на основной

частоте мало,а выходного велико,то ток генератора пер-, вой гармоники полностью протекает через варактор. Вслед­ ствие нелинейной зависимости Cn(U) при протекании сину­ соидального тока на варакторе, развивается несинусоидаль­

нов напряжение и варактор может рассматриваться как ге­ нератор напряжения гармоник.В нагрузке выделяется макси­ мальная мощность той гармоники,на частоту которой наст­ роен выходной контур.

В схеме через, варактор могут протекать только два

использована с высокой эффективностью только для удвое­ ния частоты (П7 =2} .

Для.осуществления генерации гармоник более высоко­ го порядка Ю ^ 3 необходимо, чтобы через варактор протекали дополнительные токи так называемых "холостых’’ гармоник. Например, для создания эффективного утроителя частоты /п =3 необходимо наличие второй,"холостой^ гар­ моники. Схема утроителя с дополнительным контуром L1,C2.

настроенным на частоту второй гармоники,изображена ва

- 2В -

рис.20. При подведении к умножителю мощности на основ-

*

ной частоте происходит генерирование второй гармоники,.

Рис.£0. Схема утроителя частоты с дополнительным контуром, настроенным на частоту второй

гармоники.

ток которой протекает через дополнительный контур L2tC2

и через диод, где смешивается с основной частотой. 2 результате появляется третья гармоника, на которую на­

строен выходнойконтур. Так как в дополнительном контуре

■потери энергии отсутствуют, почти вся мощность первой гармоники преобразуется в модность колебаний третьей

гармоники. Такой умножитель•называют умножителем типа

1 -2 -3 -4 и і-2-3-5 соответственно, с коэффициентами умно­ жения /77=4 и /7?=5.

На рис. 21 изображена конструкция современного умно­ жителя частоты (Ю=Ъ) сантиметрового диапазона волн,Ко­ лебания основной частоты подводятся по коаксиальной ли­ нии. Четвертьволновый трансформатор 1 обеспечивает согла­ сование варактора 2 с входной-цепью. Одрааокцентрального проводника коаксиальной линии .3, выступающий в выходной

Рис.21. Конструкция умножителя частоты сантиметрового диапазона.

волновод &, образует индуктивность, соответствующую

I—£ (рис.20,), которая совместно с емкостью зазора 4

составляет "холостой" контур L2tC2, настроенной на вторую гармонику. Варактор располагается в выходном

волноводе так, чтобы наиболее интенсивно возбуждалась третья гармоника. Для основной частоты и частоты вто­ рой гармоники выходной волновод является запредельным.

Полость 5 представляет собой режектэрный фильтр,настро­ енный на частоту третьей гармоники, и тем самым исклю­ чающий проникновение ее во входную линию.

2. Режимы работы варактора. В умножителях частот

используются два режима работы варакторных днодоз:режйы полностью запертого . р —п -перехода ,■при котором амплитуда.переменного напряжения меньше величины напря­ жения смещения 0т< jUw j tVi режим частичного отпирания

р —П -перехода. £' режиме частичного отпирания повыша­ ется к.п.д- варактора и существенно возрастает величина преобразованной мощности. В настоящее'время режим час­ тичного отпирания перехода считается основным рабочим режимом варакторов в умножителях частоты.

-Gг » l<

Рис.22. Устройство варакторного столбика.

сопротивление потерь столбика RsfT^si -Предельная час­

тота столбика при этом остается такой же, как предель­ ная частота. одно.го варактора.Увеличение выходной мощно­ сти в. столбике прямо пропорционально Л-' , так как про­ бивное напряжение столбика в а/, pas больше напряжения

пробоя одного диода.

4. Гаракторные .диоды с напряжением заряда и резким

восстановлением. Этот тип диодов.появился в результате

усилий, направленных на увеличение эффекте, накопления

заряда в СВЧ варакторных диодах. Как было сказано выше, увеличение нелинейности характеристики Cn(ÜJzаракторг

от плоскости перехода, чтобы она могла вернуться назад. Первое условие выполняется при использовании з ва­ ракторах эпитаксиального кремния, где время жизни носителей составляет 10 -Ю с . Для предотвращения возмож­

ности диффузии неосновных носителей на большую глубин

в облаетъ перехода необходимо создать сильное внутрен­

нее. электрическое пола по обе стороны от перехода. Это

доле образуется за счет большого градиента концентрации примесей в области перехода. 3 .диодах с такими узкими переходами нелинейность емкости обусловлена исключитель­

но диффузионной емкость».

Если на такой диод, находящийся под небольшим отри­

цательным смещением, подать большой синусоидальный сиг­ нал, то ток через диод будет иметь форму»показанную на

ложенное напряжение меняет знак и становится отрицатель­

ныД заряд инжектированных-носителей сосредоточен*в не­

посредственной близости от плоскости перехода,носители

Я

возвращаются компактным сгустком; поэтому обратный ток проходит в течение очень короткого времени Х^-,0 . как