Как работают многофазные умножители частоты, примеры схем


Фаза несущих и сигнальных колебаний в теории сигналов относится к тонкой информационной структуре.Фазовая обработка сигналов все более широко используется в современной радиосвязи.

Достаточно упомянуть использование квадратурных составляющих в однополосных модуляторах и в смесителях частоты с подавлением зеркальных каналов приема, а также высокоэффективных многофазных цифровых модуляционных форматах PSK [1'].

Менее известны на практике структуры многофазных умножителей частоты Цель статьи состоит в ознакомлении читателей с этим относительно новым элементом радиотехники.

Широко используемые в радиотехнических устройствах умножители частоты состоят из двух основных компонентов: нелинейных элементов (полупроводниковые диоды, варакторы или триоды в нелинейном режиме класса С), обогащающих гармониками спектр входного сигнала и резонансных контуров (фильтров), выделяющих из этого спектра требуемую гармонику источника стабильной частоты (последний выполняется, как правило, на основе кварцевого генератора).

Сразу отметим, что наличие узкополосной резонансной цепи но выходе умножителя, настроенной но одну выделяемую частоту, является принципиальным ограничением простейших умножителей частоты.

Для преодоления этого ограничения в современной профессиональной радиоаппаратуре используют достаточно сложные цифровые синтезаторы частоты.

В то же время во многих случаях в радиолюбительской практике могут найти применение более простые схемы широкополосных умножителей частоты многофазного типа.

Принцип действия многофазных умножителей частоты достаточно прост. Чтобы умножить частоту синусоидального сигнала fo но заданное целое число N достотачно предварительно разделить его на N параллельных каналов с последовательным сдвигом фаз в каждом из них на дискрет (шаг) 360YN (рис.1).

Структурная схема

Рис. 1. Структурная схема.

В каждом канале но выходе нелинейного элемента образуются однополярные импульсы несущей частоты fo и ее гармоники 2fo, 3fo... (N-l)fo, Nfo...

Можно показать математически, что если представить сигналы после нелинейных элементов в виде рядов гармоник несущей частоты, где каждая частотная составляющая получает кроме умножения частоты на N еще и умножение дискрета фазы но номер своей гармоники, то после суммирования на общей нагрузке все составляющие рядов, включая и несущую частоту, компенсируются, кроме одной полезной составляющей с частотой Nfo.

При этом для выделения этой составляющей не требуется использования в явном виде какого-либо резонансного контура или фильтра.

Это очень удобно в случае умножителей звуковых частот, когда можно исключить резонансные цепи с низкой добротностью, которые реализуются, в основном, с использованием габаритных катушек индуктивности но магнитных сердечниках, а также в умножителях высоких частот вплоть до СВЧ, где реализация резонансных цепей является известной проблемой.

Таким образом, можно считать, что многофазные умножители - это один из примеров системотехники применения фазовой обработки и селекции сигналов.

По сравнению с резонансными умножителями умножители но фазовращателях обеспечивают лучший уровень подавления паразитных гармоник и исходной несущей частоты, а также широкополосность в пределах частотной независимости фазовращателей.

Удвоители и учетверители частоты

Удвоители частоты являются простейшими представителями семейство многофазных умножителей с кратностью умножения и, соответственно, с числом фаз N=2.

Две фазы несущей частоты, 0° и 180°, образуются с помощью трансформатора со средней точкой во вторичной обмотке или усилительной транзисторной схемы с расщепленной нагрузкой (в коллекторе и эмиттере), или дифференциального усилителя.

Принципиальная электрическая схема удвоителя частоты но диодах (рис.2), кок видим, ничем не отличается от двухполупериодного выпрямителя [2], зо исключением того, что нагрузкой в выпрямителе служит накопительная емкость, иначе вырожденный фильтр нижних частот, а в удвоителе, наоборот - фильтр верхних частот.

Очевидно, что двухфазный умножитель частоты - удвоитель - является широкополосным в пределах балансности (двухфазности) примененного фозорасщепителя - трансформатора или активной схемы.

Схема удвоителя частосты на диодах

Рис. 2. Схема удвоителя частосты на диодах.

Учетверитель частоты, соответственно, должен иметь в своем составе дво удвоителя, включенных параллельно, и, по крайней мере, один фазовращатель но 360°/4=90° но входе одного из удвоителей.

Дополнительная фазовая инверсия входного сигнала осуществляется, как в случае удвоителя рис.2, трансформаторами или активными транзисторными схемами.

Таким образом, получаем исходный четырехфазный набор сигналов, подобный тому, который формируют в модуляторах с фазовым подавлением нежелательной боковой полосы частот или в смесителях с фазовым подавлением зеркального канала приема. Далее используются либо четыре умножительных диода, либо четыре усилительных каскада на транзисторах, работающих в классе С.

Фазовращатели

Фазовращатели, кок элементы радиосхемотехники недостаточно широко применяются в радиолюбительской практике и поэтому менее известны. Простейший

фазовращатель - это, например, обычная RC цепочка, используемая в качестве переходной между усилительными каскадами.

Так кок емкостной ток всегда сдвинут на 90° относительно приложенного напряжения, то любая RC-цепочка сдвигает фазу ф в пределах 2-го квадранта на фазовой плоскости диаграммы фазовых состояний Q/I (активной/реактивной составляющих полного сопротивления) [1] но величину, зависящую от постоянной времени RC цепочки т. Чем больше величина t=RC, тем ближе ф к 0°.

При R>0 сдвиг фаз только лишь приближается к 90°. Поэтому для получения ф=90° на RC-цепочке с резистором R с конечной величиной сопротивления используют две RC-цепочки с т~45°, включенные последовательно (рис.3,а).

Схема фазовращателя (а)

Рис. 3. Схема фазовращателя (а).

Еще один тип фазовращателя использует комбинированную цепочку RCL (рис.3,6). При равенстве реактивных сопротивлений XL=X(~, что соответствует условию последовательного резонанса, сдвиг фаз равен точно 90° вне зависимости от сопротивления резистора R, который в этом случае используется для регулировки амплитуды сигнола в этом плече.

Схема фазовращателя (б)

Рис. 3. Схема фазовращателя (б).

Схема фазовращателя (в)

Рис. 3. Схема фазовращателя (в).

Известно также, что в простом резонансном контуре с параллельным резонансом при перестройке контура в пределах полосы пропускания по уровню 0,7 от максимального значения амплитуды фазовая характеристике при резонансе изменяется в пределах ±45°, что также используется но практике.

Сдвигают фазу также высокочастотные линии задержки (ЛЗ) типа длинных линий или набора LC цепочек, причем ф=2тіІ0т, где т - задержка ЛЗ.

Последнее соотношение означает, что на каждый 1 МГц частоты на 1 мкс задержки наблюдается задержка фазы на 2ті, т.е. но полный период 360°.

Все приведенные выше фазовращатели по определению относятся к так называемым минимально-фазовым цепям. Они используются в качестве "строительных блоков" при построении более сложных не минимально-фазовых цепей мостового типа.

Для получения регулируемой величины сдвига фаз используется мостовая схема (рис.3,в), в одном плече которой устанавливается конденсатор, а в другом -переменный резистор.

По векторной диаграмме можно показать, что сдвиг фаз при изменении R изменяется в пределах двух квадрантов 0 .180° и может быть точно выставлен но 90° при R=l/2Ttf0C.

Известны также конструкции механически устанавливаемых фазовращателей но всю шкалу 360° на основе сельсинов -электромашин с вращающимися магнитными полями по статору и сигналом переменной фазы, снимаемым с ротора.

Следует отметить, что все типы простых фазовращателей на основе цепей CLR являются частотно-зависимыми, хотя и не столь критичными, кок в случае резонансных цепей.

Для построения базовых частотно-независимых квадратурных цепочек 90° используются более сложные специальные схемы, известные из техники однополосной модуляции как схемы Гильберта.

Умножитель промежуточных частот

Ниже приведено (рис.4) практическая схема (из Интернета) фазового учетверителя частоты с 7,5 МГц до 30 МГц, иллюстрирующая изложенные выше принципы построения этого типа радиосхемотехники и проверенная но практике.

Для ввода транзисторов в режим класса С достаточно на входе схемы установить напряжение исходной частоты кварца порядка 4,3 В.

Схема умножителя промежуточных частот

Рис. 4. Схема умножителя промежуточных частот.

На входе верхней части половины схемы используется фазосдвигающая цепочка но 90° RCL-типа (рис.3,6). В качестве L используется эквивалентная индуктивность (показано но рисунке стрелкой) первичной обмотки фазорасщепительного трансформатора 0°/180°.

Оба трансформатора выполнены но высокочастотном ферритовом сердечнике с р=35. Но выходах этих двух трансформаторов образуется последовательно сверху вниз набор фаз 90°/270°/0°/180°.

На выходе общей суммирующей коллекторной нагрузки четырех транзисторов установлена П-образная согласующая цепь в виде фильтра нижних частот, обеспечивающая оптимальное согласование с 50-омной нагрузкой и дополнительное подавление паразитных частотных составляющих.

При симметрировании схемы обеспечивается степень подавления исходной частоты, второй и третьей гармоники но 50 дБ относительно уровня полезной четвертой гармоники но частоте 30 МГц. Никакой дополнительной фильтрации на выходе фазового умножителя не требуется.

В качестве активных цепей умножителей в фазных каналах можно использовать усилители в режиме класса С на транзисторах любого типа средней мощности подходящего частотного диапазона. Но нагрузке 50 Ом такой умножитель развивает мощность до 100 мВт на частоте 30 МГц при напряжении питания 12 В и токе потребления до 20 мА.

С. Артюшенко, г. Киев.

Литература:

  1. Скорик £. Т. Радиолюбителям о цифровой радиосвязи. РА-2001-05.
  2. Артюшенко. С.В. Диодная схемотехника. РА-2006-04.

0 79 Разные узлы
умножитель частоты фазовращатель усилитель промежуточной частоты
Написать комментарий:

cashback