5.1.2. Устройство и принцип действия умножителя частоты

Перейдем к анализу принципа действия умножителя частоты (генератора гармоник) на варакторном диоде, схема которого показана на рис. 5.5. В ее состав входят: источник постоянного смещения , генератор входного переменного сигнала , варакторный диод (нелинейная емкость) и полосовые фильтры с соответствующими нагрузками. Фильтры настроены на первую, вторую и третью гармоники входного сигнала. С выхода такой схемы снимается сигнал утроенной частоты. Используя выражение для вольтфарадной зависимости (5.2), представим емкость как функцию переменного напряженияв следующем виде, предполагая :

где ,,,определяется из (5.2). Выражение (5.5) получено путем разложения в ряд по степенямдо квадратичного слагаемого включительно, что вполне достаточно для объяснения принципа действия генератора третьей гармоники, исследуемого в данной работе. Изменение во времени реактивного параметра (емкости варактора) и вызывает параметрический эффект — генерацию гармоник. Для заданной схемы можно ограничиться тремя гармониками тока:

Наличие гармоник в спектре тока приводит к появлению напряжения, как по второй гармонике, так и по третьей. Причем, существование цепи, настроенной на вторую гармонику, обеспечивает возникновение соответствующего напряжения на диоде, которое складывается с напряжением первой гармоники и порождает дополнительный сигнал на комбинационной частоте (суммарной, т. е. третьей гармонике). Коэффициент преобразования для такого устройства может быть весьма большим, поскольку вся мощность, подводимая по первой гармонике (в предположении идеальных емкости диода и фильтров, а также отсутствия потерь в дополнительной цепи второй гармоники) преобразуется в мощность высших гармоник:

Естественно, что в реальной цепи всегда присутствуют потери, которые уменьшают значение коэффициента преобразования , поэтому даже при оптимально настроенном дополнительном контуре второй гармоники он не может превышать 60…80 %.

Поскольку значение емкости зависит от напряжения, то и коэффициент преобразования проявляет такую зависимость. Коэффициент преобразования зависит, как от напряжения смещения (при постоянной мощности на входе), так и от входной мощности (при постоянном смещении). Обе зависимости имеют максимум. Первоначальный рост связан с уменьшением обратного тока через диод, т. е. при уменьшении омических потерь. Максимум достигается при равенстве смещения и амплитуды СВЧ-сигнала. Дальнейший спад обусловлен уменьшением крутизны вольтфарадной зависимости.

5.2. Описание объекта исследований

Реально структуры варакторов имеют некоторые особенности. Прежде всего, они связаны с профилями легирования полупроводников. Структура варакторного диода показана на рис. 5.6, на котором отмечено: 1– омические контакты;2– диффузионный-слой;3– обедненная область;4– эпитаксиальный-слой;5– подложка из сильнолегированного полупроводника.

В качестве объекта исследований используется арсенидгаллиевый диод 2А602В, помещенный в корпус. Его основные характеристики:

– частота отсечки f_C= 35 ГГц;

– общая емкость С = 1,7…2,7 пФ приV_ОБР = 6 В иf= 10 МГц;

– пробивное напряжение V_ПР = 45 В при обратном токеI_ОБР = 100 мкА;

– диапазон допустимых рабочих температур Т= 213…373 К;

– емкость корпуса С_КОРП = 0,5…0,7 пФ;

– предельная непрерывная СВЧ-мощность – 1 Вт.