Результаты анализа

Анализ утроителя проведен при следующих условиях:

- диапазон частот входного сигнала 25-37 ГГц;

- уровень мощности входного сигнала 100 мВт (20 дБм);

- диоды предполагались идентичными, соответствующими использованным в экспериментальных образцах А92220-2 С₀=0,07 пФ, R_s=5 Ом (НПО «Салют» г. Н. Новгород), при расчетах использовалась модель D LEVEL=7 из программы Designer;

- номиналы элементов цепей автосмещения: С= 5 пФ, R=50 Ом.

Результатом анализа является рассчитанный уровень мощности гармоник входного сигнала на выходе утроителя частоты. На рисунке 7 приведен уровень третьей гармоники при наличии и отсутствии регулировочных пластин. Размеры пластин и их местоположение выбирались оптимальными путем нескольких итераций для достижения максимального и равномерного уровня мощности в диапазоне частот 75-110 ГГц.

Рисунок 7. Уровень 3-й гармоники в зависимости от установленных регулировочных пластин.

Из графиков видно, что установка регулировочных пластин при их оптимальном расположении относительно диодов позволяет снизить неравномерность уровня выходной мощности в диапазоне частот, а также повысить его средний уровень на ~5 дБ. Там же (рис. 7) дана экспериментальная зависимость уровня мощности, усредненная по десяти образцам. Сравнение показывает, что потенциально выходная мощность экспериментальных образцов может быть повышена, как минимум на 3 дБ.

На рисунке 8 показан уровень 5-й гармоники.

Рисунок 8. Уровень 5-й гармоники относительно 3-ей.

Она подавлена относительно третьей на 20-40 дБ, что согласуется с экспериментальными данными.

При идентичных параметрах диодов в утроителе частоты четные гармоники входного сигнала не генерируются. Однако, на практике всегда имеет место разброс параметров диодов, даже подобранных в пары по ВАХ и ВФХ. На рисунке 9 даны зависимости уровней мощности паразитных четных гармоник при различной степени неидентичности диодов по С₀ и R_s.

Рисунок 9. Уровень четных гармоник в зависимости от неидентичности параметров диодов по С₀ и R_s.

Анализ результатов показывает, что при минимально достижимой на практике неидентичности С₀ и R_s в 10% вторая гармоника относительно третьей подавлена на 25 дБ, а четвертая на 35 дБ. Уровень второй гармоники более критичен к неидентичности диодов по R_s, а четвертой по С₀. Заметим, что в широкополосном утроителе частоты 75-110 ГГц вторая и четвертая гармоники не могут быть отфильтрованы, поскольку находяться в рабочем диапазоне частот или в непосредственной близости, поэтому требования к неидентичности параметров диодов весьма высоки.

Важным этапом в проектировании утроителя частоты является оптимальный выбор номиналов элементов цепей автосмещения диодов R, С. На рисунке 10 приведены характеристики выходного уровня мощности утроителя при С=5 пФ и различных номиналах R.

Рисунок 10. Графики уровня выходной мощности при фиксированной емкости С=5 пФ и различных номиналах R.

Очевидно, оптимальным значением сопротивления для достижения равномерной Р_вых при Р_вх=100 мВт является 100 Ом.

На рисунке 11 представлены зависимости уровня выходной мощности при R=100 Ом и различных номиналах С.

Рисунок 11. Графики уровня выходной мощности при фиксированном сопротивлении R =100 Ом и различных номиналах С.

При вариации емкости в широких пределах от 5 пФ до 50 пФ результат практически не изменяется.

Одной из важнейших характеристик умножителей частоты является динамический диапазон входных сигналов. На рисунке 12 даны зависимости уровня мощности на выходе утроителя от уровня мощности на входе.

Рисунок 12. Мощность выходного сигнала в зависимости от уровня входного сигнала.

В диапазоне входных мощностей Р_вх.=15-23 дБм зависимость Р_вых от Р_вх близка к линейной. С уменьшением Р_вх линейная зависимость нарушается. Следует заметить, что большой динамический диапазон (не менее 30 дБ) изменения уровня выходной мощности с однозначной зависимостью Р_вых от Р_вх позволяет осуществлять регулировку уровня выходной мощности изменением входной. Это обстоятельство существенно упрощает построение широкополосных источников сигналов на умножителях частоты с регулируемым и стабилизированным уровнем выходной мощности.