Зачем умножать частоту
Получить хороший сигнал на 60 или 100 ГГц напрямую трудно: генераторы миллиметрового диапазона шумят, плохо перестраиваются и сложны в отладке. Проще взять отработанный синтезатор на 10–20 ГГц и умножить его частоту в несколько раз. Умножитель сохраняет все достоинства исходного источника — шаг перестройки, стабильность, привязку к опоре — и переносит их в миллиметровый диапазон.
Делитель частоты решает обратную задачу: получает из высокой частоты низкую — для тактирования, петли ФАПЧ, синхронизации нескольких устройств. Оба устройства — рабочие лошадки частотных планов радиорелейных станций, радаров, измерительных приборов и имитаторов.
Пример из моделей каталога: синтезатор и умножитель ×6 перекрывают весь волноводный диапазон WR10.
Как работает умножитель
В основе умножителя — нелинейный элемент: диод или транзистор. Синусоида на нелинейности искажается, и в спектре появляются гармоники — 2f, 3f, 4f и дальше. Нужную гармонику выделяют, остальные подавляют схемой и фильтром. Удвоители строят на двух диодах в балансной схеме: нечётные гармоники, включая исходную частоту, в ней взаимно гасятся. Утроители — на встречно-параллельных диодах, где гасятся чётные.
Пассивные и активные
Пассивный диодный умножитель не потребляет питания, но теряет мощность: потери преобразования удвоителя 10–15 дБ, у высоких кратностей — больше. Активный умножитель содержит транзисторы и усилители на входе и выходе: принимает слабый сигнал и отдаёт больше, чем получил. За это платят питанием, нагревом и дополнительным шумом усилителей.
Каждая линия — модель из таблиц серий УЧ: слева верхнее значение входной мощности, справа выходная.
На графике видно, как по-разному устроены модели. Удвоитель УЧ-2-20000-40000-26S принимает до 10 дБм и отдаёт 26 дБм — это активный модуль с усилителем мощности. Удвоитель на 50–75 ГГц требует 22 дБм и отдаёт 6 дБм — классическая пассивная схема с потерями 16 дБ. Умножитель ×6 на 75–110 ГГц: вход 17 дБм, выход 5 дБм.
Окно входной мощности
У умножителя есть рабочее окно входной мощности. Ниже окна диоды не открываются полностью, выход резко падает и растут лишние гармоники. Выше окна — перегрев и пробой. Поэтому в паспорте указывают диапазон, например 1–10 или 3–6 дБм, а для пассивных схем — конкретный уровень накачки. Перед умножителем почти всегда ставят усилитель, который держит мощность в окне по всей полосе.
Проверьте мощность на верхнем краю. Выходная мощность синтезатора обычно падает к верхней частоте. Если на краю диапазона она выходит за нижнюю границу окна умножителя, выход провалится именно там, где он нужнее всего.
Гармоники и фильтрация
На выходе умножителя всегда есть соседние гармоники: у удвоителя — остаток исходной частоты и третья гармоника, у умножителя ×6 — пятая и седьмая. Их уровень зависит от схемы, обычно −15…−30 дБн. Для гетеродина это ложные каналы приёма, для передатчика — внеполосные излучения. Поэтому после умножителя ставят полосовой фильтр. В волноводных трактах фильтром отчасти служит сам волновод: исходная частота ниже критической частоты сечения и не проходит.
Второй источник лишних линий — неравномерность самого входного сигнала: паразитные составляющие синтезатора умножатся вместе с несущей и окажутся на выходе с приростом 20·lg N.
Фазовый шум и стабильность
Умножение частоты в N раз увеличивает фазовый шум на 20·lg N: ×2 — на 6 дБ, ×4 — на 12 дБ, ×6 — на 15,6 дБ. Это не дефект конкретного изделия, а физика: фазовые флуктуации умножаются вместе с фазой. Относительная стабильность частоты при этом не меняется — уход кварца на одну миллионную остаётся одной миллионной и на выходе. Подробнее о фазовом шуме и источниках — в статье о синтезаторах.
Делители частоты
Делитель на N снижает частоту и одновременно снижает фазовый шум на 20·lg N, пока не упрётся в собственный шум делителя. Цифровые делители на триггерах работают до десятков гигагерц и дают на выходе меандр; для чистой синусоиды после них ставят фильтр. Регенеративные и инжекционные делители работают на более высоких частотах, но в узкой полосе.
В каталоге KADAMM — делители на 2, 6 и 10 с синусоидальным выходом 5–8 дБм, гармониками −30…−60 дБн и паразитных составляющих −75 дБн: они получают 100 и 50 МГц из 1 ГГц и 100 МГц для синхронизации аппаратуры. Делитель на 6 рассчитан на опорные сигналы низкой частоты — в каталоге у него указаны только разъём, габариты и питание, остальное уточняется по задаче.
Как составить частотный план
Частотный план начинают с выходной полосы и перебирают кратности. Для 75–110 ГГц умножителю ×6 нужен вход 12,5–18,33 ГГц, умножителю ×4 — 18,75–27,5 ГГц, удвоителю — 37,5–55 ГГц. Чем меньше кратность, тем меньше прирост шума, но тем выше и сложнее в реализации входная полоса. Обычно выбирают вариант, где вход попадает в диапазон готового синтезатора целиком, а мощность синтезатора на всей полосе укладывается в окно умножителя с запасом 2–3 дБ.
Второй шаг — проверить, не попадают ли соседние гармоники в полосу. У удвоителя третья гармоника начинается на 1,5 от нижней выходной частоты: если выходная полоса шире полутора раз, она накроет собственный верх диапазона, и фильтр её уже не уберёт. Поэтому широкополосные умножители делят на поддиапазоны.
Волноводные умножители
Выше 50–67 ГГц коаксиальные разъёмы становятся хрупкими и капризными, и выход умножителя делают на волноводном фланце. Это даёт бонус: волновод не пропускает частоты ниже критической, и исходная частота и нижние гармоники гасятся сами. Умножитель ×6 каталога имеет выход 75–110 ГГц — полный диапазон волновода WR10, к которому подключают рупор, смеситель или датчик мощности.
Как проверить умножитель
Выходную мощность измеряют ваттметром с датчиком на нужный диапазон — для миллиметров волноводным. Спектр смотрят анализатором с внешним гармоническим смесителем: он показывает основную гармонику и соседние. Проверку делают на нескольких частотах по диапазону и при минимальной и максимальной входной мощности — на краях окна умножитель ведёт себя хуже всего.
Типичные ошибки
- Подают мощность ниже окна на верхнем краю синтезатора и получают провал выхода.
- Забывают фильтр после умножителя и видят лишние линии в приёмнике.
- Не учитывают 20·lg N и получают фазовый шум хуже требований системы.
- Ставят коаксиальный выход там, где проще и надёжнее волноводный.
- Не охлаждают активный модуль: при токе до 1 А корпус заметно греется.
Где применяют умножители и делители
- Гетеродины радиорелейных станций E- и V-диапазона: синтезатор и умножитель вместо генератора на 70–80 ГГц.
- Автомобильные и промышленные радары 76–81 ГГц: умножитель после перестраиваемого генератора.
- Измерительные приборы: расширители диапазона анализаторов и генераторов до сотен гигагерц.
- Радиоастрономия и спектроскопия: гетеродины миллиметровых и субмиллиметровых приёмников.
- Системы синхронизации: делители раздают опорные 10, 50 и 100 МГц по стойке.
Умножитель внутри смесителя
Иногда отдельный умножитель не нужен: субгармонический смеситель сам работает на удвоенной частоте гетеродина. Диоды во встречно-параллельном включении смешивают принимаемый сигнал со второй гармоникой гетеродина, а сам гетеродин нужен на половинной частоте. Это упрощает приёмники миллиметрового диапазона: гетеродин на 40 ГГц вместо 80 ГГц, и его утечка в антенну лежит далеко от рабочей полосы.
Модели умножителей каталога
| Модель | Кратность | Вход, ГГц | Выход, ГГц | Мощность входа, дБм | Мощность выхода, дБм |
|---|---|---|---|---|---|
| УЧ-2-20000-40000-26S | ×2 | 10–20 | 20–40 | 1–10 | 26 |
| УЧ-2-20000-50000-16 | ×2 | 10–25 | 20–50 | 5–10 | 16 |
| УЧ-2-22000-28000-10 | ×2 | 11–14 | 22–28 | 3–6 | 10 |
| УЧ-2-40000-60000 | ×2 | 20–30 | 40–60 | 0 | 7 |
| УЧ-2-50000-75000 | ×2 | 25–37,5 | 50–75 | 22 | 6 |
| УЧ-3-30 | ×3 | 0,01 | 0,03 | 10 | 10 |
| УЧ-4-24000-15 | ×4 | 6 | 24 | 0–3 | 15 |
| УЧ-4-28000-40000 | ×4 | 7–10 | 28–40 | 10 | 13 |
| УЧ-4-40000-65000-16S | ×4 | 10–16,25 | 40–65 | 0 | 16 |
| УЧ-4-40000-70000-16S | ×4 | 10–17,5 | 40–70 | 0 | 16 |
| УЧ-6-75000-110000-5 | ×6 | 12,5–18,33 | 75–110 | 17 | 5 |
| УЧ-10-100 | ×10 | 0,01 (0dBm) | 0,1 | - | 3–6 |
Как выбрать умножитель
- Выходная полоса: умножитель перекрывает полосу входа, умноженную на N, — проверьте, что синтезатор покрывает нужный вход.
- Кратность: меньше N — меньше прирост шума и меньше соседних гармоник; большие N — меньше требования к синтезатору.
- Окно входной мощности и выходная мощность: пассивный или активный.
- Подавление соседних гармоник и нужен ли выходной фильтр.
- Интерфейс: коаксиальный разъём или волноводный фланец на выходе — выше 50–67 ГГц обычно волновод.
- Питание, ток и нагрев — для активных модулей.
- Для делителя — входной диапазон и уровень, форма выхода (синус или меандр), гармоники и паразитные.
Модели KADAMM
Умножители и делители — в разделе генераторов и синтезаторов KADAMM.
| Моделей | 5 |
| Моделей | 4 |
| Моделей | 1 |
| Моделей | 2 |