12. Каким образом осуществляется умножение частоты колебаний? Нарисуйте схему транзисторного умножителя частоты.

Умножители частоты в структурной схеме радиопередатчика (см. рис. 2.1) располагаются перед усилителями мощности ВЧ или СВЧ колебаний, повышая в требуемое число раз частоту сигнала возбудителя. Умножители частоты могут также входить в состав и самого возбудителя или синтезатора частот. Для входного и выходного сигнала умножителя частоты запишем:

(17.1)

где n — коэффициент умножения частоты в целое число раз.

Классификация умножителей частоты возможна по двум основным признакам: принципу действия, или способу реализации функции (17.1), и типу нелинейного элемента. По принципу действия умножители подразделяют на два вида: основанные на синхронизации частоты автогенератора внешним сигналом (см. разд. 10.3), в п раз меньшим по частоте (рис. 17.1,а), и с применением нелинейного элемента, искажающего входной синусоидальный сигнал, и выделением из полученного многочастотного спектра требуемой гармоники (рис. 17.1,б).

Рис. 17.1. Умножители частоты

По типу используемого нелинейного элемента умножители частоты второго вида подразделяют на транзисторные и диодные.

Основными параметрами умножителя частоты являются: коэффициент умножения по частоте n; выходная мощность n-й гармоники Р_n, входная мощность 1-й гармоники Р₁, коэффициент преобразования К_пр=Р_n/Р₁; коэффициент полезного действия =Р_n/Р₀ (в случае транзисторного умножителя), уровень подавления побочных составляющих.

Недостаток умножителей частоты (рис. 17.1, а) первого вида состоит в сужении полосы синхронизма с увеличением номера гармоники n. У умножителей частоты второго вида уменьшается коэффициент преобразования К_пр с повышением п. Поэтому обычно ограничиваются значением n = 2 или 3 и при необходимости включают последовательно несколько умножителей частоты, чередуя их с усилителями.

Схема транзисторного умножителя частоты (рис. 17.2) и методика его расчета практически ничем не отличаются от усилителя.

Необходимо только выходную цепь генератора настроить на n-ю гармонику и выбрать значение угла отсечки =120/n, соответствующее максимальному значению коэффициента _n(). При расчете выходной цепи коэффициент разложения косинусоидального импульса по 1-й гармонике ₁() следует заменить на коэффициент по n-й гармонике _n(). Контур в выходной цепи, настроенный в резонанс с n-и гармоникой сигнала, должен обладать удовлетворительными фильтрующими свойствами.

Рис. 17.2. Схема транзисторного умножителя частоты

Коэффициент умножения схемы на рис. 17.2 обычно не превышает 3–4 раз при КПД, равном 10–20%.

13. Составьте уравнение баланса мощностей в генераторе и поясните его смысл.

Поскольку в ВЧ генераторе происходят процессы преобразования энергии разных источников, то важно составить баланс мощностей для выходной и входной цепей всего устройства.

В выходной цепи происходит преобразование энергии источника постоянного тока мощностью P₀ в энергию высокочастотных колебаний мощностью P₁. Поэтому для нее баланс мощностей имеет вид , (4.1)

где P_р - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе - на аноде, в биполярном транзисторе - на коллекторе, в полевом – на стоке).

Мощность рассеивания можно определить как разность P_р=P₀−P₁ или с помощью определенного интеграла: (4.2)

где i(ωt), u(ωt), - ток и напряжение на выходе электронного прибора.

Во входной цепи первичным источником является высокочастотный генератор с ЭДС E_i (рис. 4.1,а), отдающий ВЧ генератору мощность P_1вх. Поэтому во входной цепи баланс мощностей имеет вид

P_1вх=P_0вх+P_рвх (4.3)

где P_0вх - мощность, передаваемая источнику постоянного тока во входной цепи, если таковой имеется;

P_рвх - мощность, рассеиваемая в виде тепла в электронном приборе (в лампе - на управляющей сетке, в биполярном транзисторе - в базе, в полевом - на затворе).

Суммарная мощность тепла, рассеиваемая в электронном приборе, согласно (4.1) и (4.3) запишется в виде P_Т=P_р+P_рвх.

Значение P_Т не должно превышать максимально допустимую мощность рассеивания электронного прибора, указываемую в его паспорте.

В чем же заключается смысл расчета баланса мощностей ? Как раз в том, чтобы определить, какую величину мощности нужно обеспечить в узлах генерации, чтобы процесс передачи и потребления ЭЭ удовлетворял условиям:

Umin[i]<U[i]<Umax[i], fmin<f<fmax.

i - номер узла энергосистемы;

U - напряжение;

f - частота энергосистемы.

Известная величина: потребляемая мощность в узлах.

Неизвестная величина: генерируемая мощность в узлах (общий случай) или генерируемая мощность в одном из узлов (балансирующем), при условии работы в "базе" остальных генерирующих узлов (частный случай).

На основании этих данных составляется уравнение (или система уравнений) баланса мощностей .

Результатом решения этого уравнения является величина генерируемой мощности базисного узла. Т.е. если в этом узле будет генерироваться расчетный уровень мощности, то в процессе передачи и потребления в энергосистеме критические параметры U и f будут находиться в приемлемом диапазоне во всех узлах. Расчетные параметры мощности балансирующего узла сравниваются с реальными характеристиками генератора (совокупности генераторов) этого узла и делается вывод о возможности/невозможности расчетного режима. Если располагаемая мощность узла превышает расчетную мощность этого узла, то режим допустим, если нет, то необходимо увеличивать генерацию в остальных узлах.