Проектирование умножителей частоты на диодах

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
Г.Н. ДЕВЯТКОВ 
 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
УМНОЖИТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ  
НА ДИОДАХ 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.374.4:621.375.4(075.8) 
Д 259 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор А.П. Горбачев 
канд. техн. наук, доцент Б.И. Иванов 
 
 
Работа выполнена на кафедре конструирования и технологии  
радиоэлектронных средств для магистрантов РЭФ 
 
 
Девятков Г.Н. 
Д 259  
Проектирование умножителей частоты на диодах: учебнометодическое пособие / Г.Н. Девятков. – Новосибирск: Изд-во 
НГТУ, 2019. – 72 с. 

ISBN 978-5-7782-3845-9 

Изложены методы автоматизированного проектирования умножителей частоты на диодах с накоплением заряда, работающих в полосе 
частот, в сосредоточенном и распределенном (сосредоточеннораспределенном) геометрическом элементном базисе. Рассмотрены 
примеры проектирования топологии умножителя частоты на диоде с 
накоплением заряда. 
Предназначено для закрепления знаний по соответствующим дисциплинам и получения практических навыков проектирования микроволновых функциональных узлов с использованием современных 
профессиональных программных продуктов для студентов радиотехнических специальностей. 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.374.4:621.375.4(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3845-9 
© Девятков Г.Н., 2019 
 
© Новосибирский государственный  
 
технический университет, 2019 

МИКРОВОЛНОВЫЕ УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ  
В ГИБРИДНО-ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ 
 
Задание. Спроектировать и промоделировать топологию удвоителя 
частоты на диодах с накоплением заряда в геометрическом (сосредоточенно-геометрическом) элементном базисе. 
Топология – это вид физического представления схемы, в которой 
каждый компонент схемы имеет свои геометрические размеры. 
Исходные данные. Необходимые для решения задачи исходные 
данные выбираются по табл. 1. 

Т а б л и ц а  1 

Исходные данные для вариантов практического занятия 

Наименование исходных данных 

Номер варианта 

1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 

0f , ГГц 
1 
1.2 
1.4 
1.5 
1.7 
1.3 
1.6 
1.8 
1.9 

w  
0.13 
0.1 
0.12 
0.11 
0.1 
0.13 
0.1 
0.12 
0.11 

вх
P
, Вт 
1.5 
1.6 
1.76 
2 
1.8 
2.2 
2.4 
2.3 
2.5 

стU
K
 
1.6 
1.6 
1.7 
1.6 
1.6 
1.7 
1.8 
1.8 
1.8 

L , дБ 
–15 
–17 
–20 
–16 
–18 
–19 
–18 
–16 
–17 

Г
R , 
н
R , Ом 
50 
50 
50 
50 
50 
50 
50 
50 
50 

 
В таблице приняты следующие обозначения: 

0f  – центральная частота рабочей полосы пропускания; 
w – относительная полоса пропускания; 

вх
P
 – входная мощность; 

стU
K
 – коэффициент стоячей волны напряжения на входных зажимах умножителя частоты; 
L  – коэффициент подавления ненужных гармонических составляющих; 

Г
R , 
н
R  – внутреннее сопротивление генератора и сопротивление 
нагрузки. 
Методические указания. Прежде чем приступить к выполнению 
задания, изучите: по источникам [6, с. 5–26; 30–36; 38–43] – проектирование широкополосных преобразователей частоты; [1, с. 16–23, 58–
77] – неорганические диэлектрики, проводниковые материалы, несимметричная полосковая линия; [2, с. 109–133, 243–246] – конструирование полосковых плат; [3] – проектирование микросборок СВЧ диапазона; [4] – назначение, возможности, создание схем и графиков, 
настройка и оптимизация схем в Microwave Office. 
Проектирование умножителя частоты СВЧ в гибридно-интегральном исполнении включает в себя следующие этапы: 
– синтез и моделирование умножителя частоты в сосредоточенном 
электрическом элементном базисе; 
– синтез и моделирование умножителя частоты в сосредоточеннораспределенном электрическом элементном базисе; 
– проектирование умножителя частоты в сосредоточенно-распределенном геометрическом элементном базисе. 
Выполненная работа должна содержать следующие разделы: исходные данные, синтез и моделирование умножителя частоты в сосредоточенном электрическом элементном базисе; переход в сосредоточенно-распределенный электрический и геометрический элементный 
базис; моделирование; разработка и моделирование топологии умножителя частоты; заключение; список использованных литературных 
источников; приложение (чертеж топологии и таблица координат). 
 
 
 
1. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ 

Инверторы сопротивлений и проводимостей 

Использование при синтезе различных устройств инверторов сопротивлений (проводимостей) позволяет в целом ряде случаев существенно улучшить получаемые технические решения. Это особенно 

важно в микроволновом диапазоне, где проблема схемной реализуемости является определяющей. 
Под идеальным инвертором понимается четырехполюсник ABCD, 
матрица которого имеет вид [9] 

0

0

jK
A
B
j
C
D
K


















A
, 

где K – параметр инвертора. 
Важным свойством инвертора является то, что сопротивления на 
одной паре зажимов равны его обратной величине на второй паре зажимов, умноженной на 
2
K  (рис. 1). 
 

 
а  
 
 
 
б 

Рис. 1. Инвертирование и трансформация сопротивления инвертором 

Это утверждение следует из того, что результирующие матрицы 

A  и 
,
A
 полученные для схем, изображенных на рис. 1, а и б, одинаковы: 

0
1
0
1
0
0

jz
jK
jK
z
K
j
j
K
K








 

 
 


 












A
, 

2

1
0
0
1
1
0
0
/

jz
jK
jK
K
j
j
K
K
z
K













 
 




 






 




A
. 

Вследствие преобразования, осуществляемого инвертором, если 
сопротивление z
j L
   представляет собой последовательную индук

тивность (рис. 1, а), то после преобразования оно будет выглядеть как 
параллельная емкость 
2
/
y
j L K
j C
 
 
. Это позволяет преобразовывать схемы к виду, удобному для практической реализации, например в планарном исполнении. 
Аналогичный результат справедлив и для идеальных инверторов 
полной проводимости. 
В практических применениях используются инверторы как сопротивления с параметром  K,  так и проводимости с параметром  J. 
Идеальные инверторы сопротивления и проводимости нельзя реализовать только на пассивных элементах. Приближенные практические реализации инверторов сопротивлений и проводимостей на сосредоточенных элементах при относительной ширине полосы рабочих 
частот до 15 % представлены на рис. 2 [5, 9].  
 

 
а 
 
   б 
 
          в  
 
г 

Рис. 2. Инверторы сопротивлений и проводимостей на сосредоточенных  
элементах 

Схемы инверторов (рис. 2) используются в цепях, где отрицательные элементы L  и C  могут быть поглощены примыкающими к ним 
положительными элементами того же типа так, чтобы в окончательном виде схема содержала только положительные элементы. Следует 
отметить, что инверторные схемы зависят от частоты. Это является 
причиной того, что при их использовании ограничиваются узкой полосой. 
В качестве примера проведем преобразование полосового фильтра 
с относительной полосой пропускания 
0.12
w 
 (рис. 3), содержащего 
параллельный и последовательный контур к схеме, имеющей только 
параллельные контуры. 
 

Рис. 3. Полосовой фильтр 

В этом случае необходимо использовать инвертор проводимости, 
так как отрицательные элементы должны быть поглощены примыкающими к ним положительными элементами. Параметр инвертора выбираем равным 1.17, чтобы нормированное сопротивление нагрузки 
было равно 1. Инвертор проводимости вводим со стороны нагрузки.  
В результате получаем схему, изображенную на рис. 4. 
 

 
Рис. 4. Полосовой фильтр с введенным идеальным инвертором  
проводимости 

Для реализации идеального инвертора применяем схему, изображенную на рис. 2, г, в результате получаем схему, представленную на 
рис. 5. 
 

 
Рис. 5. Полосовой фильтр с инвертором проводимости  
на индуктивных элементах  

На рис. 6 показан окончательный вид схемы, где отрицательные 
индуктивности поглощены положительными.  
 

 
Рис. 6. Преобразованная схема полосового фильтра 

На рис. 7 и 8 представлены денормированные по частоте 0f  = 1 ГГц  
и сопротивлению 
Г
R  = 50 Ом исходная (см. рис. 3) и преобразованная (см. рис. 6) схемы полосовых фильтров, с заданной полосой 
пропускания, а на рис. 9 приведены их частотные зависимости модулей коэффициента отражения (кривые, отмеченные квадратика- 
ми, соответствуют исходной схеме, треугольниками – преобразованной). 
 
 

 
Рис. 7. Схема исходного полосового фильтра (Schematic 4) 

Рис. 8. Схема преобразованного полосового фильтра (Schematic 5) 

 

 
Рис. 9. Модули коэффициентов отражения на входе полосовых фильтров 

Из графиков (рис. 9) видно, что в преобразованной схеме частотная 
характеристика модуля коэффициента отражения деформируется. Это 
связано с частотной зависимостью параметра инвертора. 
 

Эквивалентные преобразования  
в электрических цепях 

При синтезе пассивных и активных устройств очень часто возникают проблемы, связанные с тем, что получаемые технические решения неудобны при практической реализации. В этом случае используют эквивалентные преобразования, при которых рабочие характеристики синтезированного устройства остаются неизменными, а структура устройства и значения элементов могут меняться. 
Устройства, различающиеся между собой по структуре и значениям элементов, будут эквивалентными, если их рабочие характеристики 
остаются неизменными во всем частотном диапазоне. 
На рис. 10, а изображена схема, содержащая три закороченных отрезка линии передачи, которой можно поставить в соответствие эквивалентную схему на связанных отрезках линии передачи, закороченных на одном конце (рис. 10, б). 
 

              
 
а 
 
 
 
 
    б 

Рис. 10. Схемы эквивалентных цепей 

Тогда соответствующие цепям (рис. 10) у-матрицы будут иметь 
следующий вид: 

1
3
3

3
2
3

1
1
1

1
1
1
a
z S
z S
z S

z S
z S
z S









 








y
,            
2
2

2
2

a
a

б
b
b

Р
S
S

Р
S
S









 








y
,