CC BY
10
Metrology and information-measuring devices
Зламан П. Н. Zlaman Р. N.
ведущий инженер-конструктор, Научно-конструкторское бюро моделирующих и управляющих систем, ФГБОУ ВО «Южный федеральный университет», г. Таганрог, Российская Федерация
Андрианов А. В. Andrianov А. V
начальник лаборатории, АО «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», г. Таганрог, Российская Федерация
Зикий А. Н. Zikiy А. N.
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры информационной безопасности телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий
и информационной безопасности, ФГБОУ ВО «Южный федеральный университет», г. Таганрог, Российская Федерация
УДК 621.372.632
DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-1-106-111
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСХЕМЫ ^^5553 В РЕЖИМЕ УМНОЖЕНИЯ ЧАСТОТЫ С НАПРАВЛЕННЫМ ОТВЕТВИТЕЛЕМ
Проведено экспериментальное исследование микросхемы ЦГС5553 в режиме умножения частоты в 2, 4 и 6 раз. Использована одна входная частота - 3 ГГц. Представлены результаты измерений амплитудных характеристик для трёх чётных гармоник. Показано, что в ряде случаев допустимо использовать микросхему смесителя в режиме умножения частоты. Даны рекомендации по режимам использования смесителя в качестве умножителя частоты. Особенностью данного исследования является применение направленного ответ-вителя с потерями 10 дБ в боковом плече для ввода входного сигнала. При этом сигнал, ослабленный в боковом плече, вводится в микросхему через гетеродинный вход. Достаточно подробно описан объект исследования, приведена принципиальная схема. Описана методика проведения эксперимента. Микросхему ЦГС5553 рекомендуется использовать в качестве умножителя частоты в приемно-передающей аппаратуре связи, радиолокации, радиоуправления и радиоэлектронной борьбы. Благодаря высоким электрическим параметрам эта микросхема может найти применение в измерительной аппаратуре измерительных приемников и анализаторов спектра. Данный вариант использования микросхемы по сравнению с известным равноплечим делителем мощности показывает явное преимущество по коэффициенту передачи, его стабильности. Эта особенность связана с наличием усилителя в гетеродинном тракте микросхемы ЦГС5553. Кроме того, данный вариант умножителя частоты имеет явное преимущество по сравнению с пассивными умножителями частоты по коэффициенту передачи и подавлению нечетных гармоник входного сигнала. Дополнительными преимуществами исследованного варианта умножителя являются:
— широкий диапазон частот до 20 ГГц;
— низкое энергопотребление;
106-
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 16, 2020
— малые габариты и масса;
— низкая стоимость (пробная плата ниже 300$);
— простота технологии изготовления;
— доступность на отечественном рынке.
Ключевые слова: умножитель частоты, сверхвысокие частоты, амплитудная характеристика, спектр гармоник, кратность умножения частоты.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE LTC5553 MICROCIRCUIT IN THE FREQUENCY MULTIPLICATION MODE WITH DIRECTIONAL COUPLER
An experimental study of the LTC5553 chip in the frequency multiplication mode 2, 4 and 6 times are carried out. Used one input frequency - 3 GHz. The results of measurements of the amplitude characteristics for three even harmonics are presented. It is shown that in some cases it is permissible to use the mixer microcircuit in the frequency multiplication mode. Recommendations are given on the modes of using the mixer as a frequency multiplier. A feature of this study is the use of a directional coupler with a loss of 10 dB in the side arm for input signal input. In this case, the signal attenuated in the side arm is introduced into the microcircuit through the heterodyne input. The object of study is described in sufficient detail, and a schematic diagram is given. The technique of the experiment is described. The LTC5553 chip is recommended to be used as a frequency multiplier in the transmitting and receiving equipment of communication, radar, radio control and electronic warfare. Due to the high electrical parameters, this microcircuit can find application in the measuring equipment of measuring receivers and spectrum analyzers. This option of using a microchip compared with the well-known equal-arm power divider shows a clear advantage in terms of transmission coefficient and its stability. This feature is associated with the presence of an amplifier in the heterodyne path of the LTC5553 chip. In addition, this version of the frequency multiplier has a clear advantage over passive frequency multipliers in terms of transmission coefficient and suppression of the odd harmonics of the input signal. Additional advantages of the investigated variant of the multiplier are:
— a wide range of frequencies up to 20 GHz;
— low power consumption;
— small dimensions and weight;
— low cost (cost of the evaluation board below $300);
— simplicity of manufacturing technology;
— availability in the domestic market.
Key words: frequency multiplier, ultrahigh frequency amplitude characteristic, harmonic spectrum, frequency multiplication factor.
Умножители частоты являются важнейшими узлами устройств формирования сигналов и радиопередающих устройств (наравне с усилителями мощности и задающими генераторами), поэтому их исследование является актуальным.
Умножители частоты применяются в синтезаторах частоты, гетеродинах, генераторах опорных частот. Они позволяют существенно расширить диапазон рабочих частот, получить гармонические колебания в тех диапазонах частот, где их прямая генерация по каким-либо причинам затруднена или невозможна.
По умножителям частоты опубликованы десятки книг [1-11], тысячи статей и изобре-
тений, однако появление новой элементной базы стимулирует дальнейшее исследование умножителей частоты.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование умножителя частоты на микросхеме LTC5553 фирмы Linear Technologies [12, 13]. Принципиальная схема включения микросхемы приведена на рисунке 1.
Эксперимент проводился на установке, структурная схема которой приведена на рисунке 2. В качестве источника входного сигнала служит генератор типа E8257D фирмы Agilent Technologies. В качестве измерителя частоты, мощности и спектра служит анализатор спектра той же фирмы типа PXA.
Metrology and information-measuring devices
Источником питания служит прибор типа мощность, чем нечётные, поэтому ниже
GPD-72303S. Направленный ответвитель были исследованы амплитудные характери-
имеет потери 10 дБ в боковом плече. Четные стики только для чётных гармоник. гармоники имеют существенно большую
Рисунок 1. Принципиальная схема включения микросхемы
Рисунок 2. Структурная схема измерительной установки с направленным ответвителем
В ходе эксперимента на вход направленного ответвителя подавался сигнал с частотой 3 ГГц и мощностью от -20 дБм до 10 дБм с шагом 2 дБ. Результаты измерений мощности второй гармоники заносились в таблицу 1, второй столбец. Аналогичные результаты для четвёртой гармоники помещены в третий столбец таблицы 1. В четвёртый столбец таблицы 1 включены результаты измерения
мощности для шестой гармоники. По данным таблицы 1 построены графики на рисунке 3. Из них видно, что зависимость выходной мощности почти линейно зависит от входной мощности. Это можно объяснить ограничением сигнала в гетеродинном тракте микросхемы ЬТС5553. При этом коэффициент передачи умножителя почти постоянный в диапазоне исследованных мощностей.
Таблица 1. Амплитудные характеристики умножителя частот
Входная мощность на частоте 3 ГГц, дБм Рвых 6 ГГц, дБм Рвых 12 ГГц, дБм Рвых 18 ГГц, дБм
-20 -35,65 -51,18 -64,06
-18 -32,03 -48,12 -59,16
-16 -29,74 -45,31 -54,85
-14 -27,71 -42,81 -50,22
-12 -25,84 -39,81 -45,67
-10 -24,21 -37,33 -41,72
-8 -21,86 -35,03 -38,57
-6 -19,69 -32,76 -35,92
-4 -17,47 -30,50 -33,55
-2 -15,29 -28,20 -31,38
0 -13,24 -26,14 -29,36
2 -11,25 -24,16 -27,42
4 -9,30 -22,10 -25,45
6 -7,35 -20,26 -23,67
8 -5,47 -18,58 -22,00
10 -3,65 -16,75 -20,41
1111 6 ГГц^—-------- —
^----- --------- _______________
_______ ^^^ ^^ 18 ГГц
i I
Рвх, дБм
Рисунок 3. Амплитудная характеристика умножителя частоты для трех четных гармоник
Выводы
1. В ряде случаев допустимо использовать микросхему смесителя в режиме умножения частоты. Предпочтительно использовать чётные гармоники входной частоты.
2. Коэффициент передачи по мощности для второй гармоники входной частоты 3 ГГц и входной мощности 0 дБм составляет не менее -13,24 дБ.
3. Коэффициент передачи по мощности для четвёртой гармоники входной частоты 3 ГГц и входной мощности 0 дБм составляет не менее -26,14 дБ.
4. Коэффициент передачи по мощности для шестой гармоники входной частоты
3 ГГц и входной мощности 0 дБм составляет не менее -29,36 дБ.
5. Подавление неиспользуемых гармоник входной частоты должно осуществляться полосовыми фильтрами высокого порядка с широкой полосой заграждения.
6. Коэффициент передачи по мощности мало зависит от входной мощности, что обусловлено наличием усилителя - ограничится в гетеродинном тракте микросхемы 2ТС5553.
7. Вариант умножителя частоты с направленным ответвителем имеет коэффициент передачи выше, чем с равноплечим делителем мощности [14].
Metrology and information-measuring devices
Список литературы
1. Красноголовый Б.Н., Плавский Л.Г. Варакторные умножители частоты. Минск: БГУ, 1979. 288 с.
2. Белов Л.А. Устройства формирования СВЧ сигналов и их компоненты. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. 320 с.
3. Касаткин Л.В., Чайка В.Е. Полупроводниковые устройства диапазона миллиметровых волн. Севастополь: Вебер, 2006. 319 с.
4. Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. М.: Связь, 1976. 328 с.
5. Бруевич А.Н., Евтянов С.И. Аппроксимация нелинейных характеристик и спектры при гармоническом воздействии. М.: Сов. радио, 1965. 344 с.
6. Грибов Э.Б. Нелинейные явления в приёмо-передающем тракте аппаратуры связи на транзисторах. М.: Связь, 1971. 243 с.
7. Жаботинский М.Е., Свердлов Ю.Л. Основы теории и техники умножения частоты. М.: Сов. радио, 1964. 327 с.
8. Кищинский А.А. и др. Умножители частоты на полевых транзисторах с барьером Шотки // Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Вып. 10 (1558). М.: ЦНИИ «Электроника», 1990. 32 с.
9. Савельев В.С. Умножители частоты СВЧ диапазона на транзисторах // Обзоры на электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. Вып. 17 (1220). М.: ЦНИИ «Электроника», 2006. 208 с.
10. Измерительная аппаратура СВЧ и КВЧ. Узловая и элементная базы / Под ред. А.М. Кудрявцева. М.: Радиотехника, 2006. 208 с.
11. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчёт / Под ред. Р.А. Валитова и И.А. Попова. М.: Сов. радио, 1973. 464 с.
12. Microwave Mixer LTC5553. Linear Technology. Data Sheet. 16 p.
13. Demo Manual DC2566A. Passive Bidirectional Mixer. Linear Technology. 6 p.
14. Rumyantsev K., Zikiy А., Zlaman P., Mamchenko S. Experimental Investigation of the LTC5553 Microcircuit in the Frequency Multiplication Mode // International Journal of Engineering & Technology (UAE). 2018. Vol. 7, No 3.13. Special Issue 13, pp. 41-43.
References
1. Krasnogolovyy B.N., Plavskiy L.G. Varaktornyye umnozhiteli chastoty [Varactor Frequency Multipliers]. Minsk, BGU, 1979. 288 p. [in Russian].
2. Belov L.A. Ustroystva formirovaniya SVCH signalov i ikh komponenty [Microwave Signal Generating Devices and Their Components]. Moscow, Izdatel'skiy dom MEI, 2010. 320 p. [in Russian].
3. Kasatkin L.V., Chayka V.Ye. Polu-provodnikovyye ustroystva diapazona milli-metrovykh voln [Millimeter Wave Semiconductors]. Sevastopol', Veber Publ., 2006. 319 p. [in Russian].
4. Rizkin I.Kh. Umnozhiteli i deliteli chastity [Multipliers and Frequency Dividers]. Moscow, Svyaz' Publ., 1976. 328 p. [in Russian].
5. Bruyevich A.N., Yevtyanov S.I. Approk-simatsiya nelineynykh kharakteristik i spektry pri garmonicheskom vozdeystvii [Approximation of Nonlinear Characteristics and Spectra under Harmonic Influence]. Moscow, Sov. Radio Publ., 1965. 344 p. [in Russian].
6. Gribov E.B. Nelineynyye yavleniya v priyomo-peredayushchem trakte apparatury svyazi na tranzistorakh [Nonlinear Phenomena in the Receiving-Transmitting Path of Transistor Communication Equipment]. Moscow, Svyaz' Publ., 1971. 243 p. [in Russian].
7. Zhabotinskiy M.Ye., Sverdlov Yu.L. Osnovy teorii i tekhniki umnozheniya chastity [Fundamentals of the Theory and Techniques of Frequency Multiplication]. Moscow, Sov. Radio Publ., 1964. 327 p. [in Russian].
8. Kishchinskiy A.A. i dr. Umnozhiteli chastoty na polevykh tranzistorakh s bar'yerom Shotki [Frequency Multipliers on Field transistors with Schottky Barrier]. Obzory po elekt-ronnoy tekhnike. Seriya 1. Elektronika SVCh [Reviews on Electronic Engineering. Series 1. Microwave Electronics]. Issue 10 (1558). Moscow, TSNII «Elektronika», 1990. 32 p. [in Russian].
9. Savel'yev V.S. Umnozhiteli chastoty SVCh diapazona na tranzistorakh [Transistors Microwave Frequency Multiplier]. Obzory na elektronnoy tekhnike. Ser. 1. Elektronika SVCh [Reviews on Electronic Engineering. Ser. 1. Microwave Electronics]. Issue 17 (1220). Moscow, TSNII «Elektronika», 2006. 208 p. [in Russian].
10. Izmeritel'naya apparatura SVCh i KVCh. Uzlovaya i elementnaya bazy [Microwave and EHF Measuring Equipment. Nodal and Elemental Base]. Ed. by A.M. Kudryavtseva. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2006. 208 p. [in Russian].
11. Radioperedayushchiye ustroystva na poluprovodnikovykh priborakh. Proyekti-rovaniye i raschot [Radio Transmitting Devices on Semiconductor Devices. Design and Calculation]. Ed. By R.A. Valitova, I.A. Popova. Moscow, Sov. Radio Publ., 1973. 464 p. [in Russian].
12. Microwave Mixer LTC5553. Linear Technology. Data Sheet. 16 p.
13. Demo Manual DC2566A. Passive Bidirectional Mixer. Linear Technology. 6 p.
14. Rumyantsev K., Zikiy A., Zlaman P., Mamchenko S. Experimental Investigation of the LTC5553 Microcircuit in the Frequency Multiplication Mode. International Journal of Engineering & Technology (UAE), 2018, Vol. 7, No. 3. Special Issue 13, pp. 41-43. [in Russian].
