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6.7: Multiplicador de frecuencia

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    Hay tres tipos principales de multiplicadores de frecuencia de microondas. Se utiliza un elemento resistivo no lineal para generar armónicos y un filtro paso banda selecciona el armónico apropiado para la salida (ver Figura 6.6.2 (a)) [33]. Un segundo tipo utiliza un elemento reactivo pero es inherentemente de banda estrecha. Un tercer tipo utiliza un mezclador.

    Un ejemplo es el multiplicador de frecuencia de diodo mostrado en la Figura 6.6.2 (b). Si no está polarizado, el diodo conduce corriente solo durante el semiciclo positivo de la señal de entrada, creando un voltaje a través del diodo que es rico en armónicos. Si no se aplica polarización externa, se requiere parte de la oscilación de voltaje positivo para encender el diodo. Este tipo de multiplicador se conoce como un multiplicador de frecuencia resistiva. El circuito transistor de la Figura 6.6.2 (c) utiliza el principio del multiplicador resistivo para lograr la multiplicación de frecuencia. Ahora el filtro pasabanda es el circuito sintonizado en la pata colectora del amplificador. El transistor está polarizado para realizar una fuerte no linealidad y la unión base-emisor tiene una característica exponencial de corriente-voltaje.

    Si la señal de entrada es

    \[\label{eq:1}x(t)=A\cos(\omega_{t}+\phi) \]

    entonces la salida en el\(n\) armónico es

    \[\label{eq:2}y(t)=A_{n}\cos(n\omega_{t}+n\phi) \]

    Uno de los problemas con todos los multiplicadores de frecuencia es la multiplicación del ruido de fase en la señal de entrada. Si\(\phi\) representa el ruido de fase en la señal original, entonces el ruido de fase de la señal de salida se incrementará en un factor\(n\). Es decir, incluso si el multiplicador de frecuencia no introduce ruido propio, la relación señal/ruido (es decir, ruido de fase) de una señal se reducirá en un factor\(n\). La amplitud de la señal de salida,\(A_{n}\), suele ser mucho menor que la de la señal de entrada a menos que el circuito no lineal incorpore un amplificador. El aumento del ruido de fase y la pérdida de potencia (sin amplificación) son los principales inconvenientes de utilizar un elemento resistivo no lineal para producir multiplicación de frecuencia.

    El ancho de banda de un multiplicador de frecuencia resistivo está limitado por el ancho de banda máximo de un filtro que seleccionará solo un armónico en la salida. Es decir, si la señal de entrada está en\(10\text{ GHz}\) y con\(10\times\) multiplicación la salida estará en\(100\text{ GHz}\). El ancho de banda de entrada fraccional útil es\(1/n =\frac{1}{10}\) de la señal de entrada, de lo contrario dos armónicos podrían aparecer simultáneamente en la salida.

    Otro tipo de multiplicador de frecuencia utiliza un elemento reactivo como la capacitancia no lineal de un diodo semiconductor de polarización inversa (es decir, un diodo varactor) [34]. Este mezclador se denomina multiplicador de frecuencia reactiva o multiplicador de frecuencia paramétrico. El elemento reactivo no lineal es parte de un circuito de entrada resonante en la frecuencia de entrada y también parte de un circuito de salida resonante en la frecuencia de salida. La eficiencia de este tipo de mezclador es mayor que para un mezclador resistivo pero el ancho de banda es mucho menor.

    Un tercer tipo de multiplicador de frecuencia utiliza un mezclador. Algunos, pero no todos, los mezcladores se pueden utilizar para realizar la multiplicación de frecuencia aplicando la misma señal a los dos puertos de entrada. Los circuitos mezcladores adecuados son los mezcladores balanceados pero no los mezcladores que dependen del filtrado para separar las señales LO, RF e IF.

    Otro tipo de multiplicador de frecuencia utiliza un bucle de bloqueo de fase. La división de frecuencia en el bucle de retroalimentación da como resultado la multiplicación de frecuencia de la señal de entrada. Otro tipo más usa flip-flops que trabajan en una señal de reloj binaria de frecuencia de microondas y este es el tipo que se usa a menudo en los RFIC modernos para proporcionar una unidad de onda cuadrada a un mezclador de conmutación.


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