Схема транзисторного умножителя частоты (см рис. 15) и методика его расчета практически ничем не отличаются от усилителя мощности, построенного по принципу генератора с внешним возбуждением.

Необходимо только выходную цепь генератора настроить на n-ю гармонику и выбрать значение угла отсечки q =120 ° / n, соответствующее максимальному значению коэффициента a_n(q). При расчете выходной цепи коэффициент разложения косинусоидального импульса по 1-й гармонике a₁(q) следует заменить на коэффициент по n-й гармонике a_n(q). Контур в выходной цепи, настроенный в резонанс с n-и гармоникой сигнала, должен обладать удовлетворительными фильтрующими свойствами.

Рис. 15 – Схема транзисторного умножителя частоты

Коэффициент умножения схемы на рис. 15 обычно не превышает 3–4 раз при КПД, равном 10–20%.

Работа диодных умножителей частоты основана на использовании эффекта нелинейной емкости. В качестве последней используется барьерная емкость обратно смещенного р- n-перехода. Полупроводниковые диоды, специально разработанные для умножения частоты, называются варакторами. При g=0,5 и j₀=0,5 В для нелинейной емкости варактора получим:

,                                      (9)

где u - обратное напряжение, приложенное к p - n-переходу.

График нелинейной функции (9) показан на Рис. 16.

Рис. 16 – График нелинейной функции

Заряд, накапливаемый нелинейной емкостью, с напряжением и током связаны зависимостями:

,                   (10)

Две основные схемы диодных умножителей частоты с варакторами приведены на рис. 17.

Рис. 17 – Диодные умножители частоты с варакторами

В схеме диодного умножителя параллельного вида (см. рис. 17, а) имеются два контура (или фильтра) последовательного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного w и выходного nw сигналов. Такие контуры имеют малое сопротивление на резонансной частоте и большое - на всех остальных (см. рис. 18).

Рис. 18 – Зависимость сопротивления контура от частоты

Поэтому первый контур, настроенный в резонанс с частотой входного сигнала о, пропускает только 1-ю гармонику тока, а второй контур, настроенный в резонанс с частотой выходного сигнала nw, - только n -ю гармонику. В результате ток, протекающий через варактор, имеет вид:

,                (11)

Поскольку емкость варактора (9) есть нелинейная функция, то согласно выражению (10) при токе (11) напряжение на варакторе отлично от синусоидальной формы и содержит гармоники. Одна из этих гармоник, на которую настроен второй контур, проходит в нагрузку.

Таким образом, с помощью нелинейной емкости в устройстве происходит преобразование мощности сигнала с частотой w в сигнал с частотой n w, т.е. умножение частоты.

Аналогичным образом работает вторая схема умножителя частоты последовательного вида (см. рис. 17, б), в которой имеется два контура (или фильтра) параллельного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного w и выходного n w сигналов. Такие контуры имеют большое сопротивление на резонансной частоте и малое - на всех остальных. Поэтому напряжение на первом контуре, настроенном в резонанс с частотой входного сигнала w, содержит только 1-ю гармонику, а на втором контуре, настроенном в резонанс с частотой выходного сигнала nw, - только n -ю гармонику. В результате напряжение, приложенное к варактору, имеет вид:

,            (12)

где U ₀ - постоянное напряжение смещения на варакторе.

Поскольку емкость варактора (9) есть нелинейная функция, то согласно выражению (10) при напряжении (12) ток, протекающий через варактор, отличен от синусоидальной формы и содержит гармоники. Одна из этих гармоник, на которую настроен второй контур, проходит в нагрузку. Таким образом, с помощью нелинейной емкости в схеме происходит преобразование мощности сигнала с частотой w в сигнал с частотой n w, т.е. умножение частоты.

Варакторные умножители частоты в ВЧ диапазоне при n=2 и 3 имеют высокий коэффициент преобразования К_пр= P_n / P ₁ = 0,6…0,7. При больших величинах n w в СВЧ диапазоне значение К_пр уменьшается до 0,1 и ниже.