倍頻器簡(jiǎn)介

　　倍頻器（frequency multiplier）使輸出信號(hào)頻率等于輸入信號(hào)頻率整數(shù)倍的電路。輸入頻率為f1，則輸出頻率為f0=nf1，系數(shù)n為任意正整數(shù)，稱倍頻次數(shù)。倍頻器用途廣泛，如發(fā)射機(jī)采用倍頻器后可使主振器振蕩在較低頻率，以提高頻率穩(wěn)定度；調(diào)頻設(shè)備用倍頻器來(lái)增大頻率偏移；在相位鍵控通信機(jī)中，倍頻器是載波恢復(fù)電路的一個(gè)重要組成單元。

　　利用非線性電路產(chǎn)生高次諧波或者利用頻率控制回路都可以構(gòu)成倍頻器。倍頻器也可由一個(gè)壓控振蕩器和控制環(huán)路構(gòu)成。它的控制電路產(chǎn)生一控制電壓，使壓控振蕩器的振蕩頻率嚴(yán)格地鎖定在輸入頻率 f1的倍乘值f0=nf1上 。

　　倍頻器有晶體管倍頻器、變?nèi)荻O管倍頻器、階躍恢復(fù)二極管倍頻器等。用其他非線性電阻、電感和電容也能構(gòu)成倍頻器，如鐵氧體倍頻器等。非線性電阻構(gòu)成的倍頻器，倍頻噪聲較大。這是因?yàn)榉蔷€性變換過(guò)程中產(chǎn)生的大量諧波使輸出信號(hào)相位不穩(wěn)定而引起的。倍頻次數(shù)越高，倍頻噪聲就越大，使倍頻器的應(yīng)用受到限制。在要求倍頻噪聲較小的設(shè)備中，可采用根據(jù)鎖相環(huán)原理構(gòu)成的鎖相環(huán)倍頻器和同步倍頻器。但是，這類倍頻器線路比較復(fù)雜，倍頻次數(shù)一般不太高，而且還可能出現(xiàn)相位失鎖等問(wèn)題。

倍頻器百科

　　倍頻器（frequency multiplier）使輸出信號(hào)頻率等于輸入信號(hào)頻率整數(shù)倍的電路。輸入頻率為f1，則輸出頻率為f0=nf1，系數(shù)n為任意正整數(shù)，稱倍頻次數(shù)。倍頻器用途廣泛，如發(fā)射機(jī)采用倍頻器后可使主振器振蕩在較低頻率，以提高頻率穩(wěn)定度；調(diào)頻設(shè)備用倍頻器來(lái)增大頻率偏移；在相位鍵控通信機(jī)中，倍頻器是載波恢復(fù)電路的一個(gè)重要組成單元。

　　利用非線性電路產(chǎn)生高次諧波或者利用頻率控制回路都可以構(gòu)成倍頻器。倍頻器也可由一個(gè)壓控振蕩器和控制環(huán)路構(gòu)成。它的控制電路產(chǎn)生一控制電壓，使壓控振蕩器的振蕩頻率嚴(yán)格地鎖定在輸入頻率 f1的倍乘值f0=nf1上 。

　　倍頻器有晶體管倍頻器、變?nèi)荻O管倍頻器、階躍恢復(fù)二極管倍頻器等。用其他非線性電阻、電感和電容也能構(gòu)成倍頻器，如鐵氧體倍頻器等。非線性電阻構(gòu)成的倍頻器，倍頻噪聲較大。這是因?yàn)榉蔷€性變換過(guò)程中產(chǎn)生的大量諧波使輸出信號(hào)相位不穩(wěn)定而引起的。倍頻次數(shù)越高，倍頻噪聲就越大，使倍頻器的應(yīng)用受到限制。在要求倍頻噪聲較小的設(shè)備中，可采用根據(jù)鎖相環(huán)原理構(gòu)成的鎖相環(huán)倍頻器和同步倍頻器。但是，這類倍頻器線路比較復(fù)雜，倍頻次數(shù)一般不太高，而且還可能出現(xiàn)相位失鎖等問(wèn)題。

　　微波振蕩器的頻率穩(wěn)定度不太高，在幾十兆赫至百兆赫的晶體振蕩器后面加上一級(jí)高次倍頻器，可以獲得具有晶振頻率穩(wěn)定度的微波振蕩。另外，多級(jí)倍頻器級(jí)聯(lián)起來(lái)，可以使倍頻次數(shù)大大提高。例如，二倍頻器和三倍頻器級(jí)聯(lián)可產(chǎn)生六次倍頻，m級(jí)N倍頻器級(jí)聯(lián)，總倍頻次數(shù)為Nm。不過(guò)，倍頻級(jí)數(shù)增加，倍頻噪聲也加大，故倍頻上限仍受到限制。

　　晶體管

　　這種倍頻器的電路與調(diào)諧放大器相似，但晶體管工作點(diǎn)通常置于伏安特性的截止區(qū)，輸出回路則調(diào)諧在輸入頻率的n次諧波上。由于晶體管僅在輸入電壓正半周的部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，其集電極電流為一含有輸入信號(hào)基頻和各次諧波的脈動(dòng)電流。利用調(diào)諧于f0=nf1的回路的選頻作用，倍頻器即可輸出所需頻率。為使輸出信號(hào)幅度足夠大，這種倍頻器的倍頻次數(shù)較低，一般n=3～5。n增大輸出幅度將顯著減小。這種倍頻器的優(yōu)點(diǎn)具有一定功率增益。

　　變?nèi)?/p>

　　負(fù)偏置的變?nèi)荻O管D接于輸入和輸出回路之間。由L1C1構(gòu)成的高Q濾波器只容頻率為f1的輸入信號(hào)在左邊回路產(chǎn)生電流i。由于變?nèi)荻O管的非線性特性，二極管的端電壓含有基頻f1和2f1，…，nf1等諧波頻率。在輸出端由于高Q帶通濾波器的作用，因而只有頻率為nf1的成分能夠通過(guò)右邊回路，并向負(fù)載輸出有用的諧波功率。變?nèi)荻O管倍頻器有時(shí)又稱參量倍頻器，它的倍頻效率與倍頻次數(shù)n成反比，為使輸出足夠大，一般以n《10為準(zhǔn)。

　　階躍恢復(fù)

　　具有陡變電容特性的階躍恢復(fù)二極管在激勵(lì)電壓作用下工作于導(dǎo)通和階躍兩種狀態(tài)，并在階躍瞬間形成一持續(xù)時(shí)間很短、幅度很大的尖峰脈沖。這個(gè)脈沖能譜呈梳狀均勻分布，在幾十次乃至上百次諧波頻率上仍有一定的能量輸出。階躍恢復(fù)二極管倍頻器適于構(gòu)成倍頻次數(shù)很高，但幅度不需要很大的高次倍頻器和梳狀譜發(fā)生器。

　　類型

　　采用不同的非線性器件，可以構(gòu)成不同類型的倍頻器。

　　參量倍頻器

　　由非線性電抗器件構(gòu)成的倍頻器。應(yīng)用最廣的一種非線性電抗器件是變?nèi)荻O管，利用它的非線性電容特性而產(chǎn)生的參量換能作用可以實(shí)現(xiàn)倍頻功能。理論上，電容器是理想無(wú)耗元件，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行非線性變換時(shí)不會(huì)消耗能量，因此，參量倍頻器可以將輸入信號(hào)能量全部轉(zhuǎn)換為輸出諧波能量，即它的轉(zhuǎn)換效率等于1。實(shí)際上，變?nèi)荻O管和濾波器總是有耗的，也不可能濾除非線性電容產(chǎn)生的全部無(wú)用分量。它的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率小于1，且隨著倍頻次數(shù)的增加而趨于減小，可見(jiàn)，這類參量倍頻器也不可能實(shí)現(xiàn)高次倍頻。但與三極管倍頻器比較，它的轉(zhuǎn)換效率已有很大改善。

　　三極管倍頻器

　　在短波和超短波段，采用由晶體三極管構(gòu)成的三極管倍頻器。由于晶體三極管在輸入信號(hào)作用下產(chǎn)生的集電極電流脈沖，其各次諧波電流的幅度總是隨著諧波次數(shù)增加而迅速減小。因此，倍頻次數(shù)越高，倍頻效率就越低；為了濾除幅度大的低次諧波分量，對(duì)濾波器帶外衰減的要求也越高。三極管倍頻器只能實(shí)現(xiàn)低倍頻次數(shù)（五次以下）的倍頻器，較多的為二或三倍頻器。為了實(shí)現(xiàn)高倍頻，可以將幾級(jí)倍頻器串接，組成倍頻鏈接。

　　鎖相倍頻器

　　在鎖相環(huán)路中插入分頻器，改變分頻次數(shù)就可實(shí)現(xiàn)任何倍數(shù)的倍頻。倍頻器廣泛用于發(fā)射機(jī)、頻率合成器和其它信息的傳輸和處理系統(tǒng)中。在發(fā)射機(jī)中利用倍頻器可以將晶體振蕩器產(chǎn)生的較低振蕩頻率倍增到所需的載波頻率，或者將間接調(diào)頻器產(chǎn)生的低載頻和小頻偏調(diào)頻波倍增到高載波和大頻偏的調(diào)頻波。在頻率合成器中，利用倍頻器可以由一個(gè)穩(wěn)定振蕩頻率產(chǎn)生出眾多頻率的穩(wěn)定振蕩信號(hào)。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，倍頻功能可在數(shù)字信號(hào)處理器中用軟件實(shí)現(xiàn)。

　　階躍二級(jí)管倍頻器

　　采用由階躍恢復(fù)二極管構(gòu)成的倍頻器實(shí)現(xiàn)高次倍頻。它也是參量倍頻器的一種。階躍恢復(fù)二極管與變?nèi)荻O管不同，它具有十分陡峭的電容特性。即外加正向電壓時(shí)呈現(xiàn)很大的電容；外加反向電壓時(shí)呈現(xiàn)很小的電容。在輸入信號(hào)作用下，正向?qū)〞r(shí)二極管儲(chǔ)存著的大量電荷，在轉(zhuǎn)入反向電壓時(shí)將迅速泄放，形成很大的反向沖擊電流，產(chǎn)生出十分豐富的諧波含量。這就是階躍二極管倍頻器宜于實(shí)現(xiàn)高次倍頻的道理。它的倍頻次數(shù)可高到40以上。

　　倍頻器的基本原理

　　微波倍頻器是一種基本的微波電路。所謂倍頻器 是指能完成輸入信號(hào)頻率倍增功能的電子設(shè)備。原則 上，非線性器件都能實(shí)現(xiàn)倍頻，而利用半導(dǎo)體器件的 非線性實(shí)現(xiàn)的倍頻，即稱為固態(tài)倍頻器。當(dāng)用一個(gè)正 弦信號(hào)激勵(lì)非線性器件時(shí)，便會(huì)在基頻的諧波頻率上 產(chǎn)生功率。倍頻電路的作用就是有效提取其中所需要 的諧波信號(hào)，而將其基頻和不需的諧波加以抑制。

　　倍頻器按其工作原理又可分為兩大類：一種是非 線性電阻倍頻。這類倍頻器是利用雙結(jié)型晶體管、場(chǎng) 效應(yīng)晶體管或二極管的非線性電阻效應(yīng)把大幅度正弦 倍頻器的原理波變成電流脈沖，再用選頻回路將所需要的諧波選出，以完成倍頻作用。

　　另一種非線性電抗倍頻，亦稱為“參量倍頻”。

　　其一是利用PN 結(jié)或金屬一半導(dǎo)體結(jié)電容的非線性變化得到輸入信號(hào)的諧波，經(jīng)濾波器選出需要的頻率。變?nèi)荻O管倍頻器、階躍二極管倍頻器以及利用集電極非線性效應(yīng)做成的三極管倍頻器都是非線性電容構(gòu)成的倍頻器；其二是利用非線性電感構(gòu)成的倍頻器。例如利用雪崩二極管雪崩渡越效應(yīng)引起的非線性電感實(shí)現(xiàn)的倍頻。

　　目前，在頻率較低、倍頻次數(shù)不是很高的場(chǎng)合，人們常采用晶體管有源倍頻來(lái)實(shí)現(xiàn) 而在頻率較高時(shí)往往采用變?nèi)荻O管或是階躍恢復(fù)二極管等無(wú)源電路。隨著截止 頻率很高的各種場(chǎng)效應(yīng)管的出現(xiàn)，人們對(duì)利用場(chǎng)效應(yīng)管的非線性來(lái)實(shí)現(xiàn)次數(shù)較低的倍頻電路表現(xiàn)出極大的興趣。

　　ADS軟件對(duì)倍頻器的嵌入式電特性仿真

　　利用ADS射頻仿真軟件和嵌入法對(duì)倍頻器的環(huán)境阻抗、有效激勵(lì)電平進(jìn)行了研究，針對(duì)倍頻器輸出端外加負(fù)載后對(duì)倍頻效率產(chǎn)生的影響，提出了改進(jìn)方法并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。

　　１　引言

　　眾所周知，在用倍頻鏈實(shí)現(xiàn)高頻、高穩(wěn)微波振蕩源的過(guò)程中，倍頻器倍頻效率的高低不僅對(duì)簡(jiǎn)化電路和保持電路穩(wěn)定性影響較大，而且對(duì)整個(gè)電路雜散、諧波的抑制都起著重要作用。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程需要復(fù)雜的理論推導(dǎo)、大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，或者依賴于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)而在現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用中，有時(shí)卻需要一些特殊的倍頻器，如頻率不是很常用，倍頻次數(shù)又較高，采用外協(xié)加工，成本和時(shí)間都不劃算等。對(duì)于這些既沒(méi)有相關(guān)的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，又無(wú)法獲得倍頻三極管器件完整的物理參數(shù)的情況，探索一個(gè)能快速有效設(shè)計(jì)出高性能倍頻產(chǎn)品的方法就顯得十分有必要了。在ADS射頻仿真軟件的幫助下，以AT42086（三極管）５倍頻器（將114.8MHz倍到574MHz）為例，可以較完整地研究各種外圍條件對(duì)倍頻效率的影響。

　　２　仿真方法

　　當(dāng)把倍頻器單獨(dú)看成為嵌入式器件時(shí)，在某個(gè)三極管的特定靜態(tài)工作點(diǎn)下，倍頻器兩端的輸入阻抗特性、輸入端的激勵(lì)電平對(duì)倍頻效率都呈現(xiàn)出一種特殊的規(guī)律（比如說(shuō)倍頻器的激勵(lì)電平并不是越高越好，有時(shí)高的激勵(lì)電平反倒比低電平激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的諧波幅度低）。因此，如何確定正確的直流工作點(diǎn)、輸出端LC諧振回路和有效的激勵(lì)電平是設(shè)計(jì)中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。鑒于這種情況，設(shè)計(jì)時(shí)可以充分利用現(xiàn)代射頻設(shè)計(jì)工具來(lái)進(jìn)行仿真以加快研發(fā)過(guò)程并設(shè)計(jì)出性能較好的倍頻產(chǎn)品。

　　利用ADS仿真軟件中相應(yīng)的功能模塊SmZ1、SmZ1（注意：SmZ1、SmZ2模塊輸出的是共軛值，由于設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該賦給倍頻電路真值以模擬真實(shí)環(huán)境，所以要將結(jié)果取共軛），可以比較容易地處理仿真時(shí)電路外圍環(huán)境阻抗問(wèn)題，對(duì)于倍頻的前級(jí)（比如放大電路），可以在軟件中先建立放大電路原理圖，然后設(shè)置SmZ1模塊（測(cè)得輸出阻抗，也就是倍頻器輸入的環(huán)境阻抗）并運(yùn)行仿真以得到結(jié)果。同理，還應(yīng)對(duì)倍頻的后級(jí)電路做類似處理以得到倍頻輸出端的環(huán)境阻抗。這里所講的后級(jí)電路一般是指帶通濾波電路，對(duì)于大部分外購(gòu)的濾波器，其輸入、輸出端口都要求在50Ω匹配條件下，因此，可以把50Ω假設(shè)成倍頻器的輸出環(huán)境阻抗直接帶入倍頻電路進(jìn)行仿真。但這樣的問(wèn)題是：實(shí)際濾波器的濾波特性是在50Ω匹配的環(huán)境下測(cè)得的，而并不一定是它的輸入輸出端口就正好是50Ω，特別是對(duì)帶通濾波器，其端口一般呈容性，而在調(diào)試修正電路里還應(yīng)考慮如何在保證仿真有效性的前提下，對(duì)其進(jìn)行端口的失配現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償。

　　利用嵌入法的設(shè)計(jì)思路是：把倍頻電路本身看成一功能單元，其工作時(shí)的外圍環(huán)境阻抗可以由輸入輸出兩端的負(fù)載來(lái)指定。另外，為了便于觀察激勵(lì)電平的影響，可選用ADS中單音頻率源作為輸入端（該源也可人為指定環(huán)境阻抗）。倍頻電路可按照三極管倍頻經(jīng)典電路搭建。圖１所示是其倍頻仿真電路原理圖。在圖１中，對(duì)于LC回路，由于倍頻電路中ＬＣ回路器件可以有很多不同的組合，因此，它的選擇也頗有講究，具體的做法除可以參考相關(guān)文獻(xiàn)外，也可以用ADS上的電路優(yōu)化功能，來(lái)讓軟件來(lái)選擇一組較為合適的取值。

　　本設(shè)計(jì)是以兩端50Ω環(huán)境阻抗為例進(jìn)行的，若具體情況不是50Ω或含有虛部，可以雙擊終端模塊直接修改輸出阻抗值的大小。格式為：（50＋j＊24）Ω。

　　在此雖然用的是很簡(jiǎn)單的電路模型，但是，這并不影響利用ADS對(duì)倍頻特性進(jìn)行仿真。

　　３　仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果驗(yàn)證

　　讓軟件進(jìn)行多次的仿真實(shí)驗(yàn)，可以使設(shè)計(jì)人員通過(guò)生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在很短時(shí)間內(nèi)找到合適的輸入激勵(lì)電平。表１是筆者截取的一段數(shù)據(jù)。由于主要關(guān)心五次諧波，所以，為了便于觀察，將其制成表格，并將其鄰近的四、六次諧波也列了出來(lái)。

　　表1 不同激勵(lì)電平時(shí)的諧波功率值

　　從諧波分析結(jié)果圖表上可清楚的看到：當(dāng)激勵(lì)電平為17dBm的時(shí)，三極管AT42086的倍頻效率是最高的（見(jiàn)圖２），為5.727dBm。而在其鄰近的其它電平激勵(lì)下，倍頻后的５次諧波輸出都相對(duì)低一些。

　　通過(guò)研究倍頻器的倍頻效率對(duì)激勵(lì)電平的變化規(guī)律，可為確定輸入激勵(lì)電平的大小提供依據(jù)。不僅如此，在計(jì)算整個(gè)電路系統(tǒng)電平分配時(shí)，也可以把倍頻器件的有效激勵(lì)電平作為基點(diǎn)來(lái)折算出其它器件的工作電平值。

　　實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，作為射頻電路，即便原理上已經(jīng)設(shè)計(jì)的很好了，但由于電路工作頻率很高，實(shí)際電路板如果設(shè)計(jì)不好，就有可能導(dǎo)致信號(hào)波長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)發(fā)生變化，從而使電路出現(xiàn)自激、諧波抑制不好，波形失真、信號(hào)功率下降等現(xiàn)象。這里設(shè)計(jì)的倍頻器是一種對(duì)環(huán)境阻抗很敏感的器件。由于一般從電路設(shè)計(jì)上，都希望用盡量少的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。本電路輸出級(jí)元件少到只有LC諧振回路，因此一方面符合最小化設(shè)計(jì)要求，另一方面，輸出級(jí)又很容易受到負(fù)載的牽引而使倍頻效率降低。對(duì)此，可以通過(guò)ADS軟件實(shí)驗(yàn)來(lái)分析這個(gè)現(xiàn)象。表２給出了兩例５次諧波的功率值。實(shí)際上，針對(duì)倍頻器的特點(diǎn)可以對(duì)這些“失配”提出一套切實(shí)可行的“修正”辦法。當(dāng)然，合理正確的仿真是能夠快速有效實(shí)現(xiàn)修正的先決條件。

　　倍頻器的輸入級(jí)一般是放大器或者放大器加衰減網(wǎng)絡(luò)，故前級(jí)的輸出阻抗是不好確定的，可能是容性，也可能是感性。也就是說(shuō)，修正倍頻器輸入端的環(huán)境阻抗比較困難，對(duì)此，可以把主要矛盾放到輸出級(jí)去。因?yàn)閮啥丝谄骷腟參數(shù)不僅和本級(jí)有關(guān)，還和輸出級(jí)的匹配情況有關(guān)，在失配不是很嚴(yán)重的情況下，可以通過(guò)改善輸出級(jí)的匹配來(lái)同時(shí)修正兩個(gè)端口的匹配。為了實(shí)現(xiàn)倍頻器的倍頻功能，可以在輸出端加帶通濾波器以選出所需要的諧波信號(hào)。而設(shè)計(jì)良好的帶通濾波器的輸入端的端口一般都呈容性（如果不是，就意味著在DC附近還有一個(gè)通帶，這種情況很少見(jiàn)），因此可以在實(shí)際電路調(diào)試中把倍頻器輸出級(jí)與下面帶通濾波器連接的隔直電容（也就是圖１中的C4）取下來(lái)，而換用電感來(lái)抵償濾波器端口的容性效應(yīng)。筆者在實(shí)際調(diào)試中嘗試過(guò)兩種替代方法，而且都取得了很好的效果：一種是用貼片電感，其優(yōu)點(diǎn)是一致性好，適合批量加工。缺點(diǎn)是由于器件取值的離散性，因此在首次調(diào)試時(shí)需要拿很多不同值的電感焊到板子上試，而且也不容易取到最優(yōu)值；另一種是用漆包線的線繞線圈，特點(diǎn)是可以用鑷子進(jìn)行連續(xù)的電感值調(diào)試，容易取到最優(yōu)值，但這種方法的缺點(diǎn)是每件都需要手調(diào)，難于用在大規(guī)模的生產(chǎn)上。

　　表2 不同負(fù)載下5次諧波的功率值

　　筆者將C4換成線繞電感線圈后，實(shí)際調(diào)出的倍頻結(jié)果是5次諧波輸出功率大于軟件仿真得出的數(shù)值，即用線圈進(jìn)行無(wú)間斷的電感值調(diào)協(xié)可以彌補(bǔ)倍頻電路中器件取值離散而難以得到最優(yōu)倍頻結(jié)果的缺點(diǎn)，從而得到比軟件仿真還要好的諧波輸出功率。筆者的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果是：四次諧波：5.5955dBm，五次諧波：6.559dBm，六次諧波：-1.226dBm。

　　４　小結(jié)

　　本文以一個(gè)具體的例子著重講述了如何利用現(xiàn)代射頻仿真工具ADS來(lái)優(yōu)化倍頻器的設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)針對(duì)軟件仿真與實(shí)際電路的客觀差距提出了一套行之有效的解決方案，并通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證使理論仿真和實(shí)際實(shí)現(xiàn)得到了良好的吻合。實(shí)踐證明：通過(guò)對(duì)ADS軟件設(shè)計(jì)過(guò)程的優(yōu)化，可以提高工程開發(fā)效率，因而在人力、時(shí)間的投入上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。