倍頻器

倍頻器簡介

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

　　利用非線性電路產生高次諧波或者利用頻率控制回路都可以構成倍頻器。倍頻器也可由一個壓控振蕩器和控制環路構成。它的控制電路產生一控制電壓，使壓控振蕩器的振蕩頻率嚴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、變容二極管倍頻器、階躍恢復二極管倍頻器等。用其他非線性電阻、電感和電容也能構成倍頻器，如鐵氧體倍頻器等。非線性電阻構成的倍頻器，倍頻噪聲較大。這是因為非線性變換過程中產生的大量諧波使輸出信號相位不穩定而引起的。倍頻次數越高，倍頻噪聲就越大，使倍頻器的應用受到限制。在要求倍頻噪聲較小的設備中，可采用根據鎖相環原理構成的鎖相環倍頻器和同步倍頻器。但是，這類倍頻器線路比較復雜，倍頻次數一般不太高，而且還可能出現相位失鎖等問題。

倍頻器百科

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

　　利用非線性電路產生高次諧波或者利用頻率控制回路都可以構成倍頻器。倍頻器也可由一個壓控振蕩器和控制環路構成。它的控制電路產生一控制電壓，使壓控振蕩器的振蕩頻率嚴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、變容二極管倍頻器、階躍恢復二極管倍頻器等。用其他非線性電阻、電感和電容也能構成倍頻器，如鐵氧體倍頻器等。非線性電阻構成的倍頻器，倍頻噪聲較大。這是因為非線性變換過程中產生的大量諧波使輸出信號相位不穩定而引起的。倍頻次數越高，倍頻噪聲就越大，使倍頻器的應用受到限制。在要求倍頻噪聲較小的設備中，可采用根據鎖相環原理構成的鎖相環倍頻器和同步倍頻器。但是，這類倍頻器線路比較復雜，倍頻次數一般不太高，而且還可能出現相位失鎖等問題。

　　微波振蕩器的頻率穩定度不太高，在幾十兆赫至百兆赫的晶體振蕩器后面加上一級高次倍頻器，可以獲得具有晶振頻率穩定度的微波振蕩。另外，多級倍頻器級聯起來，可以使倍頻次數大大提高。例如，二倍頻器和三倍頻器級聯可產生六次倍頻，m級N倍頻器級聯，總倍頻次數為Nm。不過，倍頻級數增加，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諧放大器相似，但晶體管工作點通常置于伏安特性的截止區，輸出回路則調諧在輸入頻率的n次諧波上。由于晶體管僅在輸入電壓正半周的部分時間內導通，其集電極電流為一含有輸入信號基頻和各次諧波的脈動電流。利用調諧于f0=nf1的回路的選頻作用，倍頻器即可輸出所需頻率。為使輸出信號幅度足夠大，這種倍頻器的倍頻次數較低，一般n=3～5。n增大輸出幅度將顯著減小。這種倍頻器的優點具有一定功率增益。

　　變容

　　負偏置的變容二極管D接于輸入和輸出回路之間。由L1C1構成的高Q濾波器只容頻率為f1的輸入信號在左邊回路產生電流i。由于變容二極管的非線性特性，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的成分能夠通過右邊回路，并向負載輸出有用的諧波功率。變容二極管倍頻器有時又稱參量倍頻器，它的倍頻效率與倍頻次數n成反比，為使輸出足夠大，一般以n《10為準。

　　階躍恢復

　　具有陡變電容特性的階躍恢復二極管在激勵電壓作用下工作于導通和階躍兩種狀態，并在階躍瞬間形成一持續時間很短、幅度很大的尖峰脈沖。這個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。階躍恢復二極管倍頻器適于構成倍頻次數很高，但幅度不需要很大的高次倍頻器和梳狀譜發生器。

　　類型

　　采用不同的非線性器件，可以構成不同類型的倍頻器。

　　參量倍頻器

　　由非線性電抗器件構成的倍頻器。應用最廣的一種非線性電抗器件是變容二極管，利用它的非線性電容特性而產生的參量換能作用可以實現倍頻功能。理論上，電容器是理想無耗元件，對輸入信號進行非線性變換時不會消耗能量，因此，參量倍頻器可以將輸入信號能量全部轉換為輸出諧波能量，即它的轉換效率等于1。實際上，變容二極管和濾波器總是有耗的，也不可能濾除非線性電容產生的全部無用分量。它的實際轉換效率小于1，且隨著倍頻次數的增加而趨于減小，可見，這類參量倍頻器也不可能實現高次倍頻。但與三極管倍頻器比較，它的轉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成的三極管倍頻器。由于晶體三極管在輸入信號作用下產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增加而迅速減小。因此，倍頻次數越高，倍頻效率就越低；為了濾除幅度大的低次諧波分量，對濾波器帶外衰減的要求也越高。三極管倍頻器只能實現低倍頻次數（五次以下）的倍頻器，較多的為二或三倍頻器。為了實現高倍頻，可以將幾級倍頻器串接，組成倍頻鏈接。

　　鎖相倍頻器

　　在鎖相環路中插入分頻器，改變分頻次數就可實現任何倍數的倍頻。倍頻器廣泛用于發射機、頻率合成器和其它信息的傳輸和處理系統中。在發射機中利用倍頻器可以將晶體振蕩器產生的較低振蕩頻率倍增到所需的載波頻率，或者將間接調頻器產生的低載頻和小頻偏調頻波倍增到高載波和大頻偏的調頻波。在頻率合成器中，利用倍頻器可以由一個穩定振蕩頻率產生出眾多頻率的穩定振蕩信號。隨著數字信號處理技術的發展，倍頻功能可在數字信號處理器中用軟件實現。

　　階躍二級管倍頻器

　　采用由階躍恢復二極管構成的倍頻器實現高次倍頻。它也是參量倍頻器的一種。階躍恢復二極管與變容二極管不同，它具有十分陡峭的電容特性。即外加正向電壓時呈現很大的電容；外加反向電壓時呈現很小的電容。在輸入信號作用下，正向導通時二極管儲存著的大量電荷，在轉入反向電壓時將迅速泄放，形成很大的反向沖擊電流，產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現高次倍頻的道理。它的倍頻次數可高到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頻率倍增功能的電子設備。原則 上，非線性器件都能實現倍頻，而利用半導體器件的 非線性實現的倍頻，即稱為固態倍頻器。當用一個正 弦信號激勵非線性器件時，便會在基頻的諧波頻率上 產生功率。倍頻電路的作用就是有效提取其中所需要 的諧波信號，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型晶體管、場 效應晶體管或二極管的非線性電阻效應把大幅度正弦 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 結或金屬一半導體結電容的非線性變化得到輸入信號的諧波，經濾波器選出需要的頻率。變容二極管倍頻器、階躍二極管倍頻器以及利用集電極非線性效應做成的三極管倍頻器都是非線性電容構成的倍頻器；其二是利用非線性電感構成的倍頻器。例如利用雪崩二極管雪崩渡越效應引起的非線性電感實現的倍頻。

　　目前，在頻率較低、倍頻次數不是很高的場合，人們常采用晶體管有源倍頻來實現 而在頻率較高時往往采用變容二極管或是階躍恢復二極管等無源電路。隨著截止 頻率很高的各種場效應管的出現，人們對利用場效應管的非線性來實現次數較低的倍頻電路表現出極大的興趣。

　　ADS軟件對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倍頻器的環境阻抗、有效激勵電平進行了研究，針對倍頻器輸出端外加負載后對倍頻效率產生的影響，提出了改進方法并進行了實際驗證。

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　　眾所周知，在用倍頻鏈實現高頻、高穩微波振蕩源的過程中，倍頻器倍頻效率的高低不僅對簡化電路和保持電路穩定性影響較大，而且對整個電路雜散、諧波的抑制都起著重要作用。傳統的設計過程需要復雜的理論推導、大量的試驗驗證，或者依賴于經驗進行設計而在現實工程應用中，有時卻需要一些特殊的倍頻器，如頻率不是很常用，倍頻次數又較高，采用外協加工，成本和時間都不劃算等。對于這些既沒有相關的工程設計經驗，又無法獲得倍頻三極管器件完整的物理參數的情況，探索一個能快速有效設計出高性能倍頻產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倍頻效率的影響。

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　　當把倍頻器單獨看成為嵌入式器件時，在某個三極管的特定靜態工作點下，倍頻器兩端的輸入阻抗特性、輸入端的激勵電平對倍頻效率都呈現出一種特殊的規律（比如說倍頻器的激勵電平并不是越高越好，有時高的激勵電平反倒比低電平激勵時產生的諧波幅度低）。因此，如何確定正確的直流工作點、輸出端LC諧振回路和有效的激勵電平是設計中面臨的關鍵問題。鑒于這種情況，設計時可以充分利用現代射頻設計工具來進行仿真以加快研發過程并設計出性能較好的倍頻產品。

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

　　利用嵌入法的設計思路是：把倍頻電路本身看成一功能單元，其工作時的外圍環境阻抗可以由輸入輸出兩端的負載來指定。另外，為了便于觀察激勵電平的影響，可選用ADS中單音頻率源作為輸入端（該源也可人為指定環境阻抗）。倍頻電路可按照三極管倍頻經典電路搭建。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文獻外，也可以用ADS上的電路優化功能，來讓軟件來選擇一組較為合適的取值。

　　本設計是以兩端50Ω環境阻抗為例進行的，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單的電路模型，但是，這并不影響利用ADS對倍頻特性進行仿真。

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　　讓軟件進行多次的仿真實驗，可以使設計人員通過生成的實驗數據在很短時間內找到合適的輸入激勵電平。表１是筆者截取的一段數據。由于主要關心五次諧波，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。

　　表1 不同激勵電平時的諧波功率值

　　從諧波分析結果圖表上可清楚的看到：當激勵電平為17dBm的時，三極管AT42086的倍頻效率是最高的（見圖２），為5.727dBm。而在其鄰近的其它電平激勵下，倍頻后的５次諧波輸出都相對低一些。

　　通過研究倍頻器的倍頻效率對激勵電平的變化規律，可為確定輸入激勵電平的大小提供依據。不僅如此，在計算整個電路系統電平分配時，也可以把倍頻器件的有效激勵電平作為基點來折算出其它器件的工作電平值。

　　實際實現時，作為射頻電路，即便原理上已經設計的很好了，但由于電路工作頻率很高，實際電路板如果設計不好，就有可能導致信號波長和結構的物理參數發生變化，從而使電路出現自激、諧波抑制不好，波形失真、信號功率下降等現象。這里設計的倍頻器是一種對環境阻抗很敏感的器件。由于一般從電路設計上，都希望用盡量少的器件來實現功能。本電路輸出級元件少到只有LC諧振回路，因此一方面符合最小化設計要求，另一方面，輸出級又很容易受到負載的牽引而使倍頻效率降低。對此，可以通過ADS軟件實驗來分析這個現象。表２給出了兩例５次諧波的功率值。實際上，針對倍頻器的特點可以對這些“失配”提出一套切實可行的“修正”辦法。當然，合理正確的仿真是能夠快速有效實現修正的先決條件。

　　倍頻器的輸入級一般是放大器或者放大器加衰減網絡，故前級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，修正倍頻器輸入端的環境阻抗比較困難，對此，可以把主要矛盾放到輸出級去。因為兩端口器件的S參數不僅和本級有關，還和輸出級的匹配情況有關，在失配不是很嚴重的情況下，可以通過改善輸出級的匹配來同時修正兩個端口的匹配。為了實現倍頻器的倍頻功能，可以在輸出端加帶通濾波器以選出所需要的諧波信號。而設計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附近還有一個通帶，這種情況很少見），因此可以在實際電路調試中把倍頻器輸出級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，而換用電感來抵償濾波器端口的容性效應。筆者在實際調試中嘗試過兩種替代方法，而且都取得了很好的效果：一種是用貼片電感，其優點是一致性好，適合批量加工。缺點是由于器件取值的離散性，因此在首次調試時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值；另一種是用漆包線的線繞線圈，特點是可以用鑷子進行連續的電感值調試，容易取到最優值，但這種方法的缺點是每件都需要手調，難于用在大規模的生產上。

　　表2 不同負載下5次諧波的功率值

　　筆者將C4換成線繞電感線圈后，實際調出的倍頻結果是5次諧波輸出功率大于軟件仿真得出的數值，即用線圈進行無間斷的電感值調協可以彌補倍頻電路中器件取值離散而難以得到最優倍頻結果的缺點，從而得到比軟件仿真還要好的諧波輸出功率。筆者的實際試驗結果是：四次諧波：5.5955dBm，五次諧波：6.559dBm，六次諧波：-1.226dBm。

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　　本文以一個具體的例子著重講述了如何利用現代射頻仿真工具ADS來優化倍頻器的設計過程，同時針對軟件仿真與實際電路的客觀差距提出了一套行之有效的解決方案，并通過實際驗證使理論仿真和實際實現得到了良好的吻合。實踐證明：通過對ADS軟件設計過程的優化，可以提高工程開發效率，因而在人力、時間的投入上有著明顯的優勢。