倍頻器是使輸出信�(hào)頻率等于輸入信號(hào)頻率整數(shù)倍的電路。利用非線性電��(chǎn)生高次諧波或者利用頻率控制回路都可以�(gòu)成它。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(chēng)倍頻次數(shù)。它有很多種,包�晶體管倍頻�、變?nèi)?a href="http://www.3575.com.cn/1720.html" target="_blank">二極�倍頻器等�
倍頻器實(shí)�(zhì)上就是一種輸出信�(hào)等于輸入信號(hào)頻率整數(shù)倍的電路,常用的是二倍頻和三倍頻�。在手持移動(dòng)電話中倍頻器的主要作用是為了提升載波信�(hào)的頻�,使之工作于�(duì)�(yīng)的信�;同�(shí)�(jīng)倍頻處理后,�(diào)頻信�(hào)的頻偏也可成倍提�,即提高了調(diào)頻調(diào)制的靈敏�,這樣可降低對(duì)�(diào)制信�(hào)的放大要�。采作倍頻器的另一�(gè)好處是:可以使載波主振蕩器與高頻放大器隔離,減小高頻寄生耦合,有得于減少高頻自激�(xiàn)象的�(chǎn)�,提高整�(jī)工作�(wěn)定��
微波倍頻器是一種基本的微波電路。所謂倍頻� 是指能完成輸入信�(hào)頻率倍增功能的電子設(shè)�。原� 上,非線性器件都能實(shí)�(xiàn)倍頻,而利用半�(dǎo)體器件的 非線性實(shí)�(xiàn)的倍頻,即�(chēng)為固�(tài)倍頻�。當(dāng)用一�(gè)� 弦信�(hào)激�(lì)非線性器件時(shí),便�(huì)在基頻的諧波頻率� �(chǎn)生功�。倍頻電路的作用就是有效提取其中所需� 的諧波信�(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(lèi):一種是� 線性電阻倍頻。這類(lèi)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�(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�(chēng)為“參量倍頻”�
其一是利用PN �(jié)或金屬一半導(dǎo)體結(jié)電容的非線性變化得到輸入信�(hào)的諧�,經(jīng)濾波器選出需要的頻率.�?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�(yīng)做成的三極管倍頻器都是非線性電容構(gòu)成的倍頻�;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)�(xiàn)的倍頻�
目前,在頻率較低、倍頻次數(shù)不是很高的場(chǎng)�,人們常采用晶體管有源倍頻�(lái)�(shí)�(xiàn) 而在頻率較高�(shí)往往采用�?nèi)荻O管或是階躍恢�(fù)二極管等�(wú)源電路。隨著截� 頻率很高的各種場(chǎng)效應(yīng)管的出現(xiàn),人們對(duì)利用�(chǎng)效應(yīng)管的非線性來(lái)�(shí)�(xiàn)次數(shù)較低的倍頻電路表現(xiàn)出極大的興趣�
利用ADS射頻仿真軟件和嵌入法�(duì)倍頻器的�(huán)境阻�、有效激�(lì)電平�(jìn)行了研究,針�(duì)倍頻器輸出端外加�(fù)載后�(duì)倍頻效率�(chǎn)生的影響,提出了改�(jìn)方法并�(jìn)行了�(shí)際驗(yàn)��
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眾所周知,在用倍頻鏈實(shí)�(xiàn)高頻、高�(wěn)微波振蕩源的�(guò)程中,倍頻器倍頻效率的高低不僅對(duì)�(jiǎn)化電路和保持電路�(wěn)定性影響較�,而且�(duì)整�(gè)電路雜散、諧波的抑制都起著重要作用。傳�(tǒng)的設(shè)�(jì)�(guò)程需要復(fù)雜的理論推導(dǎo)、大量的試驗(yàn)�(yàn)�,或者依賴于�(jīng)�(yàn)�(jìn)行設(shè)�(jì)而在�(xiàn)�(shí)工程�(yīng)用中,有�(shí)卻需要一些特殊的倍頻�,如頻率不是很常用,倍頻次數(shù)又較�,采用外�(xié)加工,成本和�(shí)間都不劃算等。對(duì)于這些既沒(méi)有相�(guān)的工程設(shè)�(jì)�(jīng)�(yàn),又�(wú)法獲得倍頻三極管器件完整的物理參數(shù)的情�,探索一�(gè)能快速有效設(shè)�(jì)出高性能倍頻�(chǎn)品的方法就顯得十分有必要�。在ADS射頻仿真軟件的幫助下,以AT42086(三極管)5倍頻器(�114.8MHz倍到574MHz)為�,可以較完整地研究各種外圍條件對(duì)倍頻效率的影響�
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�(dāng)把倍頻器單�(dú)看成為嵌入式器件�(shí),在某�(gè)三極管的特定靜態(tài)工作�(diǎn)�,倍頻器兩端的輸入阻抗特�、輸入端的激�(lì)電平�(duì)倍頻效率都呈�(xiàn)出一種特殊的�(guī)律(比如�(shuō)倍頻器的激�(lì)電平并不是越高越�,有�(shí)高的激�(lì)電平反倒比低電平激�(lì)�(shí)�(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�(lì)電平是設(shè)�(jì)中面臨的�(guān)鍵問(wèn)�。鑒于這種情況,設(shè)�(jì)�(shí)可以充分利用�(xiàn)代射頻設(shè)�(jì)工具�(lái)�(jìn)行仿真以加快研發(fā)�(guò)程并�(shè)�(jì)出性能較好的倍頻�(chǎn)��
利用ADS仿真軟件中相�(yīng)的功能模塊SmZ1、SmZ1(注意:SmZ1、SmZ2模塊輸出的是共軛�,由于設(shè)�(jì)�(shí)�(yīng)該賦給倍頻電路真值以模擬真實(shí)�(huán)�,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�(huán)境阻抗問(wèn)�,對(duì)于倍頻的前�(jí)(比如放大電路),可以在軟件中先建立放大電路原理�,然后設(shè)置SmZ1模塊(測(cè)得輸出阻�,也就是倍頻器輸入的�(huán)境阻抗)并運(yùn)行仿真以得到�(jié)�。同�,還�(yīng)�(duì)倍頻的后�(jí)電路做類(lèi)似處理以得到倍頻輸出端的�(huán)境阻抗。這里所講的后級(jí)電路一般是指帶通濾波電�,對(duì)于大部分外購(gòu)的濾波器,其輸入、輸出端口都要求�50Ω匹配條件�,因此,可以�50Ω假設(shè)成倍頻器的輸出�(huán)境阻抗直接帶入倍頻電路�(jìn)行仿�。但這樣的問(wèn)題是:實(shí)際濾波器的濾波特性是�50Ω匹配的環(huán)境下�(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�(duì)帶通濾波器,其端口一般呈容�,而在�(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�,對(duì)其�(jìn)行端口的失配�(xiàn)象�(jìn)行補(bǔ)償�
利用嵌入法的�(shè)�(jì)思路是:把倍頻電路本身看成一功能單元,其工作�(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�,為了便于觀察激�(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�(huán)境阻抗)。倍頻電路可按照三極管倍頻�(jīng)典電路搭建。圖1所示是其倍頻仿真電路原理�。在圖1�,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�(guān)文獻(xiàn)�,也可以用ADS上的電路�(yōu)化功能,�(lái)讓軟件來(lái)選擇一組較為合適的取��
本設(shè)�(jì)是以兩端50Ω�(huán)境阻抗為例�(jìn)行的,若具體情況不是50Ω或含有虛�,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)��
在此雖然用的是很�(jiǎn)單的電路模型,但�,這并不影響利用ADS�(duì)倍頻特性�(jìn)行仿真�
?。场》抡�?shí)�(yàn)及結(jié)果驗(yàn)�
讓軟件�(jìn)行多次的仿真�(shí)�(yàn),可以使�(shè)�(jì)人員通過(guò)生成的實(shí)�(yàn)�(shù)�(jù)在很短時(shí)間內(nèi)找到合適的輸入激�(lì)電平。表1是筆者截取的一段數(shù)�(jù)。由于主要關(guān)心五次諧�,所�,為了便于觀�,將其制成表�,并將其鄰近的四、六次諧波也列了出來(lái)�
�1 不同激�(lì)電平�(shí)的諧波功率�
從諧波分析結(jié)果圖表上可清楚的看到:當(dāng)激�(lì)電平�17dBm的時(shí),三極管AT42086的倍頻效率是的(見(jiàn)圖2),�5.727dBm。而在其鄰近的其它電平激�(lì)下,倍頻后的5次諧波輸出都相�(duì)低一��
通過(guò)研究倍頻器的倍頻效率�(duì)激�(lì)電平的變化規(guī)�,可為確定輸入激�(lì)電平的大小提供依�(jù)。不僅如�,在�(jì)算整�(gè)電路系統(tǒng)電平分配�(shí),也可以把倍頻器件的有效激�(lì)電平作為基點(diǎn)�(lái)折算出其它器件的工作電平��
�(shí)際實(shí)�(xiàn)�(shí),作為射頻電�,即便原理上已經(jīng)�(shè)�(jì)的很好了,但由于電路工作頻率很高,實(shí)際電路板如果�(shè)�(jì)不好,就有可能導(dǎo)致信�(hào)波長(zhǎng)和結(jié)�(gòu)的物理參�(shù)�(fā)生變�,從而使電路出現(xiàn)自激、諧波抑制不�,波形失真、信�(hào)功率下降等現(xiàn)�。這里�(shè)�(jì)的倍頻器是一種對(duì)�(huán)境阻抗很敏感的器�。由于一般從電路�(shè)�(jì)上,都希望用盡量少的器件�(lái)�(shí)�(xiàn)功能。本電路輸出�(jí)元件少到只有LC諧振回路,因此一方面符合最小化�(shè)�(jì)要求,另一方面,輸出級(jí)又很容易受到�(fù)載的牽引而使倍頻效率降低。對(duì)�,可以通過(guò)ADS軟件�(shí)�(yàn)�(lái)分析這�(gè)�(xiàn)象。表2給出了兩例5次諧波的功率�。實(shí)際上,針�(duì)倍頻器的特點(diǎn)可以�(duì)這些“失配”提出一套切�(shí)可行的“修正”辦法。當(dāng)�,合理正確的仿真是能夠快速有效實(shí)�(xiàn)修正的先決條��
倍頻器的輸入�(jí)一般是放大器或者放大器加衰減網(wǎng)�(luò),故前級(jí)的輸出阻抗是不好確定的,可能是容�,也可能是感性。也就是�(shuō),修正倍頻器輸入端的環(huán)境阻抗比較困�,對(duì)�,可以把主要矛盾放到輸出�(jí)去。因?yàn)閮啥丝谄骷腟參�(shù)不僅和本�(jí)有關(guān),還和輸出級(jí)的匹配情況有�(guān),在失配不是�?chē)?yán)重的情況�,可以通過(guò)改善輸出�(jí)的匹配來(lái)同時(shí)修正兩�(gè)端口的匹配。為了實(shí)�(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)�(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�(gè)通帶,這種情況很少�(jiàn)�,因此可以在�(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�(yīng)。筆者在�(shí)際調(diào)試中嘗試�(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�,其�(yōu)�(diǎn)是一致性好,適合批量加�。缺�(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,而且也不容易取到值;另一種是用漆包線的線繞線圈,特點(diǎn)是可以用鑷子�(jìn)行連續(xù)的電感值調(diào)�,容易取到值,但這種方法的缺�(diǎn)是每件都需要手�(diào),難于用在大�(guī)模的生產(chǎn)��
�2 不同�(fù)載下5次諧波的功率�
筆者將C4換成線繞電感線圈�,實(shí)際調(diào)出的倍頻�(jié)果是5次諧波輸出功率大于軟件仿真得出的�(shù)�,即用線圈�(jìn)行無(wú)間斷的電感值調(diào)�(xié)可以彌補(bǔ)倍頻電路中器件取值離散而難以得到倍頻�(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�(shí)際試�(yàn)�(jié)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�(gè)具體的例子著重講述了如何利用�(xiàn)代射頻仿真工具ADS�(lái)�(yōu)化倍頻器的�(shè)�(jì)�(guò)�,同�(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)�(shí)際驗(yàn)證使理論仿真和實(shí)際實(shí)�(xiàn)得到了良好的吻合。實(shí)踐證明:通過(guò)�(duì)ADS軟件�(shè)�(jì)�(guò)程的�(yōu)�,可以提高工程開(kāi)�(fā)效率,因而在人力、時(shí)間的投入上有著明顯的�(yōu)�(shì)�
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