倍頻器

概述

倍頻器原理圖

倍頻器有晶體管倍頻器、變容二極管倍頻器、階躍恢複二極管倍頻器等。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産生的大量諧波使輸出信号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複雜，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後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産生六次倍頻，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。

變容二極管

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濾波器隻容頻率為f1的輸入信号在左邊回路産生電流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，因而隻有頻率為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。

階躍恢複

具有陡變電容特性的階躍恢複二極管在激勵電壓作用下工作于導通和階躍兩種狀态，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。階躍恢複二極管倍頻器适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産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，對輸入信号進行非線性變換時不會消耗能量，因此，參量倍頻器可以将輸入信号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産生的全部無用分量。它的實際轉換效率小于1，且随着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号作用下産生的集電極電流脈沖，其各次諧波電流的幅度總是随着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。三極管倍頻器隻能實現低倍頻次數（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，可以将幾級倍頻器串接，組成倍頻鍊接。

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将晶體振蕩器産生的較低振蕩頻率倍增到所需的載波頻率，或者将間接調頻器産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産生出衆多頻率的穩定振蕩信号。随着數字信号處理技術的發展，倍頻功能可在數字信号處理器中用軟件實現。

階躍二極管倍頻器

采用由階躍恢複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。階躍恢複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。在輸入信号作用下，正向導通時二極管儲存着的大量電荷，在轉入反向電壓時将迅速洩放，形成很大的反向沖擊電流，産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。

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内導通，其集電極電流為一含有輸入信号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。為使輸出信号幅度足夠大，這種倍頻器的倍頻次數較低，一般n=3～5。n增大輸出幅度将顯著減小。這種倍頻器的優點是具有一定功率增益。