王凌云，徐輕塵，宋 亮

（1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

基于三極管的倍頻器研究

王凌云1，2，徐輕塵1，宋 亮1

（1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

三極管倍頻器是根據(jù)晶體三極管的非線性特性，得到輸入信號的各次諧波，然后通過帶通濾波器選出所需要的頻率，從而實(shí)現(xiàn)輸入信號的倍頻。文中詳細(xì)闡述了三極管倍頻電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對10 MHz輸入信號的四倍頻，通過電路測試，結(jié)果證明輸出信號的相噪沒有明顯惡化，在1 MHz帶寬內(nèi)相噪優(yōu)于-80.87 dBc/Hz，在100 kHz內(nèi)雜散抑制可達(dá)-79.54 dBc/Hz，滿足設(shè)計(jì)需求。

三極管；倍頻；非線性特性；相位噪聲

倍頻器在通信、雷達(dá)和頻率合成等技術(shù)中有很廣泛的應(yīng)用，它的主要作用是提供高穩(wěn)定度的振蕩源。早期的倍頻器是由非線性變阻二極管實(shí)現(xiàn)，后來出現(xiàn)了變?nèi)荻O管、階躍管和雙極晶體管（或場效應(yīng)管）倍頻器[1-2]。其中，二極管倍頻器和三極管（或場效應(yīng)器件）倍頻器比較常用。一般情況下，當(dāng)倍頻次數(shù)較低時(shí)，可以用變?nèi)莨?、晶體三極管、場效應(yīng)管等方法來實(shí)現(xiàn)。其中，變?nèi)莨鼙额l電路簡單、成本低，容易調(diào)整實(shí)現(xiàn)，但效率比較低；場效應(yīng)管倍頻電路較復(fù)雜，但電路穩(wěn)定，倍頻效率高且有增益。

文中利用相對簡單的三極管倍頻和窄帶濾波技術(shù)將頻率為10 MHz的高穩(wěn)晶振信號倍頻輸出40 MHz相干時(shí)鐘信號，在實(shí)現(xiàn)頻率4倍頻的情況下，輸出信號的穩(wěn)定度和相噪特性沒有明顯惡化，可應(yīng)用于雷達(dá)接收機(jī)或無線電收發(fā)機(jī)的相干采樣、頻率合成等方面。文中詳細(xì)敘述了三極管倍頻器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法，并通過實(shí)驗(yàn)測試了其性能指標(biāo)，滿足相干采樣時(shí)鐘的使用要求。

1 工作原理

信號倍頻的實(shí)現(xiàn)依賴于非線性電路，因?yàn)橹挥蟹蔷€性電路才能產(chǎn)生新的頻率分量[3]，線性電路不會有新的頻率分量產(chǎn)生。這種電路的非線性現(xiàn)象有電阻非線性和電抗非線性兩種，都有很廣泛的應(yīng)用。倍頻器的實(shí)現(xiàn)方法很多，主要有二極管、晶體三極管、場效應(yīng)管和變?nèi)荻O管等幾種方式[4]，考慮到低倍頻情況下，三極管倍頻器電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)，且單向性、隔離性好，有增益的優(yōu)點(diǎn)，采用晶體三極管來實(shí)現(xiàn)倍頻，其伏安特性可以用（1）式的非線性函數(shù)來表示。

式中ube為三極管的輸入電壓。一般ube=UQ+u1+u2，UQ為器件的靜態(tài)工作點(diǎn)，u1和u2為輸入電壓。只考慮單一頻率輸入的情況，令u1=U1cosω1t，u2=0，結(jié)合三角公式，上式可表示為：

通過以上分析，可知當(dāng)頻率為ω1的信號作用于三極管時(shí)，在輸出端可以得到輸入信號頻率的基波分量和各次諧波分量 nω1（n=2，3，…）。利用三極管非線性區(qū)的特性[5-6]，可以用來做信號的倍頻，通過帶通濾波器，就可選出需要的倍頻信號。電路原理圖如圖1所示。

圖1 三極管倍頻器的原理圖

2 三極管倍頻電路設(shè)計(jì)

在不同的直流偏置狀態(tài)下，晶體管有放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)3種不同的工作狀態(tài)[7-9]，本文將三極管的直流工作點(diǎn)偏置在飽和區(qū)[10-13]。電阻R1、R2的值[14-15]的計(jì)算方法如下。

臨界飽和狀態(tài)下，集電極和基極電流仍然滿足IC=βIB，其中，β為與三極管有關(guān)的常數(shù)，這里取β=100。在實(shí)際工作中，臨界飽和條件可以表示為IB×β=IB和IC又可以分別表示為其中，Ubeon為發(fā)射結(jié)的導(dǎo)通電壓，Uceo為飽和壓降，對于硅管一般取 Ubeon=0．7 V，Uceo=0．3 V，Vcc=12 V。本設(shè)計(jì)中選用的三極管型號為2SC2407，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 2SC2407三極管的參數(shù)

為使晶體管達(dá)到深度飽和狀態(tài)，實(shí)際值要大于上述計(jì)算值。圖1中，電容C1、C2是耦合電容，取C1=0．1 μF，C2=0．01 μF。 取 C3=100 μF，C4=0．1 μF，L1=100 μH。 R1=1 kΩ，R2=100 kΩ。

3 窄帶濾波器電路

為了得到純凈的單一頻率輸出，需在輸出端加帶通濾波器[16]，要求中心頻率為40 MHz，帶寬為2 M～3 MHz，帶外抑制要大于70 dB。用ADS軟件設(shè)計(jì)了五階LC無源濾波器。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

4.1 輸入信號測試

輸入信號是恒溫晶振（HJ5442M-5）產(chǎn)生的頻率為10 MHz的信號，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 輸入信號相噪和雜散測試結(jié)果

4.2 倍頻電路輸出信號測試

將10 MHz的信號輸入倍頻電路，測試三極管的輸出信號，并測試了40 MHz和80 MHz兩個(gè)倍頻信號的相位噪聲和雜散，測試結(jié)果如圖3所示，并將以上測試結(jié)果總結(jié)見表2。

從表2和表3可以看出，和10MHz輸入信號相比，40 MHz輸出信號的相噪沒有明顯惡化，在100 kHz內(nèi)雜散抑制可達(dá)-79．54 dBc/Hz。而80 MHz信號的相噪惡化較為明顯，在100 kHz內(nèi)雜散抑制僅為-64．79 dBc/Hz，并且和40 MHz信號相比，雜散明顯增多。

4.3 濾波器輸出信號測試

將測試點(diǎn)定為濾波器的輸出，測試結(jié)果見圖4。

圖3 三極管輸出信號測試

表2 相噪測試結(jié)果

表3 雜散測試結(jié)果

圖4 濾波器輸出信號測試結(jié)果

比較濾波前后的兩張圖，圖3和圖4，可以看出，中心頻率40 MHz的衰減為11.5 dB，30 MHz信號的衰減為84.53 dB，50 MHz信號的衰減為78.13 dB。測試結(jié)果證明該濾波器工作特性良好，能夠完成所需選頻任務(wù)，滿足實(shí)驗(yàn)需求。

5 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種相對簡單的三極管倍頻電路，根據(jù)三極管倍頻器的工作原理，介紹了三極管的偏置電路的設(shè)計(jì)，通過比較兩個(gè)不同頻率的相噪和雜散，證明三極管4倍頻的良好特性。經(jīng)過對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，結(jié)果表明40 MHz輸出信號的相噪沒有明顯惡化，在100 kHz內(nèi)雜散抑制可達(dá)-79.54 dBc/Hz，滿足采樣時(shí)鐘的要求，可以應(yīng)用于雷達(dá)接收機(jī)或無線電接收機(jī)。三極管倍頻器具有倍頻效率高，穩(wěn)定性好，電路簡單，成本低，容易調(diào)整實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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The research of frequency multiplier based on transistor

WANG Ling-yun1，2，XU Qing-chen1，SONG Liang1
（1.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

According to the nonlinear characteristic of the transistor，the input signal's harmonic can be obtained at the output，and then with bandpass filter to select the required frequency，the transistor frequency multiplier can be achieved.A design of frequency quadrupler by transistor is discussed detailedly in the article.The system is tested，the experimental results demonstrate that the phase noise is better than 80.87 dBc/Hz within1MHz bandwidth，and the spurious inhibition can reach 79.54 dBc/Hz within the 100 kHz，which meet the design requirements.

transistor； frequency multiplier； nonlinear characteristic； phase noise

TN771

A

1674－6236（2017）17-0078-03

2016-07-14稿件編號：201607106

王凌云（1991—），女，河北保定人，碩士研究生。研究方向：臨近空間環(huán)境探測。