调频方法概述

加调制信号uΩ(t)=UΩm cosΩt后，总回路电容C∑为 (10-33) 相应的调频特性方程为
(10-34) 从上式知，调频特性取决于回路的总电容C∑，而 C∑可以看成一个等效的变容二极管，C∑随调制 电压uΩ(t)的变化规律不仅决定于变容二极管的结 电容Cj随调制电压uΩ(t)的变化规律，而且还与C1 和Cc的大小有关。变容二极管部分接入振荡回路， 中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但最 大频偏要减小。
相应的变容二极管结电容变化规律为
当调制信号电压uΩ(t)=0时，即为载波状态。此时 ur(t)=VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ
当调制信号电压uΩ(t)=UΩm cosΩt时，
(10-22)
代入式(10-22),并令m= UΩm /(UD+VQ)为电容调制度， 则可得 (10-23) 上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的 关系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电 压的关系由振荡回路决定。由图10-2可得，振荡 器振荡回路的等效电路，如图10-4(a)所示。
调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和 电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体 磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件 有二极管和场效应管。 2．控制振荡器的工作状态实现调频 在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振 荡器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反 射极电压。因此，只需将调制信号加至反射极即 可实现调频。 若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制 信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振 荡频率。
3. 电路分析 设调制信号为uΩ(t)=UΩm cosΩt，加在二极管上的反向直流 偏压为 VQ，VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器 的振荡频率等于要求的载波频率，同时还应保证在调制 信号uΩ (t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压下 工作。加在变容二极管上的控制电压为 ur (t)= VQ+UΩm cosΩt
因此，调频可以通过调相间接实现。通常将这样 的调频方式称为间接调频，其原理方框图如图 10-1所示。这样的调频方式采用频率稳定度很高 的振荡器(例如石英晶体振荡器)作为载波振荡器， 然后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心 频率稳定度很高。
图10-1 间接调频原理方框图
§10.4 变容二极管直接调频电路 10.4.1. 变容二极管调频电路 1．变容二极管的特性 变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变 而变化的原理设计的。在加反向偏压时，变容二 管呈现一个较大的结电容。这个结电容的大小能 灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极 管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回 路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明 显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达 到调频的目的。
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2)变容二极管部分接入振荡回路 变容二极管的结电容作为回路总电容的调频电路 的中心频率稳定度较差，这是因为中心频率fc决 定于变容二极管结电容的稳定性。当温度变化或 反向偏压VQ不稳时，会引起结电容的变化,它又 会引起中心频率较大变化。为了减小中心频率不 稳,提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的 办法来改善性能。 变容二极管部分接入振荡回路的等效电路如图104(a)所示。变容二极管和Cc串联，再和C1并联， 构成振荡回路总电容C∑ (10-32)
10.3.1 直接调频原理 直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振 荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。 要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就 是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的 元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频 率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现 直接调频。 1．改变振荡回路的元件参数实现调频 在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振 荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定 振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据 调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电 阻的数值就能实现调频。
若变容二极管的电容变化系数γ不等于2，设 uΩ(t)=UΩm cosΩt ，则 可以在 mcost=0 处展开成为泰勒级数，得 (10-26)
通常m<1，上列级数是收敛的。因此,可以忽略三 次方项以上的各项,则
从上式可知,对于变容二极管调频器,若使用的变容 二极管的变容系数γ≠2,则输出调频波会产生非线 性失真和中心频率偏移。其结果如下： (1). 调频波的最大角频率偏移 (10-27) (2). 调频波会产生二次谐波失真,二次谐波失真的 最大角频率偏移 (10-28) 调频波的二次谐波失真系数为 (10-29)
§10.3 调频方法的概述 因为频率调制不是频谱线性搬移过程，它的电路就不能采 用乘法器和线性滤波器来构成，而必须根据调频波的特 点，提出具体实现的方法。对于调频电路的性能指标， 一般有以下几方面的要求： 1．线性的调制特性。即已调波的瞬时频率变化与调制 信号成线性关系。 2．具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的 振荡频率偏移要大。 3. 最大频率偏移与调制信号频率无关。 4. 未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有 一定的频率稳定度。 5. 无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。 实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类。
(3)．调频波会产生中心频率偏移，其偏离值为 (10-30) 中心角频率的相对偏离值为 (10-31) 综上所述，若要调频的频偏大，就需增大m，这样 中心频率偏移量和非线性失真量也增大。 在某些应用中，要求的相对频偏较小，而所需要 的m也就较小。因此，这时即使γ不等于2，二次 谐波失真和中心频率偏移也不大。由此可见，在 相对频偏较小的情况下，对变容二极管γ值的要 求并不严格。
10.3.2 间接调频原理 调频波的数学表示式，在调制信号为uΩ(t)时，为 uFM(t)=Ucm cos[ωct+kf ] 可见调频波的相位偏移为kf ，与调制信号 uΩ(t)的积分成正比。 若将调制信号先通过积分器得 ，然后再通过 调相器进行调相，即可得到调制信号为 的 调相波，即 u(t)=Ucm cos[ωct+kP ]
式中，VQ=VccVB是加在变容二极管上的直流偏置 电压；uΩ(t)为调制信号电压。
图10-3 结电容随调制电压变化关系 图10-3(a)是变容二极管的结电容与反向电压ur的关 系曲线。由电路可知，加在变容二极管上的反向 电压为直流偏压VQ和调制电压uΩ(t)之和，若设 调制电压为单频余弦信号，即uΩ (t)=UΩmcosΩt则 反向电压为 ur (t)= VQ+UΩm cosΩt (10-21)
变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系。 其结电容Cj 与反向偏置电压ur之间有如下关系： (10-19) 式中，UD 为PN结的势垒电压，Cj0 为ur =0时的结 电容;γ为电容变化系数。 2．调频基本原理
图10-2 变容二极管调频电路
图10-2是变容二极管调频器的原理电路。图中虚线 左边是一个LC正弦波振荡器，右边是变容二极 管和它的偏置电路。其中Cc是藕合电容，ZL为 高频扼流圈，它对高频信号可视为开路。变容二 极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极 管上的反向电压为 ur =VccVB+uΩ(t)=VQ+uΩ(t) (10-20)
图10-4 振荡回路等效电路
1)变容二极管作为振荡回路的总电容 设C1未接入,Cc较大,即回路的总电容仅是变容二极 管的结电容,其等效回路如图10-4(b)所示。加在 变容二极管上的高频电压很小,可忽略其对变容 二极管电容量变化的影响,则瞬时振荡角频率为 (10-24) 因为未加调制信号时的载波频率 ,所以 （10-25） 根据调频的要求,当变容二极管的结电容作为回路 总电容时,实现线性调频的条件是容二极管的电 容变化系数γ=2。
如图10-3(b)所示。在ur (t)的控制下，结电容将随时间发生 变化，如图10-3(c)所示。结电容是振荡器振荡回路的一 部分，结电容随调制信号变化，回路总电容也随调制信 号变化，故振荡频率也将随调制信号变化。只要适当选 取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变 化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。