7-4 混频与倍频
8光学混频
A3z A3 0, dA3z dz 0
考虑共线相位匹配条件 k k3 k1 k2 0
结合边界条件求解差频耦合波方程得到：
A1z A10cosh g z
2020/3/22
A2*z i g gA10sinh g z
29
图 3.3.4 绘出了这两个场振幅随 z 变化的特性。
由图可知，频率为2 的差频产生场与频率为 1 的信号
入射单色强光电场强度 E E0 cost
P E E 2
E0 cost E02 cos2 t
E0 cost
E02 2
( 1 cos 2t )
1 2
E02
E0
cos t
1 2
E02
cos
2t
基频成分
恒定电场
倍频成分
2020/3/22
3
入射两种不同频率的强光时
E1 E10 cos1t E2 E20 cos2t
2020/3/22
23
和频过程的三个频率的光子满足能量与动量守恒关系，因 此有：
3 1 2
k3 k1 k2
仍然从耦合波方程出发来计算频率为ω3的和频光的光强 随坐标 z 的变化。假定不考虑晶体的吸收，并且频率为 ω2的泵浦光光强足够大，以至
A2z A20
考虑共线相位匹配条件
k k3 k1 k2 0
P3
P
9 2 L2 02c4n4 n3
3
2
P
2
sin c2
kL
S
2
定义相干长度 Lc / k
当 L Lc 时，kLc / 2 / 2 ， 三倍频效率很快下降；
当 k 0 时，相位匹配，有最大的转换效率。
2020/3/22
实验七混频器的仿真设计
混频器电路旳主要技术指标 • 变频损耗 • 噪声系数 • 端口隔离度 • 驻波比 • 动态范围 • 三阶交调系数 • 镜频克制度 • 交调失真
电流在工作点用泰勒级数展开：
i f (E0 UL cosLt US cosSt)
f (E0 UL cosLt) f '(E0 UL cosLt)US cosSt
Байду номын сангаас
1 2!
f
''(E0
UL
cos Lt )(U S
cos St )2
…
定义二极管旳时变电导g(t)为
g
t
= di dv
= v=E0 +ULcosLt
i2 gnVs cos(nL s )t
i1 gnVs cos(nL s )t n
输出： i i2 i1 2gnVs cos 2i 1L s t
n为偶数旳高次谐波电流被完全抵消，只剩余奇次谐波电 流(n=2i+1)，所以电路本身抵消了二分之一高次谐波电流 分量。
3、镜像回收混频器 (a)给出了分支线电桥旳信号和本振输入端都放置了平行耦合 镜像带阻滤波器，在该处它们镜像开路。因为该处距二极管 约为λSg／4, 因而在两个二极管输入接点处镜像信号被短路到 地。(b) 在接近连接二极管端口处有一耦合微带线作带阻滤波 器，该滤波器由两段1/4镜频波长旳短线构成，一段终端开路， 另一段与主传播线平行，形成平行耦合微带线。位置要调整 到刚好使镜频和本振二次混频后旳中频和一次混频旳中频同 相叠加，可回收镜频能量，提升混频器性能。
倍频的名词解释
倍频的名词解释倍频（Harmonic Frequency）是指某个波的频率是另一个波频率的整数倍的现象。
在物理学和工程领域中，倍频是一个重要的概念，它涉及到波的传播和谐波现象。
本文将从物理学、工程学和音乐学三个角度，对倍频进行深入解释。
一、物理学视角在物理学中，倍频是指频率为f1的波与频率为f2的波之间存在整数倍的关系，即f1 = nf2，其中n为正整数。
这种关系的存在使得波能够相互干涉和产生共振现象。
比如，当一个弦上振动的波频率为f1时，如果在同一个弦上加上频率为2f1的波，这两个波之间就存在倍频关系，它们会相互加强，使得弦的振幅增大。
倍频关系在光学、声学、无线电通信等领域中都有重要应用。
二、工程学视角在工程学中，倍频是指信号在非线性系统中产生的现象。
当信号通过非线性元件如放大器、开关等时，它会在输出中产生具有频率是输入信号倍数关系的新频率成分。
这种现象被广泛应用于频率合成、混频、调制解调和功率放大等工程系统中。
例如，在无线电通信中使用的混频器就可以将不同频率的信号相混合，产生新的频率成分，并实现频率转换和信号处理。
三、音乐学视角在音乐学中，倍频是指乐音的谐波现象。
当乐器演奏时，除了主音、基音外，同时还有一系列倍频的谐波成分。
这些倍频谐波给乐器的音色和音质带来了不同的特色。
例如，对于吉他的弦振动来说，除了弦振动的基频外，还会有倍频的二次谐波、三次谐波等。
这些倍频谐波对乐曲的音质和共鸣起到了重要作用。
在音乐制作和音频处理中，倍频谐波的控制和调整也是非常重要的一环。
综上所述，倍频是一个具有广泛应用的重要概念，它涉及到物理学、工程学和音乐学等多个领域。
无论是在波的传播和干涉、非线性系统中的信号处理，还是在乐器的音色特色中，倍频都发挥着重要作用。
通过对倍频的深入解释和理解，我们可以更好地应用和控制倍频现象，提高系统性能和音乐品质。
因此，倍频在不同领域的应用和研究将会持续深入，对于科学技术和艺术的发展有着重要的推动作用。
倍频和分频,预分频和后分频
"分频"是说通过分频电路,将输入信号的频率进行降低后再输出.经过处理后,输出的信号频率如果是输入信号频率的1/2,叫2分频率;1/3,叫3分频;1/n,叫n分频;分频电路一般可以用数字电路来完成.2-4分频电路,可以用D或者JK触发器来实现.比如2分频原理就是让输入信号有两个脉冲时,输出端才出现一个脉冲,那么假如说输入信号为1000Hz,也就是输入信号每秒种有1000个脉冲,按照上面的原理,每2个输入脉冲才产生一个输出脉冲,那么输出信号就是500Hz,输出信号频率就变成了输入信号的1/2.如果要实现任意进制的分频,简单而且实用的电路是采用计数器电路.集成计数器芯片有74系列的74ls190、74ls191、74ls192等,以及40系列的CD4029等.实现n进制分频的原理是这样的:假如一个二进制计数器,如果计数到了5,那么4个输出端从高位到低位的状态是0101,按照8421码,这个输出就是5,我们可以将这4个输出端从高位到低位的第2、4个输出端的信号接到一个与门的输入端,按照与门的工作特性,只有当两个输入都为1时,输出才为1,而计数器计数到5时,也就是说计数的输入端信号有5个脉冲时,计数的输出端从高位到低位的第2、4个输出端的信号正好都为1,与门才输出1,除此之外的任何情况,与门的两个输入端都不可能同时为1,这就实现了5分频.与"分频"概念对应的还有"倍频".倍频就是使输出端信号频率为输入端信号频率的倍数,实现输出频率为输入频率2、3、4、n倍的电路,分别叫2倍频、3倍频、4倍频、n倍频电路.至于现实中电脑术语里提到的"分频"和"倍频",那是说的是CPU与总线、外设之间工作频率的关系.为什么会有分频、倍频这个说法,按照标准微机原理教科书的说法是，CPU的工作频率可以很高,但是有些外部设备如硬盘、软盘,按照现在技术手段,把他们的工作频率设计成到达CPU的工作频率是不可能的.也就是说,一般情况下,CPU的工作频率永远是高于外部设备的,为了协调CPU与外部设备的工作时序,就只有进行"分频"、"倍频"处理.__原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术也就应允而生。
一种W波段八倍频放大芯片的设计
设计应用技术ＤＯＩ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０２３．０５．０１３一种W波段八倍频放大芯片的设计傅琦，高显（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051）摘要：介绍了基于砷化镓（GaAs）伪形态高电子迁移率晶体管（pseudo-morphology High Electron Mobility Transistor，pHEMT）工艺，输出信号为W波段的八倍频放大芯片的设计方法。
通过合理划分电路方案，将倍频器方案设计为输入频率经过四倍频器在Q波段进行放大，最后通过二倍频输出W波段信号。
基于上述方案，设计了一款输入频率为10.8～11.5 GHz、输出频率为86.4～92 GHz的八倍频多功能芯片。
芯片通过探针台在片测试，在工作频带内七次谐波抑制均优于15 dBc，九次谐波抑制均优于20 dBc，输出功率大于0 dBm。
关键词：砷化镓（GaAs）；单片微波集成电路（MMIC）；八倍频；W波段Design of A W-Band Octave Amplifier ChipFU Qi, GAO Xian(The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051, China)Abstract: This paper introduces the design method of an octave amplifier chip with W-band output signal based on the pseudo-morphology High Electron Mobility Transistor (pHEMT) technology of GaAs. By reasonably dividing the circuit scheme, the frequency multiplier scheme is designed such that the input frequency is amplified in Q-band by quadrupler, and finally the W-band signal is output by frequency doubling. Based on the above scheme, an octave multifunctional chip with input frequency of 10.8～11.5 GHz and output frequency of 86.4～92 GHz is designed.The chip passed the probe station on-chip test, and the seventh harmonic suppression is better than 15 dBc, the ninth harmonic suppression is better than 20 dBc, and the output power is greater than 0 dBm.Keywords: GaAs; Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC); octave; W-band0 引 言随着人们对通信容量、频谱带宽、组件小型化等需求的日益提高，W波段收发组件、接收组件在星间通信、扫描成像、测损、车载雷达以及无人机探测等领域得到广泛应用[1-3]。
三阶非线性光学材料
光的受激散射, 光致透明, 多光子吸收...
材料的非线性极化
材料的非线性光学效应：
强光场或其它外加场的扰动 非线性极化引起材料光学性质的变化，
导致不同频率光波之间的能量耦合，
从而是入射光波的频率、振幅、偏振及传播方向发生改变。
材料由较弱光波电场E j引起的电极化强度Pi满足线性关系： Pi 0 ij E j
自散焦自聚焦25两种非线性吸收中间虚能级反饱和吸收多光子吸收激发态饱和吸收电子弛豫时间远大于激光脉宽26z扫描实验装臵平台小孔样品钛宝石可调谐激光器探测器1探测器2双通道功率计双凸镜步进马达控制器分光镜应用了材料自聚焦和自散焦以及非线性吸收的原理z扫描实验装臵成为了测量光学均匀材料非线性折射率n27z扫描测量的基本原理样品凸透镜激光源小孔28泵浦探测技术测量材料的三阶非线性性能29超快激光光谱学研究材料在超短脉冲激发后某些特性随时间变化的快慢
3） 由Pi3（ 辐射出的光波称为三次谐波。
又通过ω = ω – ω + ω的简并四波混频，得到频率仍然是ω的三阶极化 P(ω)(3)： 2 1 3 P 0 3 , , , E E
β
三阶非线性的应用与材料
一、研究背景
波长 转换器
信息存储
超连续光谱 产生
三次谐波产生
三阶 非线性光学
光限幅器
全光 网络开关
激光频率调谐
非线性材料种类
非线性材料
晶 体
半 导 体
有 机 物
高 聚 物
金 属 有 机 物
玻 璃
优良的非线性材料
具有一定的非线性系数 在工作波长具有较好的透明度 在工作波长具有较快的响应时间 具有较高的光损伤阈值 能制成具有足够尺寸、光学均匀的块状 物化性能稳定，易于进行各种加工
混频器、倍频器的研究
实验内容
注意事项
经带通虑波器取出所需信号。
现代电子技术实验
实验目的
混频器功能示意图
实验原理
实验内容
注意事项
混频器频谱图
现代电子技术实验
实验目的
实验原理
实验内容
注意事项
本振电路图
现代电子技术实验
实验内容
注意事项
再用示波器分别观察输入端（TP8）、输 出端（TP9）的已调幅波的载波的波形并测试其 周期。
现代电子技术实验
2、将TP10与TP7间的连接断开，连接 A、C两点，进行倍频测试。
实验目的
实验原理
在TP8加入fS =465KHZ，VPP=2V的正弦 信号，连接D、E两点，用示波器在TP9观察输 出，调节W2观察其对输出波形的影响，当馈 通调节至最小时测出输出信号的频率。 改变输入信号频率，观测电路输出有 何变化，对应纪录两组数据并得出相应结论。 在TP8加入fS =232.5KHZ，VPP=2V的 正弦信号，连接G，D端，用示波器在TP9观 察输出，改变输入信号的频率，观测输出波 形有何变化？并得出相应结论。
实验内容
注意事项
现代电子技术实验
注意事项：
实验目的
观测调幅波时，使波形稳定应注意以 下几点： 1、选择合适的扫描速度（观测调幅波 时，扫描速度应比较低，测载波频率时，扫 描速度应比较高）。 2、适当调整触发电平（Level旋钮）。
实验原理
实验内容
注意事项
3、调整释抑时间（ holdoff，如使用的 是数字示波器，在Mode/Coupling菜单下调 节）。
2
实验内容
倍频器、分频器、混频器、变频器、移相器
0617245基于多项式的记忆型数字基带预失真器刊,中/王勇//西安电子科技大学学报.2006,33(2).223226,286(D)一种五相混合式步进电动机驱动器的设计与实现(见0616924)1040振荡技术与振荡器、谐振回路0617246分布式振荡器相位噪声=Phase noi se in distributed os cillators 刊,英/C.J.White and A.Hajimir i//Electron ics Letters.2002,38(23).1453(E)0617247基于半速率锁相环的5Gb/s CMOS 单片时钟恢复电路刊,中/仇应华//固体电子学研究与进展.2006,26(1).7276(D)0617248C 波段微波低相位噪声介质振荡源刊,中/吴礼群//固体电子学研究与进展.2006,26(1).6063,68(D)0617249超宽带极窄脉冲设计与产生刊,中/樊孝明//现代雷达.2006,28(3).8790(G)超宽带(UWB)技术是以持续时间极短的脉冲作为传输载体进行数据通信的无线新技术。
基于BJT 雪崩特性,本文采用并行同时触发的工作方式,设计并产生了高重复速率的UWB 脉冲电路发生器,极大地减少了时延,缩短了上升时间,提高了脉冲的幅度,并从等效电路法的观点分析计算了脉冲的特性参数,理论结果与实测结果具有较好的一致性。
参50617250基于DSP 和DDS 技术的硅微谐振器智能驱动源设计刊,中/夏敦柱//测控技术.2006,25(4).8588(L)介绍了硅微静电梳状谐振器的静电驱动工作原理,重点提出了基于DSP 芯片和DDS 技术的智能驱动源系统设计框架。
详细分析了数字电路部分的接口技术和模拟电路部分中的微弱信号检测技术。
结合实验数据和扫频曲线,指出在不同真空度环境下谐振器的各种扫频方法。
参61070倍频器、分频器、混频器、变频器、移相器0617251采用准相位匹配LiNbO3波长变换器的1THz 多信道光学移频器=1THz multi channel optical frequency f q L N O3刊,英O T ,M L ,3(3)56()0617252混频器系统微分频率注入线性化技术=Diffrenece fre quecy inject ion linearisation technique for mixer systems 刊,英/M.Chongcheawchamnan,C.Y.Ng//Electron ics Letters.2002,38(23).1450(E)061725316GHz CMOS 4:1分频器刊,中/刘丽//固体电子学研究与进展.2006,26(1).6971,119(D)采用T SMC0.18m 标准CMOS 工艺实现了一种4:1分频器。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
V D1 T r2 T r1 uI uC V D4 V D3 T r2 uI
T r1 uC
1/ 2u c 1/ 2u c
V D2
V D2
uL
uL
二极管平衡混频器
二极管环行混频器
2. 三极管混频器 优点——具有较高的增益，广泛用于中短波超外差接收机及 测量仪器中。 分类——根据高频信号和本振信号的输入方式不同，分四种基 本电路形式如下：
收音机中三极管混频器
（2）电视机中混频电路
电视机中的混频电路
7-4-3 混频器主要技术指标
——混频器不同于电压放大器，其主要目的是较好地完成 混频功能，评价指标也不同 1. 混频电压增益 ——输出中频信号振幅UIm与输入高频信号振幅Ucm之比
U Im Au = U cm
2.选择性——混频器对干扰信号的抑制能力。一般对混频器的选 择性要求比较高。 3.失真与干扰 混频失真——如果混频器输出中频调幅信号包络与输入高频调幅 信号包络不同，则表示信号产生了失真。 干扰信号——在混频过程中，由于非线性器件的特性还会产生一 些除有用信号以外的干扰信号。
§7-4 混频与倍频
学习要点： 学习要点： •了解常用混频电路 •了解混频干扰与失真
混频与倍频
7-4-1 概述 7-4-2 混频器 7-4-3 混频器主要技术指标 7-4-4 混频干扰与失真 退出
——根据信号处理的要求将已调波的载频降低或升高,但调制规 律不变。
7-3-1 概述
——之所以要变频，主要是根据接收设计的需要 1．如早期接收机采用“直放式接收机”，它的框图如下所示。
(1)减小输入混频器的信号振幅： 提高接收机天线回路及高频放大器的滤波性能，并且适当 降低电压增益。例如在调试调幅收音机时往往要降低收音 机混频级的电压增益，以保证较好的混频效果。对某些主 要的干扰，可用专门滤波电路如下图所示的电视接收机高 频头高通滤波器，其截止频率42.5MHZ。因电视V波段最 低频率为48.5MHZ，高通对电视信号传输无影响；但中频 为38MHZ，使高通有效地抑制来自天线的中频干扰。
高放
高放
检波
低放
缺点：对天线接收的高频调幅波直接进行放大。高放属“小信号 谐振放大器”。 （1）高增益宽频带是不易做到的（因高频分布参数的影响）。 （2）谐振放大器的谐振曲线是选频曲线，对不同频率信号的放 大量不同，使收音机接收到的声音忽大忽小，很不稳定。
2．目前接收机广泛采用“超外差技术” ——即设计一个本振信号fL，让fL总比外来的高频载波fC高出 一个固定的频率（称中频fI）。并保持中频信号是固定的 （fI=fL-fC）。超外差接收机框图
高放 混频 中放 检波 低放
本振
优点：将天线高频信号降低为中频信号（fI：不随接收信号而变 化，是固定的如：调幅—465kHz； 调频—10.7MHz； 电视图像—38MHz；电视伴音—31.5MHz。 使接收电路中高频放大器变成为中频放大器，放大器的 性能大大地提高。
3．混频器 ——完成由高频变成中频的电路（常与本振器合二为一，称 “变频器”） 混频器组成框图：
83pF 83pF
0.26μH 0.1ຫໍສະໝຸດ μH0.26μH 0.18μH
(2)合理选择与调整混频三极管的静态工作点 对于混频器来讲，合理地选择静态工作点是十分重要的。 根据二、三极管的转移特性曲线可知，将集电极电流选在 较低值时，这可使混频管主要工作于特性曲线的二次方区 域，以减小非线性高次方项干扰。一般IC=0.5～1mA，可 以减少哨声干扰及非线性失真。如在调试收音机时，若发 现干扰哨声，去调整混频器的集电极直流电流是有效的， 但这种措施对于削弱中频干扰及镜像干扰是无效的。 (3)采用平衡混频器和模拟乘法器混频器电路 平衡混频器和模拟乘法器混频器电路的抗干扰能力较强， 可有效地抑制各种干扰。另外，在混频器输出端与中放输 入端之间，有时还可采用专门的吸收回路，来抑制中频及 镜像干扰信号。
特点——优点：结构简单、噪声低、组合频率分量少等。用 于高质量的微波通信、雷达、测量等设备中 缺点：变频增益小于1。 二极管混频电路如图：
VD uc uL
C
fI L
uo
uC——调幅波信号（载频fC） uL——等幅本振信号（频率fL）， 且 fL>fc。
改进型——单二极管混频器的混频干扰较大。 1）平衡混频器（两只二极管）：可抑制组合频率干扰 2）环行混频器（四只二极管）：进一步抵消输出电流 中的组合频率分量。 如图所示，VD1、VD2组成一个平衡混频器，VD3、VD4组成另 一个平衡混频器。
(2)寄生通道干扰：也称“副波通道干扰”。由于接收机输入 端 选择性不够理想，有部分干扰信号进入混频器，它是外来 的干扰信号fn和本振信号fL作用产生的中频信号。若干扰信 号与本振信号作用产生频率等于中频fI，那么，中频放大器 对它是无法滤除的，直至检波输出在扬声器中发出干扰声 音。这类干扰，通常称之为寄生通道干扰。寄生通道干扰 中主要的是镜像干扰和中频干扰两种。 2. 非线性失真 ——非线性失真，如包络失真、强信号阻塞、交叉调制失真、 互调失真及倒易混频等。 3. 减小干扰及失真的措施 ——可采用两方面的措施来减小干扰和非线性失真
C L uI C L uI
uc uc
uL
uL
(a)
(b)
uc
uL
C
L
uI
C
L
uc
uI
uL
(c)
(d)
图中：ug——输入高频调幅波； uL——本振信号（为高频等幅振荡）； LC并联谐振回路——集电极负载（调谐于中频fI），其 作用是选出有用的中频信号 fI＝fL－fC，滤除其它频率分量。 3. 实用变频电路 （1）收音机混频与本振电路 V1等元件（上部）——构成混频器 V2等元件（下部）——构成本振
高频 uc 非线性 器件 本振 uL 本机振 荡器 选频电 路 中频 uI
uc——高频信号；uL——本振信号； 非线性器件——混频器，由二极管或三极管构成； 选频电路——频率变换后选出中频信号uI 。
7-4-2 混频器
分类——1）根据所用元件分：二极管混频器；三极管混频器； 场效应管混频器等； 2）电路结构及工作特点分：单管混频器；平衡混频 1. 二极管混频器 器；环形混频器等。
课后小结——见黑板
复习与提问： 复习与提问：1.检波原理 2.常用检波电路有哪些? 思考题： 思考题： 1.为什么在接收信号时要对接收信号进行变频（或混频）？ 2.什么叫超外差？画出超外差式接收机的组成框图。 3.混频器与变频器有何不同？ 4.二极管混频器与三极管混频器比较各自有何特点? 5.为什么说收音机混频级的静态工作点对收音机的收听效果 有影响？ 作业题： 作业题： P185 7-11 、12、13 、 预习： 预习：调频电路
4.噪声系数——由于混频器处于接收机的前端，混频自身内部产生 的噪声对无线电整机噪声系数影响较大，尤其是直 接混频式即无高放超外差接收机更是如此。希望混 频管的噪声系数愈小愈好。
7-4-4 混频干扰与失真
1. 组合频率干扰 分类——1）干扰哨声；2）寄生通道干扰 (1)干扰哨声：由于非线性作用，在混频器输出端除有用中频信 号外，还存在许多谐波及组合频率分量。经放大后再输入检 波电路。由于检波器的非线性作用，接近fI的组合频率分量 将与中频信号进行差拍检波而产生音频信号，最终在扬声器 中以“哨 叫声”的形式出现,称为干扰哨声。