鉴频器

鉴频器简介

　　鉴频器是输出电压和输入信号频率相对应的电路。按用途可分为两类。第一类用于调频信号的解调。常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。

　　使输出电压和输入信号频率相对应的电路。按用途分为两类：一类用于调频信号的解调，常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。另一类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求低。斜率鉴频器的电路比较简单，但回路失谐时其谐振特性曲线不是直线，因而鉴频特性的线性较差。相位鉴频器鉴频特性的线性较好，鉴频灵敏度也较高。

鉴频器百科

　　鉴频器是输出电压和输入信号频率相对应的电路。按用途可分为两类。第一类用于调频信号的解调。常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。

　　使输出电压和输入信号频率相对应的电路。按用途分为两类：一类用于调频信号的解调，常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。另一类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求低。斜率鉴频器的电路比较简单，但回路失谐时其谐振特性曲线不是直线，因而鉴频特性的线性较差。相位鉴频器鉴频特性的线性较好，鉴频灵敏度也较高。

　　原理

　　实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频 -- 调幅调频变换型。这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。第二类是相移乘法鉴频型。这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号。因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频。第三类是脉冲均值型。这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相同的单极性等幅脉冲序列，然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值，这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。鉴频器是一种具有移相鉴频特性的的陶瓷滤波元件，主要用在电视机或录像机的伴音中频放大或解调电路中以及FM调频收音机的鉴频器电路中。它分为平衡型和微分型两种类型，前者用于同步鉴相器作平衡式鉴频解调，后者用于差分峰值鉴频器作差动微分式鉴频解调。德键调频音频窄带型JTCV10.7M系列贴片鉴频器，搭配多种IC应用于FM程序检验，转换频率为有用的音频信号。

　　调频波的特点是振幅保持不变，而瞬时频率随调制信号的大小线形变化，调制信号代表所要传送的信息，在分析或实验时，常以低频正弦波为代表。鉴频的目的就是从调频波中检出低频调制信号，即完成频率—电压的变换作用。能完成这种作用的电路被称为鉴频器。

　　调相波的解调电路，是从调相波中取出原调制信号，即输出电压与输入信号的瞬时相位偏移成正比，又称为鉴相器。对于调频波的解调电路来说，是从调频波中取出原调制信号，即输出电压与输入信号的瞬时频率偏移成正比，又称为鉴频器。

　　鉴相电路通常分为模拟电路型和数字电路型两大类。而在集成电路系统中，常用的电路有乘积型鉴相和门电路鉴相。鉴相器除了用于解调调相波外，还可构成移相鉴频电路。特别是在锁相环路中作为主要组成部分得到了广泛的应用。

　　分类

　　斜率鉴频器：其中，晶体管和LC回路实质上是一个调谐放大器，但回路的谐振频率f0与已调频信号的中心频率fc是失谐的。一旦已调频信号的瞬时频率发生变化，放大器就输出一个与之相对应的调幅-调频波。经二极管检波处理，即可在负载RL上得到与原调制信号变化规律相同的输出。斜率鉴频器的电路比较简单，但回路失谐时其谐振特性曲线不是直线，因而鉴频特性的线性较差。

　　相位鉴频器：初、次级回路均调谐在调频波的中心频率fc上，即f0=fc。电容 C0将初级电压u1耦合到次级线圈的中心抽头上，使加在检波二极管D1、D2上的电压分别为和鉴频器的输出电压u则是检波负载R4和 R3上的电压之差。初、次级的电压u1和u2之间的相位差随调频波的瞬时频率而变化。当瞬时频率f=fc时，u2比u1滞后90°，但|UD1|=|UD2|，这时，鉴频器输出为零。当f》fc时，u2滞后于u1的相角小于90°，|UD1|《|UD2|，鉴频器的输出大于零。当f《fc时，u2滞后于u1的相角小于90°，|UD1|》|UD2|），鉴频器的输出小于零。相位鉴频器鉴频特性的线性较好，鉴频灵敏度也较高。相位鉴频器包括两大部分：频相变换器与相位检波器。频相变换器是由电容耦合（CM）双调谐回路所组成，它的作用是将输入调频波V12的瞬时频率变化转化成Vab的相位变化。相位检波器又分成两部分：首先是在耦合回路的次极进行电压的矢量迭加，将Vab相对于V12的相差的变化转化成合成电压VD幅值的变化，这就把调频波瞬时频率的变化进一步转化成VD的包络变化，而后通过两个包络检波器，采用差动输出取出低频调制信号V0。

　　陶瓷鉴频器

　　是一种具有移相鉴频特性的陶瓷滤波元件，主要用在电视机或录像机的伴音中频放大或解调电路中以及FM调频收音机的鉴频器电路中。它分为平衡型和微分型两种类型，前者用于同步鉴相器作平衡式鉴频解调，后者用于差分峰值鉴频器作差动微分式鉴频解调。陶瓷鉴频器的文字符号和电路图形符号与陶瓷滤波器同。用于电视机或录像机中的陶瓷鉴频器有JT4.5MD、JT5.5MB、JT6.0MB、JT6.5MD、JT6.5MB2、CDA6.5MC、CDA6.5MD等型号。用于FM调整收音机中的陶瓷鉴频器有JT10.7MG3等型号。

　　一种微波鉴频器的设计

　　一、引言

　　根据一种雷达微波锁相本振的需要，本文作者研制了一个X波段的微波鉴频器。这个鉴频器的研制早在1989年就已完成，于1991年投入小批量生产。它的鉴频特性好，性能稳定可靠，在生产过程中已经表现出良好的社会效益和经济效益。

　　二、鉴频器的工作原理

　　鉴频器电路的工作是基于将信号频率变化转换成幅度变化的原理。它可以用图1的示意图来表示。

　　图1 鉴频器的原理示意图

　　从原理图1的信号关系可以得出：

　　在第二个3dB耦合器的两个输出端口的输出功率分别为P1和P2，其输出功率的比为

　　式中，φ是由于引入延迟线Δλ后比另一条基准路径附加的相位移。

　　因为 ，（3）式可改写成

　　将线内波长代入（4）式，可以得到

　　式中，

　　——自由空间中电磁波的传播速度；

　　——输入射频信号的频率。

　　ξr——介质基片的相对介电常数；

　　由（5）式可以看出，输出功率的比是输入射频信号的频率和延迟线长度的函数，即输出信号的幅度随输入信号的频率而变化。延迟线鉴频器就是利用这种变化关系来构成的。

　　鉴频器的射频信号经过两条路径的电长度相差延迟线Δλ。经过两检波器检波得到的视频信号同时送到视频放大器中相迭加。其输出的视频输出信号就是我们所要求的鉴频器输出信号。随着射频输入信号的频率的变化，这个鉴频器的输出信号的幅度应该是线性变化的，即对应于输出信号的某一幅度值只能有一个频率，它是单值的。如果将鉴频器的输出信号幅度在示波器屏上显示出来，它就应该是一条直线，确切一点说，应是一条很接近直线的轨迹。

　　延迟线Δλ的值由下式确定，

　　而

　　式中，

　　 ——工作频带的中心工作频率；

　　 ——要求的最大带宽。

　　式中的n的值可以适当选取，它可为1、3、5、7、9等等。但是n值的大小会影响可使用频带的宽度。n值选得大了，鉴频器输出视频信号随频率变化就呈现多个周期，n值选得越大，周期就越多，能够作为鉴频器特性使用的线性范围就越小。相反地，n值选得小，这个频率范围就大些。当然，这个频率范围大了又很难匹配好，鉴频器的鉴频曲线的线性就会变差。所以要根据使用要求适当的选取n的值。既要满足线性要求，又要能达到要求的频率范围。

　　三、鉴频器的设计和制作

　　实际制作的鉴频器电路由两个3dB90°耦合器、一条延迟线段和两个检波器组成，鉴频器的微波部分示于图2中。

　　图2 鉴频器的微波电路片

　　在鉴频器的设计过程中，我们注意到影响鉴频器的鉴频特性的关键部件是检波器，对它的匹配要求很高。两个检波器的输入电压驻波比，以及检波的幅度特性在同频率点都要很接近。就是说其一致性要很好。检波器前面的两个3dB90°耦合器要求具有较好的隔离。尤其是处在射频信号输入端的那一个定向耦合器更需要具有好的隔离。

　　这里所介绍的鉴频器中，除了上述的两个3dB90°耦合器外，两个检波器中也各有一个这种耦合器，也就是说总共有四个耦合器。为了方便和制作工艺的简单易于实现，采用了四个相同的耦合器。

　　本文作者曾经在《微波》上发表的文章《三公分带线宽带镜象抑制平衡混频器》中所描述的三分支线定向耦合器正好也适合我们的上述要求。在我所设计制作的X波段雷达微波锁相本振用的微波鉴频器要求的频率范围内，这种三分支线定向耦合器可以做到20dB以上的隔离和1.2的电压驻波比。因此，我们将这种3dB90°三分支线定向耦合器用在当前要设计的鉴频器中了。

　　对于检波器要求输入电压驻波比较好，要力求避免射频信号及其电路中产生的谐波的多重反射。这种多重反射会严重地影响检波器的驻波特性及其输出频率响应的平坦性。由三分支线定向耦合器、两个肖特基势垒检波二极管及其后面的低通滤波器构成的检波器是一种性能较好的平衡检波器。肖特基势垒检波二极管后面的低通滤波器在这里是设计来足以将射频信号及其谐波旁路掉，不让其反射回去形成多重反射，使检波器的检波特性得以保证。

　　鉴频器的鉴频频率范围由延迟线Δλ的长度来确定。这个延迟线是50欧姆阻抗线，它只是比另一路径长了这么一个长度而已。

　　整个鉴频器电路是印制在一块RT/Duroid 5880 基片材料上。印制电路的重复性很好，鉴频特性比较一致。一对特性较一致的肖特基势垒检波二极管锡焊在三分支线定向耦合器与低通滤波器之间的间隙处，鉴频特性基本上都能保证。只是在焊接时要尽可能将检波二极管所处的位置焊接在比较一致的地方。

　　由于采用的电路结构是对称印制带线的，检波二极管是埋在RT/Duroid 5880基片的孔内，所以电路结构相当稳定可靠。第一个三分支线定向耦合器和两个检波器的定向耦合器的隔离端口都是采用的固定的外接50欧姆负载。这三个50欧姆负载的驻波特性都在1.1左右，可以单独用网络分析仪检测。

　　鉴频器由于使用的肖特基势垒检波二极管的特性有些差别，鉴频器的鉴频特性曲线的斜率稍有不同。这可以通过调整后面所接视频放大器的增益来得到调整。批生产的鉴频器典型的测试鉴频特性曲线见图3。如图所示，该曲线呈现的最大鉴频频率误差小于±5MHz，在－55℃至＋70℃的温度范围内鉴频特性基本保持不变。

　　图3 鉴频器的测试鉴频特性曲线

　　四、结论

　　鉴频器经过小批量生产，已被证明其鉴频特性稳定可靠。全部电路印制在同一块基片上，保证了性能的复现性，使生产变得更容易了。

　　鉴频器的良好线性是基于微波集成技术的发展。全部电路印制在同一块基片上，保证了电路印制线的长度被严格的控制。除了我们所要求的延迟线Δλ外，没有其它多余的不便控制的线长度产生，消除了影响电压驻波比的不连续性。巧妙而适用的电路设计较好地控制了检波二极管产生的谐波反射，改善了检波器的驻波特性。采用了隔离足够好的三分支线定向耦合器，使全部电路处在同一平面上，大大简化了制作工艺。采用外接50欧姆负载，避开了内负载制作时不易准确控制的情况，这是为了得到较好的驻波特性。所有这些工作，使鉴频器的高性能得以实现。