电容耦合相位鉴频器性能仿真分析

王红霞，郭月婷，宋子轩

（海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033）

鉴频是对调频信号的解调，在调频信号中，调制信号主要包含在瞬时频率中，因此，鉴频是从频率的变化量中取出调制信号。鉴频的思路[1-3]主要有三种：1）将频率的变化量转化成幅度的变化量再检波（斜率鉴频器）；2）通过非线性变换网络和低通滤波器实现鉴频（脉冲均值型鉴频器）；3）将频率的变化量转化成相位的变化量再鉴相（相位鉴频器）。前两种方法思路清晰，理论波形定性分析比较清晰明了，而相位鉴频器理论抽象且电路各节点的电压波形获得难度较大。辅助抽象理论理解的有效方式主要有虚拟可视化仿真，如对高频功率放大器[4-6]、振幅调制与解调[7-8]、二极管包络检波电路[9]、直接调频电路[10-11]、斜率鉴频器[12]、混频器[13-14]等的仿真研究较多，但对相位鉴频器的仿真，文献相对少很多。因此，结合电容耦合鉴频器的理论，对电容耦合相位鉴频器进行可视化的仿真、分析与研究。

1 电容耦合相位鉴频器原理

相位鉴频器电路有电感耦合相位鉴频器和电容耦合相位鉴频器。电容耦合相位鉴频器[3]初次级之间是由电容实现耦合的，因此，初次级之间的调整互不影响，比较容易调整。

电容耦合相位鉴频器的原理图如图1 所示。

图1 电容耦合相位鉴频器原理电路

初次级之间没有电感耦合（初次级回路电感L1和L2分别屏蔽起来或采用闭合磁路铁芯线圈）；初次级之间是由电容C4和C5耦合的。在理想情况下，假定初次级回路均调谐于中心频率。电容C4对高频短路，电容C5数值很小，其容抗远大于c、b两点之间的回路阻抗。

2 电容耦合相位鉴频器仿真

2.1 仿真电路

选用LTspice 软件[15-18]进行仿真电路。首先不考虑包络检波电路，建立初次级耦合回路电路模型，如图2 所示。

次级回路电压与输入回路电压之间的关系如图3所示。

图3 次级与初级回路电压波形

V12与Vcb是调幅调频波，图3 是局部放大图，V12与Vcb之间相位相差近似，说明了电容耦合电路两个电压之间的相位关系。

建立电容耦合相位鉴频器仿真电路如图4 所示。初级回路谐振频率与次级回路略有不同。为了获得最佳的电路参数与输入信号之间的匹配和比较好的输出信号，经过反复调试，设置输入信号和电路参数如图4 中所示。L1和L2构成初级谐振回路电感，L3和L4构成次级谐振回路电感；R4是初级并联谐振电路电阻，R5是次级回路并联谐振回路电阻。理论上初级、次级谐振回路参数应该相等，但经过实际调试后，次级的谐振电容略小，能获得较好的输出波形。

图4 电容耦合相位鉴频器仿真电路

设置输入信号：SFFM 是调频输入信号，其幅值Vcm=3 V，载波频率fc=3.462 8 MHz，调制度mf=30，调制信号频率F=1 kHz。

当输入为等幅的调频信号时，经次级耦合回路转换后的电压Va以及V01，Vb以及V02的波形如图5所示。

图5 输入Va和V01、Vb和V02波形

图5 中从上到下依次是转换后的波形Va、输出信号V01、转换后的波形Vb、输出信号V02，以及输出信号V01与V02的差值V01-V02，可知当输入等幅调频信号时，Va和Vb都是调幅调频波，V01和V02分别正比于Va和Vb的包络。

V01和V02均是交直流共存的信号，直流近似相等，交流幅值近似相等，相位相反，V01-V02是纯交流信号，且幅值是V01或V02的2 倍。

输出信号的频谱如图6 所示，V01的频谱为1 kHz（V02同V01），说明输出信号频率与调制信号频率一样，实现了调频信号的解调。

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图6 输出信号的频谱

图3、图5、图6，验证了电容耦合相位鉴频器能把输入的调频信号转换成调相信号，再转换成调幅调相信号，最后通过包络检波电路获得低频调制信号。

鉴频器输出调制信号是基本要求，鉴频器性能以及影响输出的因素也是研究讨论鉴频器的主要内容之一。

2.2 鉴频特性曲线

鉴频特性曲线是指鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移的关系，通常要求是线性关系。

在仿真电路中设置相应的参数，分析其鉴频特性曲线、鉴频跨导和鉴频频带宽度。

设置定值：中心频率fc=1.462 8 MHz，幅值Vcm=3 V，耦合电容C6=22 pF。

设置调制度mf为变量，当mf=[0,5,10,15,20,25,30]时，输出V01-V02的波形如图7 上面波形所示。当mf=[35,40,45,50,55,60,65,70]时，输 出V01-V02的波形如图7 下面波形所示。

图7 mf为变量V01-V02的波形

从图7 上面波形可知，输出信号所有的过零点重叠，说明输出信号频率相同；当mf等间隔变化时，幅值近似等间隔变化，说明输出信号幅值与mf之间有近似线性的关系。而且所有输出均无明显的失真。当调制度为0 时，幅度近似为0，调制度为30 时，幅度最大。从图7 下面波形可知，输出信号所有的过零点也重叠，说明输出信号频率相同，但幅值变化不大且有些图形近似重叠，说明当mf等间隔变化时，输出信号不是按等间隔变化或近似不变，说明输出信号幅值与mf之间不具有近似线性的关系。图7 上面波形是余弦或正弦波，图7 下面波形发生了明显的失真。

为了进一步观察明显的鉴频失真，设置mf=200，输出波形如图8 所示，是典型的鉴频失真波形。

图8 鉴频失真

表1 正峰值、负峰值与调制度

根据表1 和更多频偏对应的失真输出数据，在Matlab 中绘制V0=V01-V02与Δfm之间的关系曲线，如图9 所示。

图9 鉴频特性曲线

图9 是相位鉴频器的鉴频特性曲线，曲线过零点，但正峰值与负峰值数值不严格相等。鉴频跨导为，鉴频频带宽度为2Δfm=2mf×F=2×30×1 kHz=60 kHz。

2.3 电路参数对输出的影响

影响电路性能的元件有初次级回路的谐振电感电容电阻、信号源内阻、耦合电容以及峰值包络检波的电阻电容等。

1）耦合电容C6对输出的影响

当C6=15 pF，mf=[0,5,10,15,20,25,30]时，输出V01-V02的波形如图10 上面波形所示。

图10 C6为15 pF和29 pF时，V01-V02的波形

当C6=29 pF，mf=[0,5,10,15,20,25,30]时，输出V01-V02的波形如图10 下面波形所示。

图10 上面波形出现了明显的负峰失真，图10 下面正峰值明显大于负峰值。

为了选取合适的C6值，设置mf=20，C6为变量，获得如图11 的输出波形。

图11 C6为变量时，V01-V02的波形

图11 中，电容较小，幅值较小，幅值随电容增大而呈现增大趋势。C6为14 pF、17 pF、20 pF 时输出信号的负峰值大于正峰值，C6为23 pF，正负峰值近似相等，C6为26 pF、29 pF 时，输出信号略上移，正幅值略大于负峰值。经过反复对比，发现C6=22 pF，效果最好。

2）检波电阻对输出信号的影响

峰值包络检波电阻、电容取值不当，会产生相应的惰性失真和负峰切割失真。由于经过电容耦合转换的调幅调频波的调制度不易计算，且频率随时间变化，故峰值包络检波低通滤波器的电阻、电容值主要通过估算和反复调试获取。输出信号的直流是两个检波电路输出信号的差值消除的，因此文中只讨论惰性失真。设置电阻为变量，R1(R2)=[2,4,6,8,10] kΩ时，输出波形V01、V02和V01-V02，输出信号虽然没有惰性失真，但这个电阻影响了前面电路的波形，使得输出信号的直流量增加，且差值输出波形正负峰值明显不相等。

当设置电阻R1分别为2 kΩ和100 kΩ时，获得输出波形V01，如图12 所示，当R1=100 kΩ时，出现明显的惰性失真现象。V01波形的失真类似。

图12 检波电阻变化时V01的波形

3）并联谐振回路并联电阻对输出的影响

为了选取合适的并联电阻，设置mf=20，C=22 pF，并联电阻为变量，可获得不同的输出波形（图略）。

经过反复调试仿真分析，发现并联电阻影响输出信号幅值，但当电阻大于60 kΩ以后，幅值近似不变，因此并联电阻取60 kΩ。

同样，可考虑其他参数对输出的影响，文中略。

3 结论

该文简要介绍了电容耦合相位鉴频器的原理电路和理论分析。使用软件建立电路模型，分析测试了电路关键节点的波形，与理论一致。演示了电路鉴频特性曲线的获取方法，分别以耦合电容、谐振回路电阻和检波电阻为例演示了电路参数对电路输出波形的影响。通过参数扫描方式，分析研究了电路参数对输出信号的影响、性能更优的参数配置以及获得不失真信号的电路调试方法等。对电容耦合相位鉴频器的建模仿真，是一种具有深入研究电路性能、调试电路的挑战性的研究学习方法。