مضاعف التردد

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

في مجال الإلكترونيات ، مضاعف التردد هو دائرة إلكترونية تولد إشارة خرج بتردد توافقي ( مضاعف ) لتردد الإدخال الخاص بها.

تتكون مضاعفات التردد من دائرة غير خطية تشوه إشارة الدخل، وبالتالي تولد توافقيات لها. يقوم مرشح تمرير النطاق اللاحق باختيار تردد التوافقي المطلوب، ويزيل التردد الأساسي غير المرغوب فيه والتوافقيات الأخرى من الخرج. [ 1 ]

تُستخدم مُضاعفات التردد بكثرة في مُركِّبات التردد ودوائر الاتصالات . قد يكون من الأجدى اقتصاديًا توليد إشارة بتردد منخفض باستخدام طاقة أقل وأجهزة أقل تكلفة، ثم استخدام سلسلة مُضاعفات التردد لتوليد تردد خرج في نطاق الموجات الميكروية أو المليمترية . بعض تقنيات التضمين، مثل تضمين التردد ، تتحمل التشوه غير الخطي دون أي تأثير سلبي (بينما لا تتحمله تقنيات أخرى مثل تضمين السعة ).

يُستخدم مضاعفة التردد أيضاً في البصريات غير الخطية . ويمكن استخدام التشوه غير الخطي في البلورات لتوليد توافقيات ضوء الليزر.

نظرية

الموجة الجيبية النقية لها تردد واحد f

x(ت)=أالخطيئة⁡(2πوت){\displaystyle x(t)=A\sin(2\pi ft)\,}

إذا طُبقت موجة جيبية على دائرة خطية ، مثل مضخم غير مشوه ، فإن الخرج يبقى موجة جيبية (لكنه قد يكتسب إزاحة طورية). أما إذا طُبقت موجة جيبية على دائرة غير خطية ، فإن التشوه الناتج يُولّد توافقيات ؛ وهي مركبات ترددية عند مضاعفات صحيحة للتردد الأساسي f . ويمكن وصف الإشارة المشوهة بمتسلسلة فورييه بدلالة f .

x(ت)=∑ك=-∞∞جكهـج2πكوت.{\displaystyle x(t)=\sum _{k=-\infty }^{\infty }c_{k}e^{j2\pi kft}.}

تمثل القيم غير الصفرية لـ c التوافقيات المتولدة. تُعطى معاملات فورييه بالتكامل على الفترة الأساسية T :

جك=1تي∫0تيx(ت)هـ-ج2πكت/تيدت{\displaystyle c_{k}={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}x(t)\,e^{-j2\pi kt/T}\,dt}

لذا يمكن بناء مضاعف التردد من مكون إلكتروني غير خطي يولد سلسلة من التوافقيات، متبوعًا بمرشح تمرير النطاق الذي يمرر أحد التوافقيات إلى المخرج ويحجب التوافقيات الأخرى.

من منظور كفاءة التحويل، يجب أن تُعظّم الدائرة غير الخطية معامل التوافقي المطلوب وتُقلّل معاملات التوافقيات الأخرى. ولذلك، غالبًا ما تُختار دالة النسخ بعناية. من الخيارات السهلة استخدام دالة زوجية لتوليد التوافقيات الزوجية أو دالة فردية لتوليد التوافقيات الفردية. انظر: الدوال الزوجية والفردية#التوافقيات . على سبيل المثال، يُعدّ مقوم الموجة الكاملة مناسبًا لصنع مُضاعِف. لإنتاج مُضاعِف بمقدار 3 أضعاف، يمكن إدخال الإشارة الأصلية إلى مُضخّم مُشغّل بشكل زائد لإنتاج موجة مربعة تقريبًا. تكون هذه الإشارة عالية في التوافقيات من الرتبة الثالثة، ويمكن ترشيحها لإنتاج النتيجة المطلوبة ×3.

غالبًا ما تتطلب مضاعفات YIG اختيار توافقية عشوائية، لذا فهي تستخدم دائرة تشويه ذات حالة لتحويل الموجة الجيبية المدخلة إلى سلسلة نبضات تقريبية . تولد سلسلة النبضات المثالية (وإن كانت غير عملية) عددًا لا نهائيًا من التوافقيات (الضعيفة). عمليًا، تحتوي سلسلة النبضات المولدة بواسطة دائرة أحادية الاستقرار على العديد من التوافقيات القابلة للاستخدام. على سبيل المثال، قد تأخذ مضاعفات YIG التي تستخدم ثنائيات استعادة الخطوة ترددًا مدخلًا يتراوح بين 1 و2  جيجاهرتز وتنتج مخرجات تصل إلى 18  جيجاهرتز. [ 2 ] في بعض الأحيان، تقوم دائرة مضاعف التردد بضبط عرض النبضات لتحسين كفاءة التحويل لتوافقية محددة.

الدوائر

الصمام الثنائي

دوائر قص الإشارة. مضاعف جسر الموجة الكاملة.

مكبر صوت ومضاعف من الفئة C

تزداد أهمية توليد الطاقة بكفاءة عند مستويات الطاقة العالية. تبلغ كفاءة مضخمات الفئة A الخطية 25% كحد أقصى، بينما تبلغ كفاءة مضخمات الفئة B ذات الدفع والسحب 50% كحد أقصى. تكمن المشكلة الأساسية في أن عنصر التضخيم يبدد الطاقة. أما مضخمات الفئة C التبديلية فهي غير خطية، ولكن يمكن أن تتجاوز كفاءتها 50% لأن المفتاح المثالي لا يبدد أي طاقة.

يمكن للتصميم الذكي استخدام مكبر الصوت غير الخطي من الفئة C لكل من الكسب ومضاعف التردد.

خطوات استعادة الصمام الثنائي

يتطلب توليد عدد كبير من التوافقيات المفيدة جهازًا غير خطي سريعًا، مثل ثنائي استعادة الخطوة .

قد تستخدم مولدات الموجات الميكروية مولد نبضات ثنائي استعادة الخطوة متبوعًا بمرشح YIG قابل للضبط . يحتوي مرشح YIG على كرة من غارنت حديد الإيتريوم يتم ضبطها بواسطة مجال مغناطيسي. يتم تشغيل مولد نبضات ثنائي استعادة الخطوة عند توافقية فرعية لتردد الخرج المطلوب. ثم يقوم مغناطيس كهربائي بضبط مرشح YIG لاختيار التوافقية المطلوبة. [ 3 ]

ثنائي فاراكتور

المكثفات المتغيرة المقاومة . المكثفات المتغيرة التجديدية. بنفيلد.

تتشابه مضاعفات التردد إلى حد كبير مع خلاطات التردد ، وتُستخدم بعض الأجهزة غير الخطية نفسها في كليهما: الترانزستورات العاملة في الفئة C والثنائيات . في دوائر الإرسال، تعمل العديد من أجهزة التضخيم ( الصمامات المفرغة أو الترانزستورات) بشكل غير خطي وتُنتج توافقيات، لذا يُمكن تحويل مرحلة التضخيم إلى مضاعف عن طريق ضبط دائرة الرنين عند الخرج على مُضاعف لتردد الدخل. عادةً ما تنخفض القدرة ( الكسب ) التي يُنتجها الجهاز غير الخطي بسرعة عند التوافقيات الأعلى، لذا فإن معظم مضاعفات التردد تُضاعف التردد أو تُثلثه، ويتم تحقيق الضرب بمعاملات أعلى عن طريق توصيل مراحل مضاعفة ومُثلثة على التوالي .

الاستخدامات السابقة

تستخدم مُضاعفات التردد دوائر مُضبوطة على توافقية لتردد الإدخال. ويمكن إضافة عناصر غير خطية، مثل الثنائيات، لتعزيز إنتاج التوافقيات. ونظرًا لانخفاض القدرة في التوافقيات بسرعة، يُضبط مُضاعف التردد عادةً على مُضاعف صغير فقط (ضعفين، أو ثلاثة أضعاف، أو خمسة أضعاف) لتردد الإدخال. وعادةً ما تُضاف مُضخّمات في سلسلة مُضاعفات التردد لضمان مستوى إشارة كافٍ عند التردد النهائي.

بما أن الدوائر المضبوطة لها نطاق ترددي محدود، فإذا تغير التردد الأساسي بشكل كبير (أكثر من واحد بالمائة تقريبًا)، فقد يتعين تعديل مراحل المضاعف؛ وهذا قد يستغرق وقتًا طويلاً إذا كان هناك العديد من المراحل.

مضاعف التردد الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS)

يُعدّ الرنان الكابولي الميكانيكي الدقيق المُشغّل بالمجال الكهربائي أحد أهمّ الهياكل وأكثرها دراسةً في أنظمة MEMS ، إذ يُوفّر عامل جودة عاليًا ووظيفة ترشيح نطاق ترددي ضيق. ويمكن استغلال اللاخطية التربيعية المتأصلة في دالة نقل الجهد إلى القوة لمحوّل الطاقة السعوي للرنان الكابولي لتحقيق تأثير مضاعفة التردد. [ 4 ] وبفضل خاصية الفقد المنخفض (أو ما يُعادلها، عامل الجودة العالي) التي تُوفّرها أجهزة MEMS، يُمكن توقّع أداء دائرة مُحسّن من مُضاعف التردد الميكانيكي الدقيق مُقارنةً بأجهزة أشباه الموصلات المُستخدمة لنفس الغرض. [ 5 ]

مضاعفات التردد القائمة على الجرافين

كما استُخدمت الترانزستورات ذات التأثير الحقلي القائمة على الجرافين لمضاعفة التردد بكفاءة تحويل تزيد عن 90%. [ 6 ] [ 7 ]

في الواقع، يمكن استخدام جميع الترانزستورات ثنائية القطبية في تصميم دوائر مضاعفة التردد. [ 8 ] ويمكن للجرافين العمل ضمن نطاق تردد واسع بفضل خصائصه الفريدة. [ 9 ]

حلقات قفل الطور مع مقسمات التردد

تستخدم حلقة الطور المقفلة (PLL) ترددًا مرجعيًا لتوليد مضاعف لهذا التردد. يُضبط مذبذب مُتحكم فيه بالجهد (VCO) مبدئيًا تقريبًا على نطاق مضاعف التردد المطلوب. تُقسّم إشارة المذبذب باستخدام مُقسّمات التردد بواسطة عامل الضرب. تُغذّى الإشارة المُقسّمة والتردد المرجعي إلى مُقارن الطور. يكون خرج مُقارن الطور جهدًا يتناسب مع فرق الطور. بعد مرور هذا الجهد عبر مُرشّح تمرير منخفض وتحويله إلى نطاق الجهد المناسب، يُغذّى إلى المذبذب لضبط التردد. يزيد هذا الضبط التردد كلما تأخر طور إشارة المذبذب عن طور الإشارة المرجعية، ويُقلّل التردد كلما قلّ التأخر (أو زاد التقدّم). يستقر المذبذب عند مضاعف التردد المطلوب. يُعد هذا النوع من حلقات الطور المقفلة نوعًا من مُركّبات التردد .

مُركِّب الصوت الجزئي N

في بعض دوائر PLL، قد يتم تقسيم التردد المرجعي على مضاعف صحيح قبل إدخاله إلى مقارن الطور. وهذا يسمح بتوليد ترددات تساوي N/M ضعف التردد المرجعي.

يمكن تحقيق ذلك بطريقة مختلفة عن طريق تغيير القيمة الصحيحة لمقسم التردد ذي N الصحيح بشكل دوري ، مما ينتج عنه فعليًا مضاعف ذو مكون صحيح وكسري. يُسمى هذا المضاعف مُركِّب التردد الكسري N نسبةً إلى مكونه الكسري. توفر مُركِّبات التردد الكسري N وسيلة فعالة لتحقيق دقة تردد عالية بقيم N منخفضة، مما يسمح بتصميمات حلقات ذات ضوضاء طور أقل بعشرات آلاف المرات من التصاميم البديلة ذات ترددات مرجعية أقل وقيم N صحيحة أعلى. كما أنها تسمح بوقت استقرار أسرع نظرًا لتردداتها المرجعية الأعلى، مما يتيح نطاقات تردد أوسع للحلقات المغلقة والمفتوحة.

مُركِّب دلتا سيجما

يُضيف مُركِّب دلتا سيجما عنصرًا عشوائيًا إلى مُقسِّم التردد القابل للبرمجة ذي N الخاص بمُركِّب كسري ذي N. ويتم ذلك لتقليص النطاقات الجانبية الناتجة عن التغييرات الدورية لمُقسِّم التردد الصحيح ذي N.

مراجع PLL

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ شيفر، دانيال (2019). "تصميم وتحليل شبكة قيادة مضاعف التردد باستخدام ترانزستور ثنائي القطب عالي التردد" (ملف PDF) . PDXScholar (رسالة ماجستير). جامعة ولاية بورتلاند . تاريخ الاسترجاع: 27 يناير 2026 .
  2. ↑ على سبيل المثال، جهاز هيوليت باكارد القديم 83590A.
  3. ↑ وصف التقنية: مذبذبات YIG المضبوطة (ملف PDF) ، فريمونت، كاليفورنيا: مايكرو لامدا وايرلس، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 23 فبراير 2012 ، تم استرجاعه في 18 مايو 2012
  4. ↑ باسو، جويديب؛ بهاتاشاريا، تارون ك. (2013). "مضاعفات التردد القائمة على الكابولي في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة". مجلة أنظمة ومواد ذكية . 24 (2): 240-246 . arXiv : 1210.3491 . doi : 10.1177/1045389X12461695 . S2CID 1266952 . 
  5. ↑ جينغ وانغ؛ رين، ز.؛ نغوين، سي تي-سي. (2004). "رنان قرصي ميكانيكي دقيق اهتزازي ذاتي المحاذاة بتردد 1.156 جيجاهرتز". معاملات IEEE في الموجات فوق الصوتية، والمواد الكهروإجهادية، والتحكم في التردد . 51 (12): 1607-1628 . Bibcode : 2004ITUFF..51.1607W . doi : 10.1109/TUFFC.2004.1386679 . PMID 15690722. S2CID 9498440 .  
  6. ↑ وانغ، هان؛ نيزيتش، د.؛ كونغ، جينغ؛ بالاسيوس، ت. (2009). "مضاعفات تردد الجرافين" (ملف PDF) . رسائل أجهزة الإلكترونيات IEEE . 30 (5): 547-549 . Bibcode : 2009IEDL...30..547H . doi : 10.1109/LED.2009.2016443 . hdl : 1721.1/54736 . S2CID 9317247 . 
  7. ↑ وانغ، تشنشينغ؛ تشانغ، تشييونغ؛ شو، هويلونغ؛ دينغ، لي؛ وانغ، شنغ؛ بنغ، ليان ماو (2010). "مضاعف تردد عالي الأداء قائم على ترانزستور تأثير المجال الجرافيني ذي البوابة العلوية". رسائل الفيزياء التطبيقية . 96 (17): 173104. Bibcode : 2010ApPhL..96q3104W . doi : 10.1063/1.3413959 .
  8. ^ وانغ ، زينشينغ. ليانغ، شيبو. تشانغ، تشى يونغ؛ ليو، هونغ قانغ؛ تشونغ، هوا؛ أيها لين هوي؛ وانغ، شنغ. تشو، ويوي؛ ليو، جي؛ تشن يابين. تشانغ، جين؛ بنغ ، ليان ماو (2014). “تصنيع قابل للتطوير للترانزستورات ثنائية القطب ودوائر التردد الراديوي باستخدام مصفوفات أنابيب الكربون النانوية المحاذية” . مواد متقدمة . 26 (4): 645– 652. بيب كود : 2014AdM....26..645W . دوى : 10.1002/adma.201302793 . بميد 24458579 . S2CID 20376132 .  
  9. ↑ كبير، حسين محمد ديبو؛ صلاح الدين، إس إم (2017). "مضاعف تردد باستخدام ثلاثة ترانزستورات غرافين ثنائية القطب" . مجلة الإلكترونيات الدقيقة . 70 : 12-15 . doi : 10.1016/j.mejo.2017.10.002 . S2CID 31657795 .