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電子工学において、周波数逓倍器とは、入力周波数の倍数（高調波） となる周波数の出力信号を生成する電子回路のことである。
周波数逓倍器は、入力信号を歪ませて結果として入力信号の高調波を生成する非線形回路で構成されています。後続のバンドパスフィルタは、目的の高調波周波数を選択し、出力から不要な基本波やその他の高調波を除去します。[ 1 ]
周波数逓倍器は、周波数シンセサイザや通信回路でよく使用されます。低電力で安価なデバイスを使用して低周波信号を生成し、周波数逓倍器チェーンを使用してマイクロ波またはミリ波帯域の出力周波数を生成する方が経済的です。周波数変調などの一部の変調方式は、非線形歪みによる悪影響を受けずに動作しますが（振幅変調などの方式はそうではありません）。
周波数逓倍は非線形光学でも利用される。結晶における非線形歪みを利用して、レーザー光の高調波を生成することができる。
純粋な正弦波は単一の周波数fを持つ
正弦波を無歪み増幅器などの線形回路に入力すると、出力は依然として正弦波になります（ただし、位相シフトが生じる場合があります）。しかし、正弦波を非線形回路に入力すると、結果として生じる歪みによって高調波、つまり基本周波数fの整数倍nfの周波数成分が生成されます。歪んだ信号は、 fに関するフーリエ級数で表すことができます。
ゼロでないc k は生成された高調波を表します。フーリエ係数は基本周期Tにわたって積分することで得られます。
つまり、周波数逓倍器は、一連の高調波を生成する非線形電子部品と、そのうちの1つの高調波を出力に通過させ、他の高調波を遮断するバンドパスフィルタとを組み合わせることで構築できる。
変換効率の観点から、非線形回路は目的の高調波の係数を最大化し、他の高調波の係数を最小化する必要があります。そのため、変換関数はしばしば特別に選択されます。簡単な選択肢としては、偶関数を使用して偶数高調波を生成するか、奇関数を使用して奇数高調波を生成する方法があります。偶関数と奇関数#高調波を参照してください。たとえば、全波整流器は倍増器を作るのに適しています。3倍の乗算器を生成するには、元の信号を、ほぼ方形波を生成するように過駆動された増幅器に入力することができます。この信号は3次高調波が高く、フィルタリングすることで目的の3倍の結果を得ることができます。
YIG 乗算器は、任意の高調波を選択することが多いため、入力正弦波を近似インパルス列に変換するステートフル歪み回路を使用します。理想的な (ただし非現実的な) インパルス列は、無限の数の (弱い) 高調波を生成します。実際には、単安定回路によって生成されたインパルス列には、使用可能な高調波が多数あります。ステップ回復ダイオードを使用する YIG 乗算器は、たとえば、1 ～ 2 GHz の入力周波数を受け取り、最大 18 GHz の出力を生成することができます。[ 2 ]周波数乗算回路は、特定の高調波の変換効率を向上させるために、インパルスの幅を調整することがあります。
クリッピング回路。全波ブリッジ倍速回路。
高出力レベルでは、効率的な電力生成がより重要になります。線形A級アンプの効率はせいぜい25%です。プッシュプルB級アンプの効率はせいぜい50%です。根本的な問題は、増幅素子が電力を消費することです。スイッチングC級アンプは非線形ですが、理想的なスイッチは電力を消費しないため、50%以上の効率を実現できます。
巧妙な設計により、非線形C級増幅器を利得と周波数逓倍の両方に利用できる。
多数の有用な高調波を生成するには、ステップリカバリダイオードのような高速な非線形デバイスが必要です。
マイクロ波発生器は、ステップ回復ダイオードパルス発生器とそれに続く可変YIGフィルタを使用する場合があります。YIGフィルタは、磁場によって同調されるイットリウム鉄ガーネット球を備えています。ステップ回復ダイオードパルス発生器は、所望の出力周波数のサブハーモニックで駆動されます。次に、電磁石がYIGフィルタを同調して、所望のハーモニックを選択します。[ 3 ]
抵抗負荷型バラクタ。再生型バラクタ。ペンフィールド。
周波数逓倍器は周波数ミキサーと多くの共通点があり、両者には同じ非線形素子（クラスC動作のトランジスタやダイオードなど）が使用されています。送信回路では、多くの増幅素子（真空管やトランジスタ）が非線形に動作して高調波を発生させるため、出力側の同調回路を入力周波数の整数倍に調整することで、増幅段を逓倍器として使用できます。通常、非線形素子によって生成される電力（ゲイン）は高調波では急速に低下するため、ほとんどの周波数逓倍器は周波数を2倍または3倍にするだけであり、より高い係数での逓倍は、逓倍器と逓倍器をカスケード接続することで実現されます。
周波数逓倍器は、入力周波数の高調波に同調した回路を使用します。ダイオードなどの非線形素子を追加することで、高調波の生成を促進できます。高調波の電力は急速に減衰するため、通常、周波数逓倍器は入力周波数の小さな整数倍（2倍、3倍、または5倍）にのみ同調されます。最終周波数で適切な信号レベルを確保するために、通常は周波数逓倍器のチェーンに増幅器が挿入されます。
同調回路の帯域幅には制限があるため、基本周波数が大きく変化した場合（1パーセント以上など）、乗算段を調整する必要が生じる可能性があります。段数が多い場合は、この調整にかなりの時間がかかることがあります。
電界駆動型マイクロメカニカルカンチレバー共振器は、 MEMSにおいて最も基本的で広く研究されている構造の一つであり、高いQ値と狭帯域通過フィルタリング機能を提供できます。カンチレバー共振器の容量性トランスデューサの電圧-力伝達関数の固有の二乗非線形性は、周波数倍増効果を実現するために利用できます。[ 4 ] MEMSデバイスが提供する低損失特性（または同等に高いQ値）により、同じタスクに使用される半導体デバイスよりも、マイクロメカニカル周波数倍増器から改善された回路性能が期待できます。[ 5 ]
グラフェンベースのFETは、90%以上の変換効率で周波数倍増にも使用されています。[ 6 ] [ 7 ]
実際、すべての両極性トランジスタは周波数逓倍回路の設計に使用できます。[ 8 ]グラフェンは独自の特性により広い周波数範囲で動作できます。[ 9 ]
位相同期ループ（PLL）は、基準周波数を使用してその周波数の倍数を生成します。電圧制御発振器（VCO）は、まず目的の周波数倍数の範囲に大まかに同調されます。VCOからの信号は、周波数分周器を使用して乗数で分周されます。分周された信号と基準周波数は、位相比較器に入力されます。位相比較器の出力は、位相差に比例する電圧です。この電圧は、ローパスフィルタを通過して適切な電圧範囲に変換された後、VCOに入力され、周波数を調整します。この調整により、VCO信号の位相が基準信号の位相よりも遅れるほど周波数は増加し、遅れが減少する（または進む）ほど周波数は減少します。VCOは、目的の周波数倍数で安定します。このタイプのPLLは、周波数シンセサイザの一種です。
一部のPLLでは、基準周波数を位相比較器に入力する前に、整数倍で除算する場合もあります。これにより、基準周波数のN/M倍の周波数を合成することが可能になります。
これは、整数N周波数分周器の整数値を周期的に変更することで、整数部分と小数部分の両方を持つ乗算器として実現できます。このような乗算器は、その小数部分にちなんで分数Nシンセサイザと呼ばれます。 分数Nシンセサイザは、Nの値を小さくすることで優れた周波数分解能を実現する効果的な手段となり、基準周波数が低くNの整数値が大きい代替設計に比べて、位相ノイズが数万分の1に抑えられたループアーキテクチャを可能にします。また、基準周波数が高いため整定時間が短縮され、閉ループ帯域幅と開ループ帯域幅を広くすることができます。
デルタシグマシンセサイザは、分数NシンセサイザのプログラマブルN周波数分周器にランダム化処理を追加します。これは、整数N周波数分周器の周期的な変化によって生じるサイドバンドを縮小するために行われます。
