本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種倍頻器，具體說是利用復(fù)合左右手材料構(gòu)成零相移傳輸線單元代替原分布式倍頻器結(jié)構(gòu)中的二分之波長線，提高了倍頻器的輸出功率和帶寬。

背景技術(shù)：

隨著低頻帶資源的日益緊張，協(xié)議制定者以及生產(chǎn)商們逐漸將目光轉(zhuǎn)向了帶寬豐富的高頻段，而毫米波/太赫茲頻段更是匯聚了當(dāng)前世界尖端研究人員的目光。與此同時(shí)，集成電路工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，以及晶元加工周期的縮短，為硅基毫米波/太赫茲集成電路的實(shí)現(xiàn)提供了重要保證。

在片頻率發(fā)生器通常扮演著重要角色，作為最常用的頻率震蕩器，VCO允許一定范圍的頻率可控性，但是當(dāng)工作頻率提升到毫米波/太赫茲頻段的時(shí)候，由于晶體管本身性能會(huì)受到截止頻率的限制，VCO就很難直接提供符合要求的高頻率信號(hào)。

倍頻器是一種利用晶體管非線性特性，通過一定結(jié)構(gòu)，得到其高次諧波繼而可以得到相對(duì)較好的高頻率信號(hào)。這就在一定程度上降低了VCO設(shè)計(jì)中的難度，允許其通過犧牲震蕩頻率而提高諸如頻譜純度、可調(diào)范圍等特性。

復(fù)合左右手傳輸線，有兩種構(gòu)成方式，一種為諧振型，另一種為非諧振型。非諧振型的復(fù)合左右手傳輸線具有寬帶的特性，廣泛應(yīng)用于一些毫米波寬帶應(yīng)用中。通過復(fù)合右手傳輸線與左手傳輸線，可以構(gòu)成復(fù)合左右手傳輸線單元，在特定帶寬內(nèi)具有零相移特性，從而可以代替原有的二分之波長傳輸線，實(shí)現(xiàn)元器件的小型化。

分布式倍頻器具有帶寬寬、輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，而由于倍頻器每級(jí)之間需要用特定長度的傳輸線連接，往往會(huì)導(dǎo)致器件占地面積過大，所以如何降低分布式傳輸線的尺寸，并且保持高輸出功率以及寬帶等特性成為毫米波分布式倍頻器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明中以分布式倍頻器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過使用復(fù)合左右手傳輸線構(gòu)成的零相移單元代替通常情況下二分之波長傳輸線，考慮晶體管寄生效應(yīng)以及阻抗匹配等因素，調(diào)整零相移單元的具體參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高輸出功率、寬帶、小型化等特點(diǎn)。

本發(fā)明提供的倍頻器目的是提供一種具有較高輸出功率，且頻譜純度較高的二倍頻器，其中輸出的基頻信號(hào)不會(huì)具有比希望得到的二次諧波信號(hào)高得多。

本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供這樣一種倍頻器，其無需使用濾波和/或前饋抵消。然而，本發(fā)明在其他實(shí)施例中不必實(shí)現(xiàn)這些全部目的，其權(quán)利要求不應(yīng)局限于能夠?qū)崿F(xiàn)這些目的的結(jié)構(gòu)和方法。

本發(fā)明的特征在于作為一種倍頻器，用于產(chǎn)生具有2倍輸入信號(hào)的頻率的輸出信號(hào)。倍頻器本身為分布式結(jié)構(gòu)，將數(shù)量為N的晶體管與一定的電路元件構(gòu)成復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)傳輸線，進(jìn)而形成N級(jí)分布式倍頻單元，并通過一定方式相連，增強(qiáng)倍頻信號(hào)的功率，同時(shí)使輸入信號(hào)中基頻信號(hào)得到一定的抑制。

本發(fā)明的另一特征在于利用電路元件并考慮晶體管柵極、漏極寄生電容，分別構(gòu)成了中心頻率為f₀和2倍f₀的復(fù)合左右手傳輸線。其中柵極線在工作頻率為f₀處具有零相移特性，而漏極線在工作頻率為2倍f₀處也具有零相移特性，并且在頻率為f₀處的相移為90°，以便構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)后對(duì)基頻信號(hào)抵消。

本發(fā)明的特征還在于這種倍頻器輸入端為了使各級(jí)晶體管柵極處于同相位采用了特殊的信號(hào)輸入方式：輸入信號(hào)分兩路同相輸入構(gòu)成雙饋結(jié)構(gòu)或輸入信號(hào)從一路輸入，到末端進(jìn)行反射與輸入信號(hào)疊加形成單端雙饋結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的倍頻器的原理圖；

圖2是本發(fā)明復(fù)合左右手材料構(gòu)成零相移傳輸線單元的原理圖，為L模型；

圖3是復(fù)合左右手材料傳輸線π模型結(jié)構(gòu)；

圖4是復(fù)合左右手材料傳輸線T模型結(jié)構(gòu)；

圖5是復(fù)合左右手傳輸線傳輸系數(shù)特性。

圖6是本發(fā)明中，中心頻率為f₀和中心頻率為2倍f₀的復(fù)合左右手傳輸線傳輸特性的相位曲線，，它們在各自的中心頻率傳輸相位都為零，其中心頻率為2倍f₀的復(fù)合左右手材料傳輸線在f₀處的相位為90°。

圖7是本發(fā)明一個(gè)4級(jí)倍頻器的實(shí)例原理圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所述的倍頻器采用分布式結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號(hào)通過兩端口饋入電路中，整個(gè)倍頻電路由復(fù)合左右手材料構(gòu)成的柵極傳輸線和漏極傳輸線組成，可以視為多個(gè)倍頻單元。每個(gè)倍頻單元由一個(gè)晶體管和兩段不同頻率的具有零相移特性的復(fù)合左右手傳輸線構(gòu)成，其中每個(gè)倍頻單元晶體管的柵極與中心頻率為f₀的復(fù)合左右手傳輸線(CRLH TL1)相連，而漏極則與中心頻率為2倍f₀的復(fù)合左右手傳輸線(CRLH TL2)相連，這兩條復(fù)合左右手傳輸線都吸收了晶體管的寄生電容。輸入信號(hào)經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)分為兩路通過中心頻率為f₀的復(fù)合左右手傳輸線連入分布式倍頻器的兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸入信號(hào)保持同相位的情況下，在每級(jí)倍頻單元中晶體管柵極保持同相位，經(jīng)過晶體管放大后在漏端形成同相電流，并通過漏極線疊加同相的倍頻信號(hào)達(dá)到功率合并的功能，基頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)反向疊加而抵消。

本發(fā)明中復(fù)合左右手傳輸線考慮了晶體管寄生參數(shù)的影響，通過調(diào)節(jié)復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)中各電容、電感參數(shù)，吸收晶體管包括柵極、漏極寄生電容等造成的影響，通過仿真確立倍頻單元的具體參數(shù)，L模型的復(fù)合左右手傳輸線等效電路如圖2所示，左手傳輸線與右手傳輸線合并而成兩個(gè)諧振電路，在諧振點(diǎn)處表現(xiàn)為零相移特性。而復(fù)合左右手傳輸線同時(shí)可以用π型和T型等效電路來建模，如圖3和圖4所示。

復(fù)合左右手傳輸線由左手傳輸線和右手傳輸線結(jié)合，在中心頻率左側(cè)為左手部分，右側(cè)為右手部分，除了在中心頻率處具有零相移特性外，在一定頻帶內(nèi)的衰減常數(shù)也非常小，如圖5所示。

此時(shí)漏極線為中心頻率為2倍f₀的零相移傳輸線，而中心頻率為2倍f₀的零相移傳輸線在中心頻率為f₀處的相移為-90度，如圖6所示。

輸入信號(hào)從信號(hào)源傳入倍頻器輸入端，后接分布式倍頻器結(jié)構(gòu)，可以設(shè)為N級(jí)，每級(jí)由一段復(fù)合左右手傳輸線單元和一個(gè)晶體管的柵極相連，其中要考慮晶體管柵極的柵電容構(gòu)成CRLH傳輸線的零相移單元，信號(hào)經(jīng)過N級(jí)的柵傳輸線單元后，經(jīng)過理想開路反射，與輸入信號(hào)同相疊加，在每級(jí)的柵極處構(gòu)成同相位。

晶體管通過一定的偏置，工作在B、C類等工作狀態(tài)，增大了輸出的非線性，相應(yīng)提高了信號(hào)的高次諧波分量。

場效應(yīng)管的漏極電流根據(jù)柵極輸入電壓幅值變化而變化，對(duì)于一定的溝道長寬比，漏極電流會(huì)按照一定比例放大，然而此時(shí)的基波分量還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二次諧波分量。

分布式倍頻器的級(jí)數(shù)為N級(jí)，其中N為大于等于4的偶數(shù)，基頻信號(hào)在每個(gè)柵極保持同相位，而晶體管的漏極輸出會(huì)有豐富的諧波分量。對(duì)于N等于4的一個(gè)例子，如圖7所示，在晶體管的柵極和漏極各級(jí)之間加入電容和電感，考慮晶體管的寄生電容，構(gòu)成中心頻率分別為f0和2倍f0的π型復(fù)合左右手傳輸線(CRLH TL1、CRLH TL2)，其分別在f0處和2倍f0頻率處具有特殊的相移特性；對(duì)于CRLH TL2，一方面這種傳輸線單元在頻率為2倍f0處保持零相移，另一方面在頻率為f0相移為-90度，這樣由于柵極輸入電壓為同相，那么漏極輸出也為同相，各點(diǎn)在頻率為2倍f0的輸出信號(hào)通過復(fù)合左右手材料傳輸線進(jìn)行功率合并；而相隔一個(gè)傳輸線單元的(如T1和T3漏端)頻率為f0的分量由于相位相差180度會(huì)相互抵消(T2、T4漏端同理)，如圖6所示。

本發(fā)明使信號(hào)的頻率加倍，且保持信號(hào)同相；對(duì)于基頻分量有很好的抑制，無需額外的濾波；柵極輸入電阻為負(fù)，可以抵消傳輸線上損耗。