本發(fā)明設(shè)計了一種倍頻器，具體說是利用復合左右手材料構(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前世界尖端研究人員的目光。與此同時，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，但是當工作頻率提升到毫米波/太赫茲頻段的時候，由于晶體管本身性能會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。

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較好的高頻率信號。這就在一定程度上降低了VCO設(shè)計中的難度，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。非諧振型的復合左右手傳輸線具有寬帶的特性，廣泛應用于一些毫米波寬帶應用中。通過復合右手傳輸線與左手傳輸線，可以構(gòu)成復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，而由于倍頻器每級之間需要用特定長度的傳輸線連接，往往會導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)計難點。

技術(shù)實現(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以及阻抗匹配等因素，調(diào)整零相移單元的具體參數(shù)，實現(xiàn)高輸出功率、寬帶、小型化等特點。

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不會具有比希望得到的二次諧波信號高得多。

本發(fā)明進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)明在其他實施例中不必實現(xiàn)這些全部目的，其權(quán)利要求不應局限于能夠?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倍輸入信號的頻率的輸出信號。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)成復合左右手結(jié)構(gòu)傳輸線，進而形成N級分布式倍頻單元，并通過一定方式相連，增強倍頻信號的功率，同時使輸入信號中基頻信號得到一定的抑制。

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)后對基頻信號抵消。

本發(fā)明的特征還在于這種倍頻器輸入端為了使各級晶體管柵極處于同相位采用了特殊的信號輸入方式：輸入信號分兩路同相輸入構(gòu)成雙饋結(jié)構(gòu)或輸入信號從一路輸入，到末端進行反射與輸入信號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是復合左右手材料傳輸線π模型結(jié)構(gòu)；

圖4是復合左右手材料傳輸線T模型結(jié)構(gòu)；

圖5是復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4級倍頻器的實例原理圖。

具體實施方式

本發(fā)明所述的倍頻器采用分布式結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號通過兩端口饋入電路中，整個倍頻電路由復合左右手材料構(gòu)成的柵極傳輸線和漏極傳輸線組成，可以視為多個倍頻單元。每個倍頻單元由一個晶體管和兩段不同頻率的具有零相移特性的復合左右手傳輸線構(gòu)成，其中每個倍頻單元晶體管的柵極與中心頻率為f₀的復合左右手傳輸線(CRLH TL1)相連，而漏極則與中心頻率為2倍f₀的復合左右手傳輸線(CRLH TL2)相連，這兩條復合左右手傳輸線都吸收了晶體管的寄生電容。輸入信號經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)分為兩路通過中心頻率為f₀的復合左右手傳輸線連入分布式倍頻器的兩個輸入端，兩個輸入信號保持同相位的情況下，在每級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達到功率合并的功能，基頻信號實現(xiàn)反向疊加而抵消。

本發(fā)明中復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諧振電路，在諧振點處表現(xiàn)為零相移特性。而復合左右手傳輸線同時可以用π型和T型等效電路來建模，如圖3和圖4所示。

復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。

輸入信號從信號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，每級由一段復合左右手傳輸線單元和一個晶體管的柵極相連，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，信號經(jīng)過N級的柵傳輸線單元后，經(jīng)過理想開路反射，與輸入信號同相疊加，在每級的柵極處構(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，相應提高了信號的高次諧波分量。

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

分布式倍頻器的級數(shù)為N級，其中N為大于等于4的偶數(shù)，基頻信號在每個柵極保持同相位，而晶體管的漏極輸出會有豐富的諧波分量。對于N等于4的一個例子，如圖7所示，在晶體管的柵極和漏極各級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，各點在頻率為2倍f0的輸出信號通過復合左右手材料傳輸線進行功率合并；而相隔一個傳輸線單元的(如T1和T3漏端)頻率為f0的分量由于相位相差180度會相互抵消(T2、T4漏端同理)，如圖6所示。

本發(fā)明使信號的頻率加倍，且保持信號同相；對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，可以抵消傳輸線上損耗。