多帶頻率倍增器的制造方法

多帶頻率倍增器的制造方法
【專利摘要】在集成系統中配置成生成頻率和倍增頻率的多帶頻率倍增器。該多帶頻率倍增器包括多帶倍增器核心，該多帶倍增器核心帶有配置成接收倍增器輸入信號的倍增器核心差分放大器。可開關負載阻抗與該倍增器核心差分放大器連接，并包含n個倍增器分部。每個倍增器分部包括分部阻抗和分部開關。當與n個臨界頻率的所選一個相對應的分部開關的所選一個被觸發時，該倍增器核心差分放大器在n個臨界頻率的所選一個的范圍中生成具有基本上等于輸入頻率的k倍的頻率的輸出信號。
【專利說明】多帶頻率倍增器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及頻率倍增器，尤其涉及多帶頻率倍增器。

【背景技術】
[0002] 頻率倍增器是將輸入信號的頻率乘以所希望數字的器件。頻率倍增器通常用在射 頻("RF")和微波測試儀器和通信系統中，以便擴展較低頻率源的頻率范圍。倍增信號可以 使用非線性器件生成，該非線性器件可以包括無源(像肖特基（Schottky )二極管那樣)或有 源(像場效應晶體管或雙極型結晶體管）器件。二極管一般工作在比晶體管高的頻率上，是 最高頻率倍增器的優先選擇。但是，二極管通常需要較高的工作功率和具有較高的轉換損 耗。另一方面，晶體管便于使用，因為它們具有增益，可以在較低功率水平上產生倍增頻率。
[0003] 頻率倍增器包括生成輸入信號的頻率諧波的非線性元件。輸出輸入信號的所生成 諧波作為所希望倍增信號。輸入信號的臨界頻率通常在倍增器中受到抵制，使得輸出信號 具有基本諧波頻率。倍增器通常被設計成抑制臨界頻率和增強偶數諧波（2f；、4f；、6f·。等） 或奇數諧波（3f；、5f；、7f·。等)。這樣的頻率倍增器被分別叫做偶數頻率倍增器和奇數頻率倍 增器，或更常見地，分別叫做倍頻器和頻率三倍器。
[0004] 現有頻率倍增器的顯著缺點是它們通過工作在特定倍增頻帶上執行單一功能。在 通信系統和測試儀器中常見的是，取決于系統的狀態，需要在臨界頻率或在倍增頻率的信 號。特定倍增頻帶可能提供不了足夠的頻率范圍。現有頻率倍增器是與開關網絡連接選擇 在不同倍增頻率或在臨界頻率的信號的單倍增頻帶器件。
[0005] 鑒于前述情況，一直需要能夠在不同倍增頻帶中生成倍增頻率的頻率倍增器。


【發明內容】

[0006] 為了完全或部分解決前述問題和/或本領域的普通技術人員可能觀察到其它問 題，本公開提供了如在下面闡述的實現中，通過例子所述的方法、過程、系統、裝置、儀器和/ 或設備。
[0007] 按照一種實現，提供了一種頻率倍增器。一種示范性頻率倍增器包含輸入放大器， 其被配置成接收具有輸入頻率的頻率倍增器輸入信號，和生成適當放大的頻率倍增器輸入 信號。該頻率倍增器包括配置成允許選擇多個頻帶的多帶倍增器核心。倍增器核心差分放 大器接收倍增器輸入信號。該倍增器核心差分放大器包括倍增器核心差分輸出端。可開關 負載阻抗與該倍增器核心差分輸出端連接。該可開關負載阻抗包含η個倍增器分部。每個 倍增器分部包括分部阻抗和分部開關。該倍增器核心差分輸出端生成倍增頻率基本上等于 輸入頻率的k倍的輸出信號。當與η個臨界頻率的所選一個相對應的分部開關的所選一個 被觸發時，該倍增頻率在η個臨界頻率的所選一個的范圍之內。負載電阻器與該倍增器核 心差分輸出端相對地與該可開關負載阻抗連接。
[0008] -旦考查了如下的圖形和詳細描述，本發明的其它設備、裝置、系統、方法、特征和 優點對于本領域的普通技術人員來說將是或將變得顯而易見。預定所有這樣的另外系統、 方法、特征和優點都包括在這個描述之內，在本發明的范圍之內，以及受所附權利要求保 護。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 本發明可以參照如下圖形得到更好理解。圖形中的組件未必成比例，而是把重點 放在例示本發明的原理上。在圖形中，相同標號在所有不同圖形中都表示相應部分。
[0010] 圖1是多帶頻率倍增器的示范性實現的框圖；
[0011] 圖2是多帶頻率倍增器的示范性實現的示意圖；
[0012] 圖3A-3C是三倍器核心的示范性實現的示意圖；
[0013] 圖4是三倍器核心被控制成工作在直通模式下時三倍器核心的等效電路的示意 圖；
[0014] 圖5是三倍器核心被控制成工作在第一倍增器帶模式下時三倍器核心的等效電 路的不意圖；
[0015] 圖6是三倍器核心被控制成工作在第二倍增器帶模式下時三倍器核心的等效電 路的不意圖；
[0016] 圖7是三倍器核心被控制成工作在第三倍增器帶模式下時三倍器核心的等效電 路的不意圖；
[0017] 圖8是配置成有選擇地濾波三倍器核心的輸出頻率的開關濾波器的示意圖；
[0018] 圖9是在高通濾波模式和全通濾波模式下圖8中的開關濾波器的等效電路的示意 圖；
[0019] 圖10是例示帶有開關后濾波的可開關多帶頻率倍增器的示范性實現的操作的流 程圖；以及
[0020] 圖11是使用四帶三倍器核心的頻率倍增器的示范性實現的在頻率范圍和倍增頻 率中的測量輸出功率的曲線圖。

【具體實施方式】
[0021] 如本文所使用，術語"基頻"指的是要乘以基頻的諧波的提取數的頻率。基頻可以 指設置給到頻率倍增器的輸入信號的任何頻率。
[0022] 如本文所使用，術語"三倍器"指的是使輸入信號的頻率增至三倍的頻率倍增功 能、組件、系統、設備、或方法。三倍功能指的是根據基頻提取三次諧波。術語"三倍器"無 意限制將頻率值乘以3的倍數。也可以使用輸入頻率的任何倍數，它可以指基頻的無論奇 數還是偶數的任何諧波的提取數。
[0023] 圖1是多帶頻率倍增器100的示范性實現的框圖，多帶頻率倍增器100被配置成 接收在給定頻率f in上的輸入信號和生成頻率是輸入頻率乘以一個整數的輸出信號。該整 數倍數可以是與輸入頻率的偶數或奇數諧波相對應的偶或奇整數。
[0024] 圖1中的多帶頻率倍增器100包括帶選擇功能102和濾波選擇功能104。帶選擇 功能102允許選擇η個頻率倍增帶之一，或讓輸入頻率直通到頻率倍增器輸出信號的直通 帶。每個頻率倍增帶包含輸入頻率的所選諧波（k次，其中k>l)的頻率范圍，其中輸入頻率 fin在圍繞臨界頻率&的范圍內。圖1中的頻率倍增器輸出信號的頻率是fwt=kf in。在操 作時，用戶可以選擇直通帶來生成在與輸入信號相同的頻率上的輸出信號。直通帶可以是， 例如，頻率發生器的輸出頻率值的正常、未倍增范圍。如本文所使用，術語"直通帶"將指選 擇直通帶來工作的工作模式。
[0025] 用戶可以選擇第一倍增帶(例如，圖1中的"bandl"）來生成頻率是kX輸入頻率 的輸出信號。其中輸入頻率在圍繞bandl臨界頻率（bandlf^)的范圍內。如本文所使用， 術語"Band η模式"將指選擇η個頻率倍增帶之一的工作模式。在bandl模式中，bandl臨 界頻率，g卩，bandlf^可以是在直通模式下生成的頻率的范圍內的頻率。對于band2模式和 band3模式，可以選擇不同頻率作為臨界頻率。
[0026] 濾波選擇功能104允許選擇濾波模式。圖1中的多帶頻率倍增器100包括兩種濾 波模式：全通濾波模式和高通濾波模式。可以選擇高通濾波模式生成具有作為輸入頻率的 三次諧波生成高頻的輸出信號以便抑制輸入頻率。
[0027] 帶選擇功能102和濾波選擇功能104可以通過控制電路來控制，該控制電路生成 到帶選擇功能102和濾波選擇功能104的每個輸入端的信號。該控制電路可以使用任何適 當控制電路來實現，包括，例如，數字處理器、數字邏輯電路、或將用戶的選擇電傳送給多帶 頻率倍增器100的完全模擬電路。
[0028] 圖1中的多帶頻率倍增器100提供了可以選擇幾個頻率倍增帶之一的可開關頻率 倍增器。通過將每個頻率倍增帶設置成倍增圍繞不同臨界頻率的輸入頻率，可以將頻率的 原始范圍擴展成允許輸出寬范圍的倍增頻率。多帶頻率倍增器100可以有利地實現成工 作在像頻率發生器、測試儀器、和通信系統那樣，需要生成頻率的多種系統和設備中的子系 統。多帶頻率倍增器100可以有利地實現成集成電路。
[0029] 圖2是多帶頻率倍增器200的示范性實現的示意圖。圖2中的多帶頻率倍增器 200包括輸入放大器202,其被配置成接收輸入頻率在圍繞所選基頻的一定頻率范圍中的 頻率倍增器輸入信號。輸入放大器202生成在頻率倍增器輸入信號的頻率上的適當放大的 頻率倍增器輸入信號。輸入放大器202可以使用任何適當放大電路來實現，該放大電路使 用具有增益的非線性器件。圖2中的輸入放大器202是差分輸入、差分輸出限制放大器。 在一個例子中，輸入放大器202可以是輸入差分限制放大器。輸入信號可以是施加于多帶 頻率倍增器200的輸入端的方波或正弦波。實現成高增益差分對放大器的輸入放大器202 傳播方波或將正弦波信號轉換成方波信號。這是生成基頻，或輸入頻率的諧波的非線性過 程。生成的方波信號具有在所生成輸出方波信號的邊緣上的快速上升和下降時間中固有的 基頻的高頻成分諧波。放大的倍增器輸入信號由基頻和基頻的奇數諧波組成。當k是奇數 以便讓奇數諧波通過時，可以以50%忙閑度生成輸入信號。取決于要選作乘數的諧波，輸入 信號可以具有不同忙閑度。可以像一列脈沖那樣生成輸入信號，該列脈沖可以具有相等幅 度的奇數和偶數諧波，以便可以增強特定偶數或奇數諧波。
[0030] 圖2中的多帶頻率倍增器200包括多帶頻率倍增器核心204。注意，本文所述的例 子指的是"三倍器"核心，但是，在其它實現中，也可以使用為達到除了基頻的三次諧波之外 的其它諧波的頻率而倍增的倍增器核心。多帶頻率倍增器核心204包括倍增器核心差分放 大器206,該倍增器核心差分放大器206被配置成在倍增器核心差分放大器206的差分對 輸入端上接收倍增器輸入信號。倍增器核心差分放大器206包括與配置成可開關負載阻抗 208的負載耦合的倍增器核心差分輸出端212。在示范性實現中，多帶頻率倍增器核心204 可以是像在集成電路上那樣，實現成模塊化子系統的集成多帶倍增器核心。
[0031] 可開關負載阻抗208包含3個倍增器分部210-1，210-2,210-3。倍增器分部 210-1-210-3的每一個對應于實現相應帶模式的三個頻率倍增帶（bandl、band2、band3)之 一。倍增器分部210-1-210-3的每一個包含分部阻抗214和分部開關216。倍增器核心差 分輸出端212生成頻率基本上等于輸入頻率的k倍的輸出信號。輸出信號頻率在η個臨界 頻率的所選一個的范圍內，其中η=3。三個臨界頻率對應于三個倍增器分部210-1-210-3每 一個的臨界頻率，每個倍增器分部被配置成輸出范圍的圍繞臨界頻率的頻率。觸發與三個 臨界頻率的所選一個相對應的分部開關216的所選一個以便選擇帶模式之一。所選的帶模 式對應于包括所希望輸出頻率和與所選帶模式相對應的臨界頻率的一定輸出頻率范圍。
[0032] -般說來，η個倍增器分部每一個的分部阻抗具有這樣的阻抗值，使得η個倍增器 分部具有這樣選擇的阻抗值，使得：
[0033] ?當未觸發開關時，多帶頻率倍增器核心工作在生成在輸入頻率的頻率倍增器輸 出信號的直通帶中；
[0034] ?當觸發了 η個開關的所選一個時，多帶頻率倍增器核心工作在η個倍增帶之一中 以便在與所選開關相對應的η個臨界頻率之一的范圍中生成頻率倍增器輸入信號的k次諧 波。
[0035] 多帶頻率倍增器200包括與倍增器核心差分輸出端212相對的與可開關負載阻抗 208連接的負載電阻器218。注意，負載電阻器218實際上是兩個電阻，每一個與倍增器核 心差分輸出端212上的集電極負載的一個分支連接。類似地，倍增器分部210包括到倍增 器核心差分輸出端212上的集電極負載的一個分支的信號路徑。圖2中的多帶頻率倍增器 200將差分放大器用在輸入放大器202中，用在倍增器核心差分放大器206中，以及用于下 面所述的其它放大功能。顯示差分放大器的使用是為了例示示范性實現，而無意成為限制。 可以使用任何適當放大器配置。可開關負載阻抗208和負載電阻器218的配置要作相應修 改。
[0036] 圖2中的多帶頻率倍增器200中的多帶頻率倍增器核心204可以實現成可以按適 當規定插入頻率倍增器中工作的子系統或集成電路。在一種示范性實現中，整個多帶頻率 倍增器200被實現在單個集成電路或"芯片"上。
[0037] 倍增器核心差分輸出端212可以與如使用差分放大器實現的顯示在圖2中的濾波 輸入放大器235連接。濾波輸入放大器235與開關濾波器240連接。開關濾波器240包括 與第一晶體管243a和第二晶體管243b實現成差分對的濾波差分對放大器242。濾波電容 器244跨接在第一晶體管243a上的發射極與第二晶體管243b上的發射極之間。串聯濾波 電阻器對246與跨接在第一晶體管243a的發射極與第二晶體管243b的發射極之間的濾波 電容器244并聯。二極管對250與跨接在第一晶體管243a的發射極與第二晶體管243b的 發射極之間的濾波電容器244并聯。二極管對250被連接成朝著二極管對250之間的開關 節點251正向偏置二極管對250的每個二極管。
[0038] 在開關濾波器240的電路中配備了兩個開關。將全通濾波開關252連接在開關節 點251上，以便當全通濾波開關252被觸發時，正向偏置每個二極管。在操作時，全通濾波 開關252可以用在多帶頻率倍增器核心204工作在使輸入頻率(或在倍增器分部210的背 景下，基頻)直通作為輸出頻率的直通模式下的時候。第二開關是連接在串聯濾波電阻器對 246中的電阻之間的節點上的高通濾波開關248。高通濾波開關248被接通時灌入每個電 阻使二極管對250中的每個二極管反向偏置，以便在抑制基頻的同時生成倍增頻率。開關 濾波器240被配置成將信號輸出到輸出放大器260，輸出放大器260生成在所希望頻率上的 輸出信號。
[0039] 圖3A-3C是多帶三倍器核心的示范性實現的示意圖。圖3A是與圖2中的多帶頻 率倍增器核心204類似的多帶三倍器核心的示意圖。參考圖3A-3C所述的每個多帶三倍器 核心被標識成"三倍器"核心，以指示對于圖3A中的多帶三倍器核心300, k=3,以及要將輸 入頻率乘以3以輸出輸入頻率的三次諧波。要明白的是，描述"三倍器"核心是為了例示的 目的，而無意限制k的數值。
[0040] 圖3A中的多帶三倍器核心300包括三倍器差分對放大器302。三倍器差分對放 大器302與可開關負載阻抗304連接，可開關負載阻抗304包括3個倍增器分部306-1， 306-2,306-3。倍增器分部306-1到306-3的每一個對應于實現相應帶模式的頻率倍增帶。 倍增器分部306-1到306-3的每一個包含利用傳輸線長度310實現的分部阻抗、和利用二 極管對312和連接在二極管對312的陰極之間的電流源開關314實現的分部開關。二極管 對312由第一二極管312a和第二二極管312b形成。二極管312a，312b可以是任何適當二 極管。由于相對較小正向偏置電壓降和較快速開關速度，在示范性實現中肖特基二極管可 能是優選的。
[0041] 倍增器分部306每一個的傳輸線長度310可以實現成在分部開關每一側上的傳輸 線長度。每個傳輸線長度310提供形成三倍器差分對放大器302的兩個晶體管的每個集電 極上的阻抗。二極管對312和電流源開關314的配置為在與正向偏置的二極管對312中的 二極管相對應的晶體管的集電極上提供阻抗創造了條件。
[0042] 多帶三倍器核心300的輸出端生成頻率基本上等于輸入頻率的三倍的輸出信 號。倍增器分部306-1，306-2, 306-3的每一個可以配置成使集電極負載包含具有取決于 觸發哪個分部開關的所希望諧振頻率的四分之一波長（λ /4)諧振器。倍增器分部306-1， 306-2,306-3的組合起來起諧振頻率由觸發哪個分部開關決定的λ/4諧振器的作用。在 圖3中的多帶三倍器核心300中，三個諧振頻率可以被選成是可以在未倍增輸入頻率的范 圍中的所選輸入頻率的三倍頻率或三次諧波。倍增器分部306-1，306-2, 306-3每一個中的 組件可以被選成使觸發電流源開關314的某一個形成的等效電路是在三個所選諧振頻率 上的λ/4諧振電路。要選擇的組件包括二極管對312、可以是電感器或任何適當導波結構 (即，波導）的傳輸線長度310、和負載電阻器&。在選擇組件時要考慮的一個因素是每個四 分之一波長諧振電路的頻率響應。可能希望在低側保持諧振電路的Q-因子，以便加寬圍繞 諧振頻率的頻率響應。另一方面，在一些實現中，Q-因子太低可能導致四分之一波長諧振 電路的增益太低。
[0043] 圖3Α中的多帶三倍器核心300包括三個倍增器分部306。在其它實現中，可以并 入任何數量的倍增器分部以擴展可以生成的倍增頻率的范圍。圖3Β例示了含有多達η個 倍增器分部320-1,320-2, ...，320-η的多帶三倍器核心316。注意，帶的數量可以由多帶 核心的開關選項決定。例如，多帶三倍器核心300包含η=3個倍增器分部，但可以工作在包 括不觸發開關時使用的帶的四個帶中。
[0044] 如上所述，圖3Α中的傳輸線長度310可以實現成電感器。在一種示范性實現中， 電感器可以是螺旋形電感器。圖3C示出了除了使用螺旋形電感器350實現分部阻抗之外， 其它基于圖3A中的多帶三倍器核心300的四帶三倍器核心330的一種示范性實現。螺旋 形電感器有利地為單片集成節省了空間。
[0045] 多帶頻率倍增器的示范性實現的操作將參考圖4-7來描述，圖4-7是選擇模式時 形成的等效電路的示意圖。模式通過觸發與所希望模式相對應的電流源開關314來選擇。 當沒有觸發開關時，提供直通模式。
[0046] 圖4-7中的等效電路例示了顯示在圖3C中的示范性實現的操作。圖4是三倍器 核心被控制成工作在直通模式下時三倍器核心等效電路400的示意圖。如果沒有一個電流 源開關314被觸發，則三倍器差分放大器302的集電極上的負載由螺旋形電感器，以及由處 在反向偏置狀態下的二極管對中的二極管的電容提供。圖4中的三倍器核心等效電路400 包括由相應螺旋形電感器402-1，402-2,402-3指示的傳輸線長度、和指示成C dimlel404-1、 Cdimle24〇4-2、Cdimle3404-3的等效二極管電容。二極管電容被顯示成與螺旋形電感器402-1， 402-2,402-3并聯。選擇4-帶三倍器核心330中的組件以便4-帶三倍器核心330的增益 基本上與頻率無關，以及以便螺旋形電感器402-1，402-2,402-3形成的人造傳輸線的特征 阻抗是負載電阻器值&。由于人造傳輸線的特征阻抗是&，所以如圖4中的410所示，提供 給集電極的負載是&。使輸入信號的基頻直通到輸出端。
[0047] 圖5是4-帶三倍器核心被控制成工作在第一倍增器帶模式下時4-帶三倍器核心 的等效電路500的示意圖。在第一倍增器帶模式下，觸發圖3C中的第一電流源開關314-1。 其它電流源開關314-2和314-3仍然處在斷開狀態下。如等效電路500所示，電流源開關 314-1的接通狀態正向偏置相應二極管對，使得每個二極管表現為二極管電阻器R di()del502， 電流源開關314-2和314-3的斷開狀態如上面參考圖4所述，反向偏置相應二極管對中的 二極管，使它們表現為二極管電容器C di()de2404-2和Cdimle3404-3。二極管電阻器Rdimlel502的 電阻是二極管正向偏置時的正向偏置二極管電阻。二極管電容器C dimle2404-2和Cdimle3404-3 的電容是二極管反向偏置時的二極管電容。
[0048] 傳輸線?γ2和Tu與二極管電容器Cdimle2404-2和C di()de3404-3形成阻抗&的人造傳 輸線。如510和520所示，集電極上的負載被展示成盡頭是&與二極管電阻R di()del502的 并聯組合的阻抗的長度Tu的傳輸線。如果人造傳輸線的特征阻抗高于IV7R di(KM的阻抗， 則通過傳輸線將IV7Rdi(xlel的阻抗轉變成較高阻抗。在DC電壓電平上，集電極阻抗是Ry/ Rdimtel。阻抗隨頻率升高而增大，直到傳輸線的長度是λ/4。在λ/4上的頻率是處在第一倍 增器帶模式下時形成的λ/4諧振器的第一倍增器帶臨界頻率4 bandl。該臨界頻率是λ/4 諧振器諧振的頻率。一般說來，例示在圖4-7中的例子中的諧振頻率由未觸發的η-1個開 關中的二極管的二極管電容、和由負載電阻器與觸發的η個開關的所選一個的二極管的二 極管正向偏置電阻的并聯組合形成的傳輸線負載決定。隨著頻率繼續升高，阻抗將開始減 小。集電極上的負載表現為電阻性終止的阻尼λ/4諧振器。
[0049] 在例示在圖5中的第一倍增器帶模式下，圖3C中的4-帶三倍器核心330生成的 信號的頻率在圍繞λ/4諧振器的諧振頻率的一定頻率范圍內。該頻率范圍可以通過選擇 用于4-帶三倍器核心330的組件的組件值來決定。4-帶三倍器核心330可以實現成工作 在頻率倍增器中，以便三倍器核心接收在輸入頻率的輸入信號。在第一倍增器帶模式下， 4_帶三倍器核心33可以配置成第一倍增器帶臨界頻率是所選輸入頻率的三倍。第 一倍增器帶臨界頻率^^^是λ/4諧振器的諧振頻率。在第一倍增器模式下生成的頻率 的范圍包括輸入頻率的相應范圍的三次諧波。在第一倍增器模式下生成的頻率的范圍也是 第一倍增器帶臨界頻率4bandl基本上在預計增益最高的頻帶的中心上的頻帶。
[0050] 圖6是三倍器核心被控制成工作在第二倍增器帶模式下時三倍器核心的等效電 路600的示意圖。在第二倍增器帶模式下，觸發圖3C中的第二電流源開關314-2。其它電 流源開關314-1和314-3被設置成斷開狀態。如等效電路600所示，電流源開關314-2的 接通狀態表現為二極管電阻R dimle2602,電流源開關314-1和314-3的斷開狀態如上面參考 圖4所述，表現為二極管電容器C diodel 404-1 和 CdiQde3404-3。
[0051] 傳輸線Tu和?γ3與二極管電容器cdi(xlel404-l和C di()de3404-3形成阻抗&的人造傳 輸線。如610和620所示，集電極上的負載被展示成盡頭是&與二極管電阻R diMle2602并聯 的阻抗的長度TU+IY2的傳輸線。如620所示，當處在第二倍增器帶模式下時，形成具有第二 倍增器帶臨界頻率& band2的λ /4諧振器。
[0052] 在例示在圖6中的第二倍增器帶模式下，圖3C中的4-帶三倍器核心330生成的 信號的頻率在圍繞λ/4諧振器的臨界頻率^^的一定頻率范圍內。在第二倍增器帶模 式下，4-帶三倍器核心33可以配置成第二倍增器帶臨界頻率是與確定第一倍增器 帶臨界頻率fabandl的第一所選輸入頻率不同的所選輸入頻率的三倍。在第二倍增器模式下 生成的頻率的范圍包括輸入頻率的相應范圍的三次諧波。在第二倍增器模式下生成的頻率 的范圍也是第二倍增器帶臨界頻率基本上在頻帶的中心上的頻帶。
[0053] 圖7是三倍器核心被控制成工作在第三倍增器帶模式下時三倍器核心的等效電 路700的示意圖。在第三倍增器帶模式下，觸發圖3C中的第三電流源開關314-3。其它電 流源開關314-1和314-2被設置成斷開狀態。如等效電路700所示，電流源開關314-3的 接通狀態表現為二極管電阻R dimle3702,電流源開關314-1和314-2的斷開狀態如上面參考 圖4所述，表現為二極管電容器C diodel 404-1 和 CdiQde2404-2。
[0054] 傳輸線Tu、?γ2和Tu與二極管電容器C di()del404-1和Cdimle2404-2形成阻抗&的人 造傳輸線。如710所示，集電極上的負載被展示成盡頭是&與二極管電阻R diMle3702并聯的 阻抗的長度?〇+?γ2+?γ3的傳輸線。如710所示，當處在第三倍增器帶模式下時，形成具有第 三倍增器帶臨界頻率4 band3的λ /4諧振器。
[0055] 在例示在圖7中的第三倍增器帶模式下，圖3C中的4-帶三倍器核心330生成的 信號的頻率在圍繞λ/4諧振器的臨界頻率的一定頻率范圍內。在第三倍增器帶模 式下，4-帶三倍器核心33可以配置成第三倍增器帶臨界頻率是與確定第一倍增器 帶臨界頻率& bandl的第一所選輸入頻率、和確定第二倍增器帶臨界頻率faband2的第二所選 輸入頻率不同的所選輸入頻率的三倍。在第三倍增器模式下生成的頻率的范圍包括輸入頻 率的相應范圍的三次諧波。在第三倍增器模式下生成的頻率的范圍也是第三倍增器帶臨界 頻率f〇， band3基本上在頻帶的中心上的頻帶。
[0056] 回頭參照圖3C，4-帶三倍器核心330可以被開關成選擇輸出頻率在與參考圖4-7 所述的倍增器帶模式相對應的直通帶、第一倍增器帶、第二倍增器帶、和第三倍增器帶中的 信號。每個倍增器帶可以通過與倍增器帶模式相對應的倍增器帶諧振頻率來定義。當希望 具有特定頻率的輸出信號時，用戶可以首先確定該頻率是否在可以利用頻率倍增生成的頻 率的范圍內。例如，頻率發生器可以被限制成產生范圍為0到10GHz的頻率。如果所希望 頻率在0到10GHz的范圍內，則可以將4-帶三倍器核心330設置成工作在直通模式下。用 戶將頻率發生器設置成生成所希望頻率。4-帶三倍器核心330讓在所希望頻率上的信號通 過。
[0057] 如果用戶希望頻率大于0到10GHz的范圍的信號，則用戶確定哪種模式提供包括 所希望頻率的頻率范圍。例如，在一個示范性實現中，4-帶三倍器核心330為具有設置成 27GHz的第一倍增器帶諧振頻率f； bandl的第一倍增器模式創造了條件，以及4-帶三倍器核 心330被配置成在第一倍增器模式下提供24GHz到30GHz的頻率范圍。用戶希望生成頻率 為30GHz的信號。用戶選擇生成10GHz的頻率的頻率發生器和工作在第一倍增器模式下的 4-帶三倍器核心330。4-帶三倍器核心330接收10GHz信號和它的所有諧波作為輸入。處 在第一倍增器模式下的4-帶三倍器核心330有效地濾波頻率未在24GHz到30GHz的頻率范 圍內的信號。10GHz輸入信號的三次諧波是在第一倍增器模式提供范圍內的所希望30GHz 信號。
[0058] 可以在其它倍增器模式下提供倍增頻率的不同范圍，以擴展可以生成的頻率的范 圍。另外，可以將三倍器核心級聯以進一步擴展提供的頻率范圍。例如，參照圖3A，多帶三 倍器核心300可以是以級聯配置將第二多帶頻率三倍器與第一多帶頻率三倍器連接的第 一多帶頻率三倍器。
[0059] 圖8是配置成有選擇地濾波三倍器核心的輸出頻率的開關濾波器800的示意圖。 開關濾波器800與圖2中的開關濾波器240類似。開關濾波器800包括在圖8中顯示成使 用帶有第一晶體管802a和第二晶體管802b的差分放大器實現的濾波輸入放大器802。濾 波電容器804與第一晶體管802a上的發射極和第二晶體管802b上的發射極連接。帶有第 一濾波電阻器806a和第二濾波電阻器806b的串聯濾波電阻器對806與跨接在第一晶體 管802a的發射極與第二晶體管802b的發射極之間的第一電容器804并聯。由第一二極管 810a和第二二極管810b形成的濾波二極管對810與跨接在第一晶體管802a的發射極與第 二晶體管802b的發射極之間的濾波電容器804并聯。濾波二極管對810被連接成朝著二 極管對810之間的開關節點803正向偏置二極管對810的每個二極管810a，810b。開關節 點803與濾波二極管對810中的每個二極管的陰極連接。
[0060] 在開關濾波器800的電路中配備了兩個開關。將全通濾波開關816連接在開關節 點803上，以便當全通濾波開關816被觸發時，正向偏置濾波二極管對810中的每個二極 管。在操作時，全通濾波開關816可以用在4-帶三倍器核心330 (例如，在圖3C中）工作 在直通模式下的時候。第二開關是連接在串聯濾波電阻器對806中的電阻806a，806b之間 的節點上的高通濾波開關808。高通濾波開關808被接通時灌入每個電阻使濾波二極管對 810中的每個二極管反向偏置。在高通濾波模式下，讓高于所選頻率的頻率通過到頻率倍增 器的輸出端，而低于所選頻率的頻率得到抑制。當生成倍增頻率以及希望進一步到頻率倍 增器的基頻或輸入頻率時，可以選擇高通濾波模式。
[0061] 圖9是例示在高通濾波模式和全通濾波模式下圖8中的開關濾波器800的操作的 等效電路900,910的示意圖。第一等效電路900例示了在全通濾波模式下的操作。全通濾 波模式通過將全通濾波開關816觸發成接通狀態以正向偏置濾波二極管對810中的二極 管來選擇。濾波二極管對810中的二極管表現為電阻R dimie906a，b。電阻Rdi()de906a，b、電阻 806a，806b、和濾波電容器804 (被指示成具有電容CE)的數值被選成將開關濾波器800配 置成讓所有頻率都通過。
[0062] 第二等效電路910例示了在高通濾波模式下的操作。高通濾波模式通過將高通 濾波開關808觸發成接通狀態以反向偏置濾波二極管對810中的二極管來選擇。濾波 二極管對810中的二極管表現為串聯電容器C dimle908a，b。串聯電容器Cdimle908a，b、電阻 806a，806b、和濾波電容器804的數值被選成確定臨界頻率和將開關濾波器800配置成起高 通濾波器的作用。
[0063] 圖10是例示帶有開關后濾波的可開關多帶頻率倍增器的示范性實現的操作的流 程圖1000。例示在流程圖1000中的方法可以使用顯示在圖2中的頻率倍增器200的硬件 實現來執行。在如下描述中對組件的引用應該理解為對上面參考圖2所述的組件的引用， 除非另有說明。
[0064] 可以生成頻率是輸入信號的頻率乘以k的信號。頻率倍增器200可以向用戶提供 輸入頻率的第一帶，以便也從乘以來自第一帶的頻率的頻率的多個帶中選擇。用戶在步驟 1002中啟動通過從頻率的第一帶中確定當乘以指示輸入頻率的所選諧波的數值k時產生 所希望輸出頻率的輸入頻率，生成具有所希望頻率的信號的方法。用戶在步驟1004中選擇 輸入頻率以及在步驟1006中選擇全通濾波或高通濾波模式。如果用戶不關心在輸出端上 進一步抑制基本輸入頻率，則選擇全通濾波模式。如果用戶希望進一步抑制基本輸入頻率 以及所希望輸出頻率高于在高通濾波模式下插入的高通濾波器的截止頻率，則選擇高通濾 波器。
[0065] 在步驟1008中，在頻率倍增器上以所選輸入頻率接收輸入信號。在步驟1010中， 觸發η個分部開關的所選一個，以選擇讓包含所希望輸出頻率的頻率范圍通過的η個倍增 器分部之一。圖2中的頻率倍增器200包含η=3個倍增器分部。在步驟1012中，將輸入信 號傳送給倍增器核心差分放大器206。如上面參考圖2所述，倍增器核心差分放大器206包 括可開關阻抗，該可開關阻抗包含與三個頻率倍增帶相對應的三個倍增器分部210。在步驟 1014中，由倍增器核心差分放大器206生成等于kX輸入頻率的輸出頻率。在示范性實現 中，k=3以及輸出頻率是與所選倍增器分部相對應的帶中的輸入頻率的三倍。
[0066] 在判定方框1018中，作出后濾波模式的選擇。如果選擇高通濾波模式，則在步驟 1020中觸發高通濾波開關。注意，高通濾波開關或全通濾波開關的觸發可以與步驟1006中 模式的選擇一致。在圖10中示出了濾波開關的觸發，以便例示方法的邏輯流程，但未必是 步驟的時序流。
[0067] 在步驟1022中，在包含可以由頻率倍增器生成的整個頻率范圍的所選頻帶的高 端上濾波輸出頻率。可以通過確定希望圍繞其抑制輸入基頻的頻率為高通濾波器選擇截止 頻率。然后更加抑制基頻地生成輸出頻率。
[0068] 如果在判定方框1018上通過濾波模式的選擇確定選擇了全通濾波模式，則在步 驟1024中選擇全通濾波開關。全通濾波開關如步驟1026所示基本上允許輸出信號未濾波 通過。
[0069] 圖11是使用四帶三倍器核心的頻率倍增器的示范性實現在范圍的頻率和倍增頻 率中的測量輸出功率的曲線圖1100。用于生成圖11中的曲線圖1100的數據的頻率倍增 器的示范性實現可以利用上面參考圖2,3A或3C所述的類型的四帶三倍器核心。用于生成 圖11中的曲線圖1100的數據的頻率倍增器可以與提供表示成BandO的第一低范圍中的頻 率的頻率發生器或測試儀器一起作用。曲線圖1100在BandO_fQ功率曲線1102上示出了 BandO范圍的功率輸出。4-帶三倍器核心可以被開關成提供三種倍增器模式和一種直通模 式。
[0070] 在第一倍增器模式下，提供了三倍于所選Bandl基頻帶Bandlf^的倍增頻帶 Bandl_3f。。曲線圖1100在Bandl_3fQ功率曲線1112上示出了倍增頻帶Bandl_3fQ的功 率輸出，在Bandl_f Q功率曲線1114上示出了 Bandl范圍的功率輸出。Bandl_3fQ功率曲線 1112與Bandit功率曲線1114之間的分離指示Bandit范圍中的基頻或到頻率倍增器 中的輸入頻率受到抑制的程度。
[0071] 在第二倍增器模式下，提供了三倍于所選Band2基頻帶Band〗#;^的倍增頻帶 Band2_3f。。曲線圖1100在Band2_3fQ功率曲線1110上示出了倍增頻帶Band2_3fQ的功 率輸出，在Band2_f Q功率曲線1108上示出了 Band2范圍的功率輸出。Band2_3fQ功率曲線 1110與Banc^.f^功率曲線1108之間的分離指示Banc^.f^范圍中的基頻受到抑制的程度。
[0072] 在第三倍增器模式下，提供了三倍于所選Band3基頻帶BandS+f^的倍增頻帶 Band3_3f。。曲線圖1100在Band3_3fQ功率曲線1106上示出了倍增頻帶Band3_3fQ的功 率輸出，在Band3_f Q功率曲線1104上示出了 Band3范圍的功率輸出。Band3_3fQ功率曲線 1106與BandS.f^功率曲線1104之間的分離指示BandS.f^范圍中的基頻受到抑制的程度。
[0073] -般說來，像"通信"和"與……通信"（例如，第一組件"與"第二組件"通信")那樣 的術語在本文中用于指示兩個或更多個組件或元件之間的結構、功能、機械、電、信號、光、 磁、電磁、離子或流體關系。這樣，一個組件被認為與第二組件通信的事實無意排除另外的 組件可能存在于第一和第二組件之間，和/或可操作地與第一和第二組件相聯系和接合的 可能性。
[0074] 頻率倍增器和倍增器核心的實現在本文中作為例子來描述，而無意成為限制。要 明白的是，可以不偏離本發明的范圍地改變本發明的各個方面或細節。而且，前面的描述只 是為了例示的目的，而不是為了限制的目的一本發明由權利要求書限定。
【權利要求】
1. 一種頻率倍增器，包含： 輸入放大器，其被配置成接收具有輸入頻率的頻率倍增器輸入信號，和生成適當放大 的頻率倍增器輸入信號； 多帶倍增器核心，其包含： 倍增器核心差分放大器，其被配置成接收倍增器輸入信號，和具有倍增器核心差分輸 出端；以及 與該倍增器核心差分輸出端連接的可開關負載阻抗，該可開關負載阻抗包含η個倍增 器分部，每個倍增器分部包括分部阻抗和分部開關，其中該倍增器核心差分輸出端生成具 有基本上等于輸入頻率的k倍的輸出頻率的輸出信號，其中當與η個臨界頻率的所選一個 相對應的分部開關的所選一個被觸發時，該輸出頻率在η個臨界頻率的所選一個的范圍之 中；以及 與該倍增器核心差分輸出端相對地與該可開關負載阻抗連接的負載電阻器。
2. 如權利要求1所述的頻率倍增器，其中η個倍增器分部每一個的分部阻抗具有這樣 選擇的阻抗值，使得： 當未觸發開關時，該多帶倍增器核心工作在生成在輸入頻率的頻率倍增器輸出信號的 直通帶中； 當觸發了 η個開關的所選一個時，該多帶倍增器核心工作在η個倍增帶之一中，以便在 與所選開關相對應的η個臨界頻率之一的范圍中生成頻率倍增器輸入信號的k次諧波。
3. 如權利要求2所述的頻率倍增器，其中當觸發了 η個開關的所選一個時： η個倍增器分部組合起來起λ/4諧振器的作用，該λ/4諧振器的諧振頻率是與所選開 關相對應的η個臨界頻率之一的Ι/k的頻率的k次諧波。
4. 如權利要求3所述的頻率倍增器，其中： η個開關的每一個包括： 每一個可信號通信地與該倍增器核心差分輸出端的相應一個連接的一對二極管，該對 二極管中的每個二極管當該二極管被反向偏置時具有二極管電容，而當該二極管被正向偏 置時具有二極管正向偏置電阻；以及 電流源開關，其與該對二極管連接，以便當該電流源開關被開關到源電流時，以及當與 二極管相對應的該倍增器核心差分輸出端正向偏置二極管時，正向偏置每個二極管；以及 η個倍增器分部每一個的分部阻抗包括： 傳輸線長度，其中當η個開關的所選開關被觸發時形成的λ /4諧振器的諧振頻率由未 觸發的η-1個開關中的二極管的二極管電容、和由負載電阻器與觸發的η個開關的所選一 個的二極管的二極管正向偏置電阻的并聯組合形成的傳輸線負載決定。
5. 如權利要求4所述的頻率倍增器，其中η個倍增器分部每一個的分部阻抗包括螺旋 形電感器。
6. 如權利要求1所述的頻率倍增器，進一步包含： 可信號通信地與該倍增器核心差分輸出端連接的開關濾波器，該開關濾波器包含： 包含第一晶體管和第二晶體管的濾波差分對放大器； 跨接在第一晶體管上的發射極與第二晶體管上的發射極之間的濾波電容器； 與跨接在第一晶體管上的發射極與第二晶體管上的發射極之間的濾波電容器并聯的 串聯濾波電阻器對； 與跨接在第一晶體管上的發射極與第二晶體管上的發射極之間的濾波電容器并聯的 濾波二極管對，該濾波二極管對被連接成朝著該濾波二極管對之間的開關節點正向偏置； 全通濾波開關，其被連接在開關節點上，以便當被觸發時，正向偏置每個二極管，以便 在直通模式下輸出在輸入頻率的信號；以及 高通濾波開關，其被連接在串聯濾波電阻器對之間，以便灌入每個電阻使每個二極管 反向偏置，以便在抑制輸入頻率的同時生成倍增頻率。
7. 如權利要求1所述的頻率倍增器，其中該多帶倍增器核心是第一多帶頻率三倍器， 該頻率倍增器進一步包含： 以級聯配置與該第一多帶頻率三倍器連接的第二多帶頻率三倍器。
8. 如權利要求5所述的頻率倍增器，其中該輸入放大器是使用配置成生成方波的輸入 差分限制放大器實現的。
9. 一種集成多帶倍增器核心，包含： 倍增器核心差分放大器，其被配置成接收在輸入頻率的輸入信號，該倍增器核心差分 放大器包含倍增器核心差分輸出端； 與該倍增器核心差分輸出端連接的可開關負載阻抗，該可開關負載阻抗包含η個倍增 器分部，每個倍增器分部包括分部阻抗和分部開關，其中當與η個臨界頻率的所選一個相 對應的分部開關的所選一個被觸發時，該倍增器核心差分輸出端在η個臨界頻率的所選一 個的范圍中生成具有基本上等于輸入頻率的k倍的頻率的輸出信號；以及 與該倍增器核心差分輸出端相對地與該可開關負載阻抗連接的負載電阻器。
10. 如權利要求9所述的集成多帶倍增器核心，其中η個倍增器分部每一個的分部阻抗 具有這樣選擇的阻抗值，使得： 當未觸發開關時，該集成多帶倍增器核心工作在生成在輸入頻率的輸出信號的直通帶 中；而 當觸發了 η個開關的所選一個時，該集成多帶倍增器核心在η個臨界頻率值之一的范 圍中生成輸入頻率的k次諧波。
11. 如權利要求10所述的集成多帶倍增器核心，其中當觸發了 η個開關的所選一個 時： η個倍增器分部組合起來起λ/4傳輸線諧振器的作用，該λ/4傳輸線諧振器的諧振頻 率是與所選開關相對應的η個臨界頻率之一的Ι/k的頻率的k次諧波。
12. 如權利要求11所述的集成多帶倍增器核心，其中： η個開關的每一個包括： 每一個可信號通信地與該倍增器核心差分輸出端的相應一個連接的一對二極管；以及 電流源，其與該對二極管連接，以便當該電流源被開關到源電流，以及與二極管相對應 的該倍增器核心差分輸出端處在正向偏置二極管的電壓電平時，正向偏置每個二極管；以 及 η個倍增器分部每一個的分部阻抗包括： 傳輸線長度，其中當η個開關的所選開關被觸發時形成的λ/4諧振器的諧振頻率由未 觸發的η-1個開關中的二極管的二極管電容、和由負載電阻器與觸發的η個開關的所選一 個的二極管的二極管正向偏置電阻電阻的并聯組合形成的傳輸線負載決定。
13. 如權利要求12所述的集成多帶倍增器核心，其中η個倍增器分部每一個的分部阻 抗包括螺旋形電感器。
14. 如權利要求9所述的集成多帶倍增器核心，進一步包含： 可信號通信地與該倍增器核心差分輸出端連接的開關濾波器，該開關濾波器包含： 包含第一晶體管和第二晶體管的濾波差分對放大器； 跨接在第一晶體管上的發射極與第二晶體管上的發射極之間的濾波電容器； 與跨接在第一晶體管上的發射極與第二晶體管上的發射極之間的濾波電容器并聯的 串聯濾波電阻器對； 與跨接在第一晶體管上的發射極與第二晶體管上的發射極之間的濾波電容器并聯的 二極管對，該二極管對被連接成朝著該二極管對之間的開關節點正向偏置； 全通濾波開關，其被連接在開關節點上，以便當被觸發時，正向偏置每個二極管；以及 高通濾波開關，其被連接在串聯濾波電阻器對之間，以便灌入每個電阻使每個二極管 反向偏置。
15. 如權利要求9所述的集成多帶倍增器核心，其中該倍增器核心差分放大器、該可開 關負載阻抗、和該負載電阻器形成第一三倍器核心，該集成多帶倍增器核心進一步包含： 以級聯配置與該第一三倍器核心連接的第二三倍器核心。
16. 如權利要求13所述的集成多帶倍增器核心，其中該多帶倍增器核心是在單個集成 電路上實現的。
17. -種倍增輸入信號的頻率的方法，該方法包含： 接收具有輸入頻率的輸入信號； 觸發η個相應倍增器分部中的η個分部開關的所選一個，η個倍增器分部的每一個包 含配置成形成諧振頻率與η個臨界頻率之一相對應的λ /4諧振器的分部阻抗，該λ /4諧 振器被配置成輸出圍繞諧振頻率的頻率范圍，其中當η個倍增器分部開關的所選一個被觸 發時，該頻率范圍是輸入頻率的k次諧波； 在具有負載阻抗的包含倍增器核心差分輸出端的倍增器核心差分放大器上傳送輸入 信號，該負載阻抗包含η個倍增器分部和負載電阻器；以及 在圍繞臨界頻率的k次諧波的范圍中生成基本上等于輸入頻率的k次諧波的輸出頻 率。
18. 如權利要求17所述的方法，其中η個分部開關的每一個包括二極管對和電流源，該 電流源與該二極管連接，以便當該電流源被開關到源電流時，以及當與二極管相對應的該 倍增器核心差分輸出端處在正向偏置二極管的電壓電平上時，正向偏置每個二極管，以及 其中觸發η個分部開關的所選一個的步驟包含： 將η個分部開關的所選一個中的二極管對開關成正向偏置，以便負載阻抗是負載電阻 器與二極管電阻并聯；以及 形成阻抗包括未選擇的η-1個分部開關的二極管對的反向偏置電容的人造傳輸線。
19. 如權利要求18所述的方法，其中生成輸出頻率的步驟包含： 在圍繞由該人造傳輸線形成的λ /4諧振器的諧振頻率的頻率范圍中生成輸入頻率的 k次諧波。
20.如權利要求17所述的方法，其中配備開關濾波器來接收輸出頻率，該開關濾波器 包含具有差分對輸出端的濾波差分對放大器、跨接在差分對輸出端之間的濾波電容器、與 跨接在差分對輸出端之間的濾波電容器并聯的串聯濾波電阻器對、和與跨接在差分對輸出 端之間的濾波電容器并聯的二極管對，該方法進一步包含： 接通全通濾波開關以便正向偏置二極管對；以及 通過開關連接在串聯濾波電阻器對之間的高通濾波開關，以便灌入每個電阻使每個二 極管反向偏置，使用由濾波電容器和串聯電阻形成的高通濾波器濾波輸出頻率，以便抑制 輸入頻率。
【文檔編號】H03F3/45GK104113306SQ201410103087
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2013年4月19日
【發明者】B.Y.旺格, E.R.埃勒斯 申請人:安捷倫科技有限公司