CN102270964B - 倍频器 - Google Patents

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Abstract

一种倍频器，用于产生具有N倍输入信号的频率的输出信号，其中，N等于或大于3，该倍频器包括对输入信号做出响应以便产生具有相位差的N个信号的分相器电路，和对矢量电路的这N个信号做出响应以便提供具有N倍输入信号的频率的输出信号的混频器电路。

Description

倍频器
相关申请
根据35U.S.C.§§119，120，363，365及37C.F.R.§1.55和§1.78，本申请据此要求于2010年2月19日提交的美国临时申请序列号No.61/338,488的权益和优先权，该申请由此通过引用并入本文。
技术领域
本主题发明涉及倍频器。
背景技术
倍频是用于通信和仪器仪表系统中的多种频率发生电路中所需的重要功能。这些倍增电路的一个重要性能度量是输出的频谱纯度。优选地，抑制不期望的谐波。
三倍频器传统上通常的设计方案是使用产生输入的奇次谐波并衰减偶次谐波的非线性电路。随后使用滤波来衰减除期望的三次谐波之外的全部谐波。这个方案的一个常见实例是使用反并联二极管。在RF驱动下，在这2个反并联二极管中的电流会在偶次谐波处抵消，而在奇次谐波处会叠加。另一个常见方案是使用压缩运行(runningincompression)的放大器，其产生具有奇次谐波丰富的方波。
这些方案的缺点在于与其相关的电路都在基频产生输出，其具有比想要得到的三次谐波信号高得多的功率。因此，这两个常见方案在产生期望的三次谐波方面是固有地低效的。
滤波和/或前馈抵消可以用于使输出频谱中相对较大的基频为零。然而，滤波和前馈抵消都会不期望地限制频率带宽。
另一个示范方案是首先倍增输入信号的频率，随后使基频与倍增的频率混频，以产生三次谐波。通过使用单边带混频器，可以在混频器输出处衰减不期望的基频。尽管这个方案有助于减轻基频的大的寄生成分，但其需要产生二次谐波，前且这个寄生成分以及四次谐波都无法避免地出现在输出处。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种倍频器，其提供了具有提高的频谱纯度的输出。
本发明进一步的目的是提供这样一种倍频器，在其中，基频不会具有比希望得到的谐波信号高得多的功率。
本发明进一步的目的是提供这样一种倍频器，其无需使用滤波和/或前馈抵消。
然而，本主题发明在其他实施例中不必实现这些全部目的，其权利要求不应局限于能够实现这些目的的结构和方法。
本发明源于这样的认识：可以通过对输入信号做出响应以便产生具有相位差的N个信号的分相器电路和对分相器电路的这N个信号做出响应以便提供具有N倍输入信号的频率的输出信号的混频器电路来实现改进的倍频器。
该倍频器实现了无需滤波情况下在宽频带上抑制不想要的谐波。该信频器先天上能够在比传统方案更宽的频带上操作，由于不会产生不需要的谐波，消除了对带宽限制滤波器和/或前馈抵消的需要。
尽管本发明的实施例涉及三倍频器，但其可以用于任何倍增系数。
本发明特征在于一种倍频器，用于产生具有N倍输入信号的频率的输出信号，其中，N等于或大于3。倍频器包括对输入信号做出响应以便产生具有相位差的N个信号的分相器电路，和对分相器电路的这N个信号做出响应以便提供具有N倍输入信号的频率的输出信号的混频器电路。
在一个实施例中，分相器电路可以包括对输入信号做出响应以便产生I和Q信号的正交电路，和对正交电路做出响应的矢量电路。倍频器可以包括对该矢量电路做出响应以便放大N个信号的放大器电路。信号之间的相位差可以约为360°/N。信号之间的相位差可以约为180°/N。N可以等于3。N可以等于或大于4。正交电路可以包括R-C多相网络。正交电路可以包括分布式正交网络。分布式正交网络可以是Lange耦合器。输入信号可以是差分输入信号。输入信号可以是单端信号。矢量电路可以包括用于产生线性正比于I或Q信号的输出电流的跨导电路。矢量电路可以包括共用负载电阻，用于增加来自跨导电路的电流以产生预定相位。放大器电路可以将N个信号从正弦波转换为方波。放大器电路可以包括单级放大器，用以放大N个信号中的每一个。放大器电路可以包括两个或多个放大器级，用以放大N个信号中的一部分。混频器电路可以是3输入叠层式吉尔伯特单元混频器。N可以等于4，混频器电路可以包括四级晶体管，用以接纳四个平衡输入。混频器电路可以包括级联混频器。混频器电路可以使矢量电路的N个信号相乘，以提供可以具有N倍输入信号的频率的输出信号。
本发明的特征还在于一种倍频器，用于产生具有N倍输入信号的频率的输出信号，其中，N等于或大于3，倍频器包括对输入信号做出响应以便产生I和Q信号的正交电路，对正交电路做出响应以产生具有约360°/N倍数的相位的N个信号的矢量电路，对矢量电路做出响应以放大N个信号的放大器电路，及对放大器电路做出响应，以使放大的N个信号相乘，来提供具有N倍输入信号的频率的输出信号的混频器电路。
本发明的特征还在于一种倍频器，用于产生具有N信输入信号的频率的输出信号，其中，N等于或大于3，倍频器包括对输入信号做出响应以便产生I和Q信号的正交电路，对正交电路做出响应以产生具有约180°/N的倍数的相位的N个信号的矢量电路，对矢量电路做出响应以放大N个信号并将N个信号从正弦波转换为方波的放大器电路，及对放大器电路做出响应，以检测放大的N个信号的转换，来提供具有N倍输入信号的频率的输出信号的混频器电路。
本发明的特征还在于一种用于产生具有N倍输入信号的频率的输出信号的方法，其中，N等于或大于3。所述方法包括产生具有相位差的N个信号；及对N个信号进行混频以便提供具有N倍该输入信号的频率的输出信号。所述方法可以进一步包括响应于输入信号产生I和Q信号。所述方法可以进一步包括放大N个信号。在各信号之间的相位差可以约为360°/N。在各信号之间的相位差可以约为180°/N。
附图说明
依据以下的优选实施例的说明和相应附图，本领域技术人员易于想到其他目的、特点和优点，在附图中：
图1是根据本发明的倍频器的方框图；
图2是图1的一个实施例的倍频器的方框图，其中，倍频器是三倍频器；
图3是示出在图2的混频器的输入和输出的正弦波的曲线图；
图4是示出在图2的混频器的输入和输出处的方波的曲线图；
图5是示出在用于四倍频器的图1的混频器的输入和输出处的方波的曲线图；
图6是用于图2的正交电路的二级R-C多相网络的电路图；
图7是用于在图2的矢量电路中产生120°的电路的电路图；
图8是用于图2的矢量电路的跨导子电路的电路图；
图9a和9b分别是示出在用于三倍频器和四倍频器的图1的矢量电路中实施的相位与有效I和Q比例系数的表格；
图10是用于图2的倍频器中的放大器的电路图；及
图11是三输入叠层式吉尔伯特单元混频器的电路图，其是图2的倍频器的示例性混频器。
具体实施方式
除了以下公开的(多个)优选实施例以外，本发明也可以是其他实施例，并且能够以多种方式来实现或执行。因此，会理解，本发明不局限于其在以下说明中阐述的或在附图中示出的组件的结构和布置的细节中的应用。即使本文仅描述了一个实施例，其权利要求也不局限于该实施例。此外，不应局限性的理解其权利要求，除非有明确可信的证据表明特定的排除、限制或放弃。
图1中显示了根据本发明的倍频器10，其产生具有N倍输入信号的频率的输出信号。倍频器10包括分相器电路19，其对输入信号14做出响应以便在N条线路22上产生具有相位差的N个信号。混频器电路24对分相器电路19的N个信号做出响应，以便在线路26上提供具有N倍输入信号的频率的输出信号。分相器电路19可以包括正交电路12，其对线路14上的输入信号做出响应，以便在线路16和18上产生I和Q信号，及矢量电路20，用于产生具有相位差的N个信号。可替换地，分相器电路19可以包括延迟电路以产生具有相位差的N个信号。
在本发明的一个实施例中，图2的倍频器10a是三倍频器。正交电路12a在线路16a和18a上提供具有90度相位差的两个信号。矢量电路20a对正交电路12a做出响应，并在线路22a上提供被此间隔120°(即360°/N)的三个信号。矢量电路20a可以使用正交信号的线性矢量加法来提供输入的多个相位。相位延迟的波形可以是正弦波，且可以在混频前被转换为方波。放大器阵列28包括用于放大相位延迟的信号的多个放大器电路，并在线路30上向混频器电路24a输出放大的信号。混频器电路24a对放大器阵列28做出响应，并对间隔开120°的三个放大的信号混频，以便在线路26a上提供具有输入信号三倍频率的输出信号。混频器电路24a可以通过使它们相乘来混频三个放大的信号。
提供给混频器24a的N个波形可以是图3的正弦波32a-c，但也可以是图4的方波36a-c，以分别获得期望的输出频率34或38。如果使用了方波，馈入混频器的每一个信号就将输出乘以+1或-1。这个方案规定N个方波的跳变(低到高或高到低)在时间上是等间距的。优选地，方波在相位上间隔180°/N的倍数，其中，N是倍频系数。向混频器提供方波所提供的优点在于：由于向混频器提供放大器的压缩，电路将在相对大范围的输入功率上具有恒定的输出功率。此外，方波的快速跳变会提供改善的相位噪声性能。这是通过在快速跳变情况下从差分对的一侧向另一侧导引电流，使得混频器的差分对中噪声最小化的结果。
图4中显示了在用于四倍频器的混频器块的输入和输出处的示例性波形，其中，将四个方波40a-d提供给混频器24a，以获得增加的输出频率42。
可以分别将图4和5中所示的信号36a-c和40a-d的每一个视为在+1和-1之间转换。如果波形36a-c或40a-d相乘在一起，当任一输入转换状态时，输出信号38或42也将分别改变状态。然而，在这个实施例中，如果两个输入同时转换状态，则输出将不转换状态。出于这个原因，180°/N的相位差优选地用于偶数倍。180°/N的相位分割对于偶数倍或奇数倍也都是可接受的。
倍频器10a可以使用具有对称电路布局的单片集成，以提供期望的和寄生的电路元件的内在匹配精度。在每个接口之间也可以使用平衡信号。
图6的正交电路12c的一个实施例在差分线路40和42上分别产生差分I和Q信号，其在差分输入线路44上提供的输入信号的频率上具有90度的相对相位差。正交电路12c包括两级R-C多相网络，其包括级46和48，进行交错调谐以便在宽频带上实现相位和幅值平衡。正交电路12c包括差分输入44，但该电路可以由单端输入信号驱动，在相反的差分输入AC耦合到地的情况下，性能上稍有损害。尽管图6中显示了多相网络实现方式，但对于极高频率，分布式正交网络(例如，Lange耦合器)在一些应用中可能是优选的。
图7的矢量电路20c分别对差分线路40和42上由正交电路12c产生的I和Q信号做出响应。矢量电路20c通过对I和Q信号的线性组合求和来执行矢量加法。矢量电路20c包括第一和第二Gm(跨导)子电路50和52，其产生与输入电压线性地成比例的输出电流。来自Gm电路50和52的电流随后在共用负载电阻51和53中求和，以便在差分线路54上产生期望的相位输出。
按照晶体管60和62与电阻64和66的适当尺寸及电流源68的值依比例调整图8的示例性Gm子电路50，以便提供适当的倍增系数来获得期望的相位(θ)。Gm电路50对差分线路40上的I信号做出响应，并依据cos(θ)依比例调整。Gm电路52对差分线路42上的Q信号做出响应，并依据sin(θ)依比例调整。交换差分输入以提供负的比例系数。
在一个实例中，矢量电路20c用于产生其输出信号之间的120°相位。在此情况下，交换差分线路40上的I输入以提供负的比例系数。图9a和9b中分别示出了在用于三倍频器和四倍频器情况的矢量电路中实现的相位和有效I与Q比例系数。
图10的放大器电路28c对矢量电路20c的其中一个输出做出响应，并使用差分限幅放大器电路60来放大信号。单级放大器电路28c可以用于放大矢量电路20c的每一个输出。可替换地，可以将两个或更多个放大器级级联为被输入的混频器电路输入的函数，以便补偿在混频器电路输入之间的输入输出传播延迟的差异。放大器电路28c还可以将正弦波转换为方波。
图11的混频器电路24c对放大器28c做出响应，并对放大器产生的信号进行混频。在这个实施例中，混频器电路24c是3输入叠层式吉尔伯特单元混频器。混频器电路24c包括电阻70、晶体管72和74及电流源76，其用于产生吉尔伯特单元混频器的每一级输入所需的DC偏压。
用于四倍频器的混频器电路优选地包括4级晶体管以接纳4个输入。对于较高分频比，可以级联吉尔伯特单元混频器以提供足够的电压开销。例如，为了实现6倍频器，三个波形可以输入两个吉尔伯特单元混频器中的每一个，其输出将输入第三个混频器。
尽管仅在一些附图中而没有在其他附图中示出本发明的特定特征，但这仅是为了方便起见，相据本发明，每一个特征都可以与任何或全部其他特征组合。应宽泛全面地理解本文使用的词语“包括”、“包含”、“有”和“具有”，并且不应局限于任何物理互连。此外，本主题申请中公开的任何实施例都不应理解为唯一可能的实施例。
另外，在本专利的专利申请过程中提出的任何修改都不是在提交的申请中提出的任何权利要求要素的放弃：期望本领域技术人员能够草拟可以在文字上包含全部可能的等价物的权利要求是不合理的，在修改时许多等价物是不可预见的，并且超出了所要放弃的(如果有的话)合理解释的范围，修改的理论基础可以仅仅与许多等价物稍有联系，和/或有许多其他原因以致于不能期望申请人说明了修改的任何权利要求要素的某些非实质性替代。
本领域技术人员易于想到其他实施例，并且其在以下的权利要求书的范围内。

Claims (26)

1.一种倍频器，用于产生具有N倍输入信号的频率的输出信号，其中N等于或大于3，所述倍频器包括：
分相器电路，对所述输入信号做出响应以便产生具有相位差的N个信号；以及
混频器电路，对所述分相器电路的所述N个信号做出响应，被配置成利用乘法函数对所述N个信号进行混频以提供具有N倍输入信号的频率的输出信号。
2.如权利要求1所述的倍频器，其中，所述分相器电路包括对所述输入信号做出响应以便产生I和Q信号的正交电路，和对所述正交电路做出响应的矢量电路。
3.如权利要求1所述的倍频器，进一步包括对所述分相器电路做出响应以便放大所述N个信号的放大器电路。
4.如权利要求1所述的倍频器，其中，在各信号之间的相位差约为360°/N。
5.如权利要求1所述的倍频器，其中，在各信号之间的相位差约为180°/N。
6.如权利要求1所述的倍频器，其中，N＝3。
7.如权利要求1所述的倍频器，其中，N等于或大于4。
8.如权利要求2所述的倍频器，其中，所述正交电路包括R-C多相网络。
9.如权利要求2所述的倍频器，其中，所述正交电路包括分布式正交网络。
10.如权利要求9所述的倍频器，其中，所述分布式正交网络是Lange耦合器。
11.如权利要求1所述的倍频器，其中，所述输入信号是差分输入信号。
12.如权利要求1所述的倍频器，其中，所述输入信号是单端信号。
13.如权利要求2所述的倍频器，其中，所述矢量电路包括用于产生与I或Q信号线性地成比例的输出电流的跨导电路。
14.如权利要求13所述的倍频器，进一步包括用于增加来自所述跨导电路的电流的共用负载电阻以产生预定相位。
15.如权利要求3所述的倍频器，其中，所述放大器电路将所述N个信号从正弦波转换为方波。
16.如权利要求3所述的倍频器，其中，所述放大器电路包括单级放大器，用以放大所述N个信号中的每一个。
17.如权利要求3所述的倍频器，其中，所述放大器电路包括两个或更多个放大器级，用以放大所述N个信号中的一部分。
18.如权利要求6所述的倍频器，其中，所述混频器电路是3输入叠层式吉尔伯特单元混频器。
19.如权利要求1所述的倍频器，其中，N＝4，以及所述混频器电路包括四级晶体管，用以接纳四个平衡输入。
20.如权利要求1所述的倍频器，其中，所述混频器电路包括级联混频器。
21.如权利要求2所述的倍频器，其中，所述混频器电路使所述矢量电路的N个信号相乘，以提供具有N倍输入信号的频率的输出信号。
22.一种倍频器，用于产生具有N倍输入信号的频率的输出信号，其中N等于或大于3，所述倍频器包括：
正交电路，对所述输入信号做出响应以便产生I和Q信号；
矢量电路，对所述正交电路做出响应以便产生具有约360°/N的倍数的相位的N个信号；
放大器电路，对所述矢量电路做出响应以便放大所述N个信号；以及
混频器电路，对所述放大器电路做出响应，被配置成利用乘法函数对所述N个信号进行混频以提供以使放大的N个信号相乘来提供具有N倍输入信号的频率的输出信号。
23.一种倍频器，用于产生具有N倍输入信号的频率的输出信号，其中N等于或大于3，所述倍频器包括：
正交电路，对所述输入信号做出响应以产生I和Q信号；
矢量电路，对所述正交电路做出响应以产生具有约180°/N的倍数的相位的N个信号；
放大器电路，对所述矢量电路做出响应以放大所述N个信号并将所述N个信号从正弦波转换为方波；以及
混频器电路，对所述放大器电路做出响应，用于检测放大的N个信号的跳变，以便提供具有N倍输入信号的频率的输出信号。
24.一种用于产生具有N倍输入信号的频率的输出信号的方法，其中N等于或大于3，所述方法包括：
产生具有相位差的N个信号；以及
利用乘法函数对所述N个信号进行混频以便提供具有N倍输入信号的频率的输出信号。
25.如权利要求24所述的方法，其中，各信号之间的相位差约为360°/N。
26.如权利要求24所述的方法，其中，各信号之间的相位差约为180°/N。
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