CN207782757U - 低功耗宽频带二倍频器电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低功耗宽频带二倍频器电路。现有频率源频率比较低限制了其在射频通信系统中的应用，通过压控振荡器级联倍频器的方法实现高频频率源。本实用新型包括一个push‑push结构、一个输入巴伦、两个匹配网络；push‑push结构由两个HBT三极管构成，输入巴伦是通过将两层金属上下层耦合的方式来实现，两个匹配网络包括输入匹配网络和输出匹配网络。本实用新型实现了较宽的频率工作范围和低功耗的性能。

Description

低功耗宽频带二倍频器电路

技术领域

本实用新型属于微电子技术领域，涉及一种低功耗宽频带二倍频器电路。

背景技术

近年来随着毫米波无线通信系统的迅猛发展，毫米波频率源在成像、医疗、军事等领域的应用越来越普及，应用频段也越来越高，对毫米波信号源的需要也越来越迫切。然而直接获得的高频频率源在频率稳定度和相位噪声等方面不能达到通信系统的要求，这样就需要设计宽频带倍频器来实现高频频率源以满足通信系统的要求。作为高频频率源中最基本的构成模块，倍频器将压控振荡器的频率提升到更高的频段，对频率源的性能起着举足轻重的作用。倍频器在保证功耗的前提下，应有较宽的频率覆盖范围，以满足不同应用的需要。

倍频器常用的结构有单管倍频器、push-push倍频器和注入锁定倍频器等。单管倍频器因为采用单个晶体管，结构简单，便于实现。但其对基波的抑制程度较差，限制了它在射频通信系统中的应用。传统注入锁定倍频器利用晶体管的非线性，谐波发生器能够产生输入频率的各次谐波信号，然后这些谐波信号注入振荡器，当振荡器的谐振频率在输入信号频率的n倍时，n次谐波获得最大环路增益，从而实现n倍频的功能。这类倍频器工作频带范围较窄，应用范围有限而且结构复杂，实现困难。因此在低功耗要求下如何提高倍频器的工作带宽成为倍频器电路设计的关键问题。

中国专利CN 102270964 A，提出了一种通过对输入信号做出响应产生具有相位差的N个信号的分相器路然后通过混频的方式来实现N倍频。主要利用了分相器和混频器，缺点是结构复杂，应用频段不高。

中国专利CN 104079242 A，提出了一种用Lange耦合器和两个晶体管结构的3倍频器，主要利用了Lange耦合器。缺点是两个Lange耦合器设计复杂费时，电路结构中无源器件太多，芯片面积较大。

发明内容

本实用新型目的是提供一种低功耗宽频带的，适用于InP HBT(HBT指代异质结双极型晶体管)工艺的二倍频器电路。

本实用新型包括一个push-push结构、一个输入巴伦，两个匹配网络；push-push结构由两个HBT管构成，输入巴伦是通过将两层金属上下层耦合的方式来实现，两个匹配网络包括输入匹配网络和输出匹配网络。

第一HBT管(T1)和第二HBT管(T2)构成push-push结构，其中第一HBT管(T1)的集电极与第二HBT管(T2)的集电极连接，作为输出端(Vout)。第一HBT管(T1)的射极和第二HBT管(T2)的射极相连，然后接地。第一HBT管(T1)的基极和巴伦(TR1)次级的同相输出端(B2P)相连，第二HBT管(T2)的基极和巴伦次级的反相输出端(B2N)相连。

输入匹配电容(C1)一端和输入信号相连，另一端和巴伦初级的同相输入端(B1P)相连。巴伦初级的反向输入端(B1N)接地。输出匹配电容(C2)一端和push-push结构的输出端(Vout)相连，另一端作为整个电路的输出端。第一匹配电感(L1)一端接第一HBT管(T1)的集电极，另一端与第二滤波电容(C4)一端连接后接偏置电压Vcc。第二匹配电感(L2)一端接第二HBT管(T2)的集电极，另一端与第四滤波电容(C6)一端连接后接偏置电压Vcc。第一偏置电阻(R1)一端接第一HBT管(T1)的基极，另一端与第一滤波电容(C3)一端连接后接偏置电压Vb。第二偏置电阻(R2)一端接第二HBT管(T2)的基极，另一端与第三滤波电容(C5)一端连接后接偏置电压Vb。

第一滤波电容(C3)另一端、第二滤波电容(C4)另一端、第三滤波电容(C5)另一端、第四滤波电容(C6)另一端均接地。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型push-push倍频器因为其电路的对称性可以克服工艺带来的偏差，而且对基波的抑制程度好，工作频带范围较宽(130～200GHz)，所需功耗较低，仅有10.8mW。

本实用新型相比于现有技术，无源器件少，结构简单，应用频段高，芯片面积较小。

附图说明

图1为本实用新型的整体电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的电路结构作进一步详细说明。为了说明本实用新型的效果，采用0.5um InP HBT工艺进行设计流片验证。

如图1所示，一种低功耗宽频带二倍频器电路包括一个push-push结构、一个输入巴伦，两个匹配网络；

第一HBT管(T1)和第二HBT管(T2)构成push-push结构，其中第一HBT管(T1)的集电极与第二HBT管(T2)的集电极连接，作为输出端(Vout)。第一HBT管(T1)的射极和第二HBT管(T2)的射极相连，然后接地。第一HBT管(T1)的基极和巴伦次级的同相输出端(B2P)相连，第二HBT管(T2)的基极和巴伦次级的反相输出端(B2N)相连。

输入匹配电容(C1)一端和输入信号相连，另一端和巴伦初级的同相输入端(B1P)相连。巴伦初级的反向输入端(B1N)接地。输出匹配电容(C2)一端和push-push结构的输出端(Vout)相连，另一端作为整个电路的输出端。第一匹配电感(L1)一端接第一HBT管(T1)的集电极，另一端与第二滤波电容(C4)一端连接后接偏置电压Vcc。第二匹配电感(L2)一端接第二HBT管(T2)的集电极，另一端与第四滤波电容(C6)一端连接后接偏置电压Vcc。第一偏置电阻(R1)一端接第一HBT管(T1)的基极，另一端与第一滤波电容(C3)一端连接后接偏置电压Vb。第二偏置电阻(R2)一端接第二HBT管(T2)的基极，另一端与第三滤波电容(C5)一端连接后接偏置电压Vb。

第一滤波电容(C3)另一端、第二滤波电容(C4)另一端、第三滤波电容(C5)另一端、第四滤波电容(C6)另一端均接地。

输入信号可以表示为Vin＝Vicos(ωt),其中Vi为幅度，ω为角频率。根据非线性器件的模型，输出信号可以用泰勒级数表示为：

将Vin＝Vicos(ωt)代入式(1)，通过化简前四项可得：

式(2)中电流包含直流项与高次谐波项，通过在倍频器后添加合适频段的滤波匹配电路，使整体电路输出所需要的谐波，同时抑制其他谐波的输出。

本实用新型是一个工作在140GHz的二倍频器，采用有源平衡式拓扑结构，输入端通过一个无源巴伦(TR1)将单端信号转化成差分信号。所谓差分信号是指幅度相同，相位相反的一对信号。晶体管的集电极连在一起用来叠加所有的偶次谐波，同时将基波和其他奇次谐波消除。故而对基波的抑制效果比较好。输入匹配是由无源巴伦构成的，所以输入带宽可以做到很宽，即工作频带会很宽。输出匹配是匹配在二次谐波的频段上，故其他四次、六次谐波等偶次谐波均得到很大的抑制。整个电路只有2个晶体管和一些无源器件构成，所以功耗仅仅是由这两个晶体管产生的，通过计算得到功耗仅仅只有10.8mW。

Claims (1)

1.低功耗宽频带二倍频器电路，其特征在于包括一个push-push结构、一个输入巴伦，两个匹配网络；

第一HBT管T1和第二HBT管T2构成push-push结构，其中第一HBT管T1的集电极与第二HBT管T2的集电极连接，作为输出端Vout；第一HBT管T1的射极和第二HBT管T2的射极相连，然后接地；第一HBT管T1的基极和巴伦TR1次级的同相输出端B2P相连，第二HBT管T2的基极和巴伦次级的反相输出端B2N相连；

输入匹配电容C1一端和输入信号相连，另一端和巴伦初级的同相输入端B1P相连；巴伦初级的反向输入端B1N接地；输出匹配电容C2一端和push-push结构的输出端Vout相连，另一端作为整个电路的输出端；第一匹配电感L1一端接第一HBT管T1的集电极，另一端与第二滤波电容C4一端连接后接偏置电压Vcc；第二匹配电感L2一端接第二HBT管T2的集电极，另一端与第四滤波电容C6一端连接后接偏置电压Vcc；第一偏置电阻R1一端接第一HBT管T1的基极，另一端与第一滤波电容C3一端连接后接偏置电压Vb；第二偏置电阻R2一端接第二HBT管T2的基极，另一端与第三滤波电容C5一端连接后接偏置电压Vb；

第一滤波电容C3另一端、第二滤波电容C4另一端、第三滤波电容C5另一端、第四滤波电容C6另一端均接地。