專利名稱：用于變頻的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于，當(dāng)從第一信號(hào)出發(fā)時(shí)，產(chǎn)生其頻率是輸入信號(hào)頻率的倍數(shù)的第二信號(hào)的設(shè)備和方法。
本發(fā)明也涉及用于射頻信號(hào)的變頻的設(shè)備，和用于在射頻連接上傳輸語音和/或數(shù)據(jù)通信的設(shè)備。
背景技術(shù)：
和相關(guān)技術(shù)描述在射頻技術(shù)中常常需要產(chǎn)生高頻信號(hào)，例如在發(fā)射機(jī)或接收機(jī)中，其中使用所謂的本地振蕩器，以便把來自天線的進(jìn)入的信號(hào)變換成中頻(超外差接收)。在變頻時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)頻率，它們分別相應(yīng)于進(jìn)入信號(hào)的頻率與本地振蕩器的頻率的和值以及這些頻率之間的差值。為了達(dá)到兩個(gè)所產(chǎn)生的頻率的良好的分離，通常選擇本地振蕩器頻率與進(jìn)入信號(hào)的頻率具有同樣的量級(jí)。
在許多情況下，需要能夠在變頻前通過設(shè)備來倍頻本地振蕩器的頻率，這樣，輸出信號(hào)具有頻率N·f0，其中N是整數(shù)，以及f0是輸入信號(hào)頻率。這樣的倍頻通常是借助于有源元件，例如場效應(yīng)晶體管或雙極型晶體管中的非線性產(chǎn)生的，或替換地通過使用二極管中的非線性產(chǎn)生的。
產(chǎn)生二倍頻或三倍頻的通常的方法是使用放大器電路中的有源元件，以及給該元件加偏壓到接近受抑制的情況，這樣，輸出信號(hào)被限幅，從而發(fā)生畸變并有很多諧波。然而，這種類型的倍頻器存在許多問題。例如電穩(wěn)定性會(huì)是一個(gè)敏感的問題，因?yàn)橛锌赡茈S著某個(gè)偏壓或功率電平而發(fā)生自激振蕩。而且，例如，在有源耦合的場效應(yīng)晶體管中柵極有反向電擊穿的危險(xiǎn)，對(duì)于所討論的元件伴有可靠性問題。而且，這些有源倍頻器的性能對(duì)于輸入功率和晶體管參量的變化也很敏感。
二極管也可用于頻率高到或超過1000GHz的倍頻。然而，它們需要相對(duì)較高的輸入功率，并通常具有較低的變頻效率，即輸入功率中被轉(zhuǎn)換成想要的頻率的功率的部分相對(duì)較低。在未來的射頻系統(tǒng)中，在微波領(lǐng)域可以預(yù)期微波電路在很大程度上將被做成單片集成電路，MMIC。這些電路在有源元件，即，晶體管方面，通常是最佳化的，而用MMIC做的二極管通常不如分立的二極管，因?yàn)槔硐胄砸蛩睾痛?lián)電阻明顯較高。所謂理想性因素是指恒定量，由此，理想二極管方程可適合于二極管的真實(shí)特性。
在美國專利US 4 907 045中，給出一種倍頻器，其中場效應(yīng)晶體管類型的半導(dǎo)體元件中的溝道被用作為無源非線性元件。所謂無源是指對(duì)于元件或設(shè)備功能，不消耗直流功率或消耗的直流功率量是可忽略的。通過使用隧道效應(yīng)，在元件的電流-電壓特性中得到負(fù)阻區(qū)域，這樣，流過元件的電流隨著元件上的線性增加的電壓而交替地上升和下降。當(dāng)頻率fIN的周期電壓被加到元件上時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電流，它即使不濾波也是以頻率fIN的諧波占優(yōu)勢。所描述的元件需要特定的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它是難以生產(chǎn)的和市面上沒有出售的。因?yàn)樵€有負(fù)的微分電導(dǎo)，所以不可避免地在某個(gè)頻率上有自激振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。
在美國專利US 4 734 591中，給出一種有源倍頻器，它在共源極的放大器電路中基于具有兩個(gè)柵極的FET-晶體管而構(gòu)建的。輸入信號(hào)以這樣的方式被耦合到這兩個(gè)柵極，以使得在兩個(gè)柵極電壓之間造成180°的相位差。通過對(duì)FET-晶體管的溝道的適當(dāng)?shù)钠茫鬟^溝道的電流將以兩倍于輸入信號(hào)頻率的頻率分量占優(yōu)勢。正如所有有源倍頻器那樣，在本文中描述的技術(shù)具有明顯的缺點(diǎn)它消耗功率。而且，有源倍頻器常常導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。變頻器在某些情況下趨向于不穩(wěn)定，并開始振蕩。
發(fā)明概要如上所述，在許多情況下，希望能夠產(chǎn)生一種用于實(shí)行倍頻，即從輸入信號(hào)出發(fā)產(chǎn)生輸出信號(hào)的設(shè)備和方法，其中輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，每個(gè)包括至少一個(gè)頻率分量，以及其中輸出信號(hào)的頻率分量是輸入信號(hào)的頻率分量的倍數(shù)。具體地希望能夠進(jìn)行倍頻，其中合并有高的變換效率和絕對(duì)的電穩(wěn)定性。還希望這些設(shè)備和方法能應(yīng)用于微波和毫米波頻率。為滿足這些希望，以前一直存在著問題。
本發(fā)明通過采用所謂的電阻性變頻來解決這個(gè)問題。這個(gè)原理是要被倍頻的信號(hào)被加到時(shí)變的導(dǎo)納。本發(fā)明的基礎(chǔ)在于，這個(gè)電導(dǎo)被做成隨輸入信號(hào)的本身的頻率而變化。在本發(fā)明中，這樣的電導(dǎo)是借助于具有在其上加上輸入電壓的控制電極的晶體管而得到的。這樣，產(chǎn)生了輸入信號(hào)頻率分量的倍數(shù)的電流和電壓，即產(chǎn)生以頻率N·f1，N·f2，..，N·fn的信號(hào)功率，其中f1，f2，..，fn是輸入信號(hào)的頻率分量以及N是正整數(shù)。借助于場效應(yīng)管有可能產(chǎn)生這樣的電導(dǎo)，其中，電導(dǎo)由在場效應(yīng)晶體管的源極與漏極之間的晶體管的所謂溝道構(gòu)成。這個(gè)電導(dǎo)通過把輸入信號(hào)同時(shí)加到晶體管的柵極而被做成隨輸入信號(hào)的頻率變化。最終的電導(dǎo)因此將隨時(shí)間周期變化，該時(shí)間周期實(shí)際上等同于所加的柵極電壓的周期。
由于晶體管溝道電導(dǎo)被用來倍頻，以及晶體管工作于電阻性區(qū)域，所以在漏極和源極之間不需要加上直流電壓，這意味著電路不需要任何直流功率。不用直流功率，電路具有的放大量總是小于一，因此電路總是電穩(wěn)定的。而且，溝道電導(dǎo)相對(duì)較容易適合于想要的阻抗大小，例如50歐姆，以使得反射最小化。通過改變柵極的直流偏置，有可能電改變阻抗大小。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是產(chǎn)生一種用于當(dāng)從輸入信號(hào)出發(fā)時(shí)，以得到良好的變換效率的方式產(chǎn)生一個(gè)其主要頻率是輸入信號(hào)的主要頻率的倍數(shù)的信號(hào)的設(shè)備和方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是產(chǎn)生一種用于倍頻的設(shè)備和方法，其中設(shè)備將是無條件地電穩(wěn)定的，不應(yīng)當(dāng)消耗任何值得提起的直流功率，具有對(duì)于任何參量變化的高的容差，并且便于作為微波單片集成電路(MMIC)來制作與實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是產(chǎn)生一種用于倍頻的無源設(shè)備，其中該設(shè)備適合于相同單元的串聯(lián)，用于產(chǎn)生較高頻率的元件。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是產(chǎn)生一種用于高頻的射頻信號(hào)的變頻設(shè)備，即把射頻信號(hào)的信息內(nèi)容從頻譜的一個(gè)部分變換到頻譜的另一個(gè)部分。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是產(chǎn)生一種用于在某些波長的射頻連接上傳輸語音和/或計(jì)算機(jī)通信的設(shè)備，在這些波長上，對(duì)相位噪聲有高要求的振蕩器是難以制造的。
本發(fā)明的中心優(yōu)點(diǎn)是，變頻器很適合于以微波單片集成電路制作。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在變頻期間，在輸入與輸出功率之間的聯(lián)系基本上保持線性，直到出現(xiàn)飽和為止，這允許調(diào)整輸出效果。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由倍頻得出的想要的頻率分量上的輸出功率能夠由控制電極上的直流偏置來控制，這給出了輸出功率控制的可能性。
本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在變頻期間的阻抗大小很容易適合于想要的大小，以使得反射最小化。
本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它允許倍頻，其中在不想要的頻率分量上所產(chǎn)生的功率分量保持在低的電平，這簡化了濾出想要的頻率分量。
下面將參照附圖借助于實(shí)施方案的例子更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
附圖簡述

圖1是信號(hào)圖，它顯示了對(duì)于場效應(yīng)晶體管的電流-電壓特性。
圖2是顯示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的方框圖。
圖3是信號(hào)圖，它顯示了對(duì)于圖2的實(shí)施例的場效應(yīng)晶體管的電流-電壓特性。
圖4上顯示了信號(hào)圖，它顯示了在圖2的實(shí)施例的輸入端與輸出端上的信號(hào)之間的關(guān)系。
圖5是顯示相對(duì)于結(jié)合圖2所顯示的實(shí)施例的替換的實(shí)施例的方框圖。
圖6是對(duì)于微波區(qū)域的功率分配器的總的方案。
圖7上顯示了按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的三倍頻器方框圖，其中兩個(gè)場效應(yīng)晶體管串聯(lián)連接。
圖8上顯示了信號(hào)圖，它顯示了在圖7的實(shí)施例的輸入端與輸出端上的信號(hào)之間的關(guān)系。
圖9上顯示了按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的三倍頻器方框圖，其中兩個(gè)場效應(yīng)晶體管并聯(lián)連接。
圖10上顯示了信號(hào)圖，它對(duì)于在圖9的實(shí)施方案的例子顯示了在晶體管溝道上的電壓，晶體管溝道電導(dǎo)時(shí)間函數(shù)和通過該晶體管溝道的最終電流之間的關(guān)系。
圖11上顯示了總體圖，它顯示了包括有把本振頻率倍頻的倍頻設(shè)備的超外差接收機(jī)。
圖12上顯示了總體圖，它顯示了按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的平衡倍頻器的例子。
圖13是顯示按照本發(fā)明構(gòu)建的射頻鏈路的方框圖。
圖14是顯示按照本發(fā)明的倍頻器的方框圖。
圖15是信號(hào)圖，它顯示了結(jié)合圖14給出的實(shí)施例的功能。
實(shí)施例詳細(xì)說明在按照現(xiàn)有的技術(shù)的基于二極管的無源倍頻器中，以正弦電壓形式的輸入信號(hào)被加到由二極管構(gòu)成的非線性元件。從以這種方式產(chǎn)生的電流中提取輸出信號(hào)。當(dāng)二極管具有由輸入信號(hào)所加上的周期電壓時(shí)，二極管的電導(dǎo)，由于二極管的非線性特性，將以輸入信號(hào)的相同周期變化。
流過二極管的電流根據(jù)定義等于二極管電導(dǎo)乘以二極管上的電壓。如果二極管電導(dǎo)正比于輸入信號(hào)，則流過二極管的電流，類似于倍頻器的原理(其中兩個(gè)頻率相乘以便產(chǎn)生頻率和值以及差值)，將是兩倍于輸入信號(hào)的頻率的正弦波形的。然而，在二極管電導(dǎo)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系是遠(yuǎn)離于線性的。結(jié)果，二極管電導(dǎo)作為時(shí)間的函數(shù)將保持大量的頻率分量。因而，輸出信號(hào)也將包含許多頻率分量。只有一小部分輸出信號(hào)功率將被發(fā)現(xiàn)為想要的頻率分量，這暗示了相對(duì)較低的效率。這個(gè)關(guān)于引入一種以和元件上的電壓同樣的周期變化的元件電導(dǎo)，并借此產(chǎn)生其頻率是倍數(shù)的電流和電壓的這個(gè)原理可被稱為電阻性變頻。
圖1顯示了在晶體管的正向上的場效應(yīng)晶體管電流-電壓特性。圖上顯示了流過從其漏極到其源極的晶體管溝道的電流IDS，作為在晶體管柵極與其源極之間的電壓UGS的多個(gè)離散值處的在漏極與源極之間的電壓UDS的函數(shù)。晶體管的工作區(qū)域傳統(tǒng)地被劃分成電阻性區(qū)域和飽和區(qū)域，如圖所示。如圖進(jìn)一步提出的，晶體管電導(dǎo)，它相應(yīng)于圖上的曲線的斜率dIDS/dUDS，主要地正比于電阻性區(qū)域中的電壓UGS。這個(gè)關(guān)系特別適合于小的電壓值UDS，但也是對(duì)于在電阻性區(qū)域內(nèi)的每個(gè)電壓值UDS的晶體管電導(dǎo)的適當(dāng)描述。在這個(gè)圖1中的電流-電壓特性適用于MOS場效應(yīng)晶體管(金屬氧化物半導(dǎo)體)，但同樣關(guān)系也近似地適用于其它類型的場效應(yīng)晶體管。
在電阻性區(qū)域中的溝道電導(dǎo)率改變可通過取決于電壓UGS的溝道截面而被簡化地解釋，晶體管溝道的變窄正比于電壓值UGS。從這個(gè)簡單的模式，可以看到溝道電導(dǎo)的兩個(gè)極端值當(dāng)溝道完全被截?cái)鄷r(shí)，和當(dāng)溝道的全部截面可被使用時(shí)。正如所提到的，處在這兩個(gè)極端值之間的電導(dǎo)基本上正比于在柵極與源極之間的電壓UGS。
在漏極與源極之間的場效應(yīng)晶體管溝道因此可被用作為可控制的電導(dǎo)。通過以適當(dāng)?shù)钠眉由舷嗤碾妷旱綀鲂?yīng)晶體管柵極，正如通過晶體管溝道加上的，得到了與所加上的電壓相同周期變化的電導(dǎo)。這個(gè)電導(dǎo)可被做成隨柵極與源極之間的電壓UGS基本上線性地變化，這樣作為時(shí)間函數(shù)的電導(dǎo)成為正弦形的。如果在溝道上的電壓也被看作為正弦的，則由這個(gè)方法所產(chǎn)生的電流將是多個(gè)頻率分量的和，其中的二次諧波，它相應(yīng)于所加的電壓的頻率的兩倍，將形成總電流的重要部分。利用在柵極與源極之間的電壓UGS的更高的幅度，也可得到近似方形的電導(dǎo)函數(shù)。然后，場效應(yīng)晶體管主要起到開關(guān)的作用，它在高電導(dǎo)和低電導(dǎo)之間變化。而且，對(duì)于電導(dǎo)的正弦的與近似方形的時(shí)間函數(shù)之間的所有形狀當(dāng)然也是可想象到的。
圖2上顯示了按照本發(fā)明的示意性實(shí)施例。頻率為f0的基本上正弦的輸入信號(hào)經(jīng)過緩沖器1和第一帶通濾波器2被引導(dǎo)到場效應(yīng)晶體管5的漏極D。緩沖器的任務(wù)是隔離緩沖器的輸入端不受輸出端處的電路的影響。緩沖器1在這里由簡單的放大器級(jí)實(shí)現(xiàn)。
在這個(gè)實(shí)施例中，場效應(yīng)晶體管是帶有肖特基柵極的GaAs-FET(砷化鎵-場效應(yīng)晶體管)，所謂的MESFET(金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)，它特別適合于微波集成電路MMIC，但許多其它類型的場效應(yīng)晶體管，例如所謂的HEMT(高電子遷移率晶體管)或MOSFET在這種連接中也是可以想象得到的。場效應(yīng)晶體管5還配備有柵極G和源極S。在漏極D和源極S之間，場效應(yīng)晶體管具有一個(gè)溝道，其電導(dǎo)取決于在柵極G和源極S之間的電壓。源極S被連接到地。漏極D也被連接到第二帶通濾波器6。第二帶通濾波器6具有的中心頻率是第一帶通濾波器2的中心頻率的兩倍。該電路的輸出信號(hào)O在第二帶通濾波器6的輸出端處得到。
輸入信號(hào)IN也被連接到適配器電路3，它適配信號(hào)的電壓幅度，并把它移相一個(gè)相位角。利用這個(gè)相位角，在所產(chǎn)生的不同頻率分量之間的關(guān)系可被影響。對(duì)于按照本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例的倍頻器，為了良好的變換效率，相位角可有利地被選擇為近似等于90°或270°。適配器電路3的輸出端與場效應(yīng)晶體管5的柵極G相連接。而且，柵極G具有經(jīng)過電感器4加上的偏壓VG。這個(gè)電感器4具有半隔離功能，通過它對(duì)于信號(hào)頻率電壓具有高阻抗以及同時(shí)對(duì)于直流電壓具有低阻抗。
通過該輸入信號(hào)IN，被疊加在適當(dāng)?shù)钠珘荷?，被加到場效?yīng)晶體管的柵極G，在場效應(yīng)晶體管的漏極D和源極S之間的電導(dǎo)將被做成為以與輸入信號(hào)IN相同的頻率f0變化。想要的混頻產(chǎn)物，在本例中是2f0，經(jīng)過第二帶通濾波器6被提取出，這導(dǎo)致頻率2f0通過到輸出端。二倍頻率的輸出功率也能夠由柵極G上的直流偏置控制，這使得控制輸出功率成為可能，如果想要有AGC(自動(dòng)增益控制)功能的話。而且，在輸入和輸出功率之間的聯(lián)系是線性的，直到二倍頻器飽和為止，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如果希望調(diào)整輸出功率的話。
當(dāng)溝道電導(dǎo)被使用于倍頻和晶體管工作在電阻性區(qū)域時(shí)，不一定要在漏極D和源極S之間加直流電壓，這意味著，該電路不需要任何直流功率，因而它是無源的。由此也得出，電路具有的放大量小于一，因此電路總是電穩(wěn)定的。而且，阻抗大小處在實(shí)際數(shù)值，溝道電導(dǎo)相對(duì)較容易適合于想要的阻抗大小，以使得反射最小化。通過改變柵極G上的直流偏置，有可能電改變阻抗大小。
大大地簡化后，在漏極D與源極S之間的電導(dǎo)，在以下被稱為時(shí)間t的函數(shù)G(t)，為簡明起見，可被看作為直接正比于在柵極G與源極S之間的電壓。如果輸入信號(hào)是具有相位頻率ω0的純正弦波形，以及加上適當(dāng)?shù)钠?，則電導(dǎo)G(t)可作為可想象的功能的例子被寫為G(t)≈G1[1+cos(ω0t+)]其中G1表示電導(dǎo)G(t)的平均值，以及表示在電導(dǎo)G(t)與輸入信號(hào)之間的相位差。如果在漏極D與源極S之間的電壓，在這里它具有參考值uDS(t)，多少簡化地，可被看作為直接正比于輸入信號(hào)IN，則對(duì)于在漏極D與源極S之間的電壓的以下的函數(shù)被得出為uDS(t)＝U1cosω0t其中U1表示在漏極D與源極S之間的電壓的幅度。在這種情況下，對(duì)于流過晶體管溝道的電流iDS(t)被得出為iDS(t)≈uDS(t)·G(t)＝G1U1cosω0t+(G1U1/2)·[cos+cos(2ω0t+)]如果相位角是90°，或替換地是270°，則直流分量變成為零
iDS(t)≈G1U1cosω0t(G1U1/2)·sin2ω0t按照這個(gè)簡化計(jì)算，電流iDS(t)因此包含兩個(gè)頻率分量基頻和二次諧波。通過用這種方法壓縮更高階的頻率分量，相對(duì)于先前已知的解決辦法來說，濾波可被大大地簡化。
為了達(dá)到更高的變換效率以使得二倍頻的功率相對(duì)于所傳遞的功率來說最大化，在最大值與最小值之間的關(guān)系應(yīng)當(dāng)盡可能地大。這是通過在柵極與源極之間的電壓的大的幅度達(dá)到的，這樣，電導(dǎo)近似成為方形的。由此，除了雙倍頻的高功率，還獲得在更高階次頻率分量處的功率?？梢酝ㄟ^在適配電路3處的不同相移和通過改變柵極G處的偏壓VG來控制在不同頻率分量之間的關(guān)系，使得電導(dǎo)作為時(shí)間函數(shù)的脈沖關(guān)系改變。因此，如圖2所示的倍頻器通過適當(dāng)選擇帶通濾波器2和6也能被用來產(chǎn)生三次諧波，它相應(yīng)于基頻的三倍的頻率，由此，用作為三倍頻器。
利用這個(gè)實(shí)施例，可產(chǎn)生近似為-5dB的變換效率。由此，單級(jí)晶體管級(jí)對(duì)于把電壓電平返回到輸入信號(hào)的信號(hào)電平是足夠的。例如，這可按照熟知的現(xiàn)有技術(shù)本身通過在倍頻器的輸出端上的并聯(lián)反饋耦合的FET而達(dá)到，它給出寬的帶寬和6-10dB的放大量。
圖3上顯示了按照?qǐng)D2的實(shí)施例的電路中的場效應(yīng)晶體管的電流-電壓特性。適配器電路3中的相移在這里等于90°，溝道電導(dǎo)被做成隨柵極與源極之間的電壓基本上線性地變化。在漏極與源極之間的電壓在這里被給出為參考值UDS，而IDS是指流過晶體管溝道的電流。由于溝道電導(dǎo)相對(duì)于輸入信號(hào)IN相位旋轉(zhuǎn)90°，所以將得到一個(gè)在場效應(yīng)晶體管的電阻性區(qū)域中描繪出一個(gè)“8”字的電流-電壓曲線。
圖4，其中t代表時(shí)間，顯示了對(duì)于實(shí)施例的同一個(gè)例子的在輸入信號(hào)IN之間的關(guān)系；在時(shí)間與源極之間的電壓uGS；溝道電導(dǎo)Gk；流過晶體管溝道的電流iDS；以及濾出的輸出信號(hào)O。電流iDS顯示了非常接近于零的直流分量。
按照(相對(duì)于上面所描述的)本發(fā)明的替換實(shí)施例，晶體管漏極也給予偏壓。因此，晶體管溝道上的電壓經(jīng)受直流分量。通過適當(dāng)選擇在柵極和漏極上的各自不同的偏壓，如果晶體管溝道電導(dǎo)被做成與溝道上的電壓反相地正弦變化，則能夠產(chǎn)生流過晶體管電導(dǎo)的電流，其中基頻即使不濾波也可被最小化，同時(shí)較高階的頻率分量的功率保持在極低的電平上。
而且，可以想象以同樣方式使用雙極型晶體管，例如HBT(超結(jié)型雙極型晶體管)，而不用場效應(yīng)晶體管作為開關(guān)。在這種情況下，在一個(gè)優(yōu)選地正比于輸入信號(hào)的電流被加到晶體管的集電極與發(fā)射極之間的同時(shí)，一個(gè)取決于輸入信號(hào)的電流被注入到雙極型晶體管的基極。因此，就此而言，晶體管可被控制成使得它被交替地截?cái)嗪惋柡汀?br> 因此，得到在集電極和發(fā)射極之間流過晶體管的富于諧波的電流，其中想要的頻率分量可被濾出。以類似于場效應(yīng)晶體管的方式，諧波之間的關(guān)系通過改變?cè)陔p極型晶體管的基極與其集電極之間的相位差和通過改變注入到基極的電流中的直流電流分量而被影響。
圖5是顯示相對(duì)于結(jié)合圖2所描述的實(shí)施例的另一個(gè)替換實(shí)施例的方框圖。輸入信號(hào)IN的功率借助于功分器20這樣地劃分成第一部分和第二部分，以使得第一部分包含大多數(shù)功率。這個(gè)第一部分經(jīng)過第一濾波器22被傳送到場效應(yīng)晶體管25的漏極，該場效應(yīng)晶體管也以傳統(tǒng)方式裝備有源極和柵極。在倍頻期間得到的在漏極和源極之間的電壓在圖上具有參考值uDS。在漏極和源極之間，有一個(gè)溝道，溝道的電導(dǎo)取決于在柵極與源極之間的電壓。源極被連接到第二濾波器26，在其輸出端處得到輸出信號(hào)O。
輸入信號(hào)IN的功率的所述第二部分經(jīng)過適配器電路23被提供給晶體管25的柵極，在本例中，適配器電路把信號(hào)相位旋轉(zhuǎn)90°。通過適當(dāng)?shù)剡m配分別被提供到場效應(yīng)晶體管25的漏極和柵極的信號(hào)的信號(hào)電平和經(jīng)過電感24被加到柵極的偏壓VG，晶體管25被做成工作在其電阻性區(qū)域。有利地，被提供到柵極的信號(hào)的信號(hào)電平可被這樣適配，以使得晶體管溝道電導(dǎo)主要只采取兩個(gè)離散值，這樣晶體管用作為開關(guān)，它在高的和低的電導(dǎo)大小之間切換。因此，在晶體管25中將產(chǎn)生在輸入信號(hào)頻率的倍數(shù)處的信號(hào)功率。濾波器22被適配來發(fā)基頻，以及衰減和反射更高頻率的分量。然而，濾波器26被適配來衰減和/或反射基頻，以及發(fā)射更高頻率的分量到輸出信號(hào)O。
所描述的實(shí)施例可有利地被用作為二倍頻器，以便于產(chǎn)生第二諧波。通過改變偏壓VG，所產(chǎn)生的頻率分量的相對(duì)強(qiáng)度可被控制。因此，例如，可以對(duì)三次諧波有利的。
圖6上詳細(xì)地顯示了無源功分器20，它在這里是帶有三個(gè)端口的Wilkinson-分配器。Wilkinson-分配器，按照本身已知的技術(shù)，把來自第一端口P1的輸入功率分到兩個(gè)輸出端口P2和P3，由此給出了在輸出端口之間的隔離。通常，Wilkinson-分配器20由三條傳輸線L1、L2和L3組成，它們?cè)诟鱾€(gè)傳輸線的一個(gè)端頭處連接在一起。在本例中，這些傳輸線是帶狀線導(dǎo)體，但它們也可用其它的已知方法來實(shí)現(xiàn)。在離這個(gè)端頭的距離λ/4處，相應(yīng)于輸入信號(hào)的四分之一波長，電阻RW被連接在傳輸線L2和L3的另一個(gè)端頭之間，其中也連接了兩個(gè)導(dǎo)體L4和L5。
如果按照對(duì)于Wilkinson分配器的已知技術(shù)，傳輸線導(dǎo)體的特性阻抗互相匹配并與電阻RW匹配，以及輸出端口P2和P3終端端接沒有反射，則電阻RW中沒有電流，由此Wilkinson分配器真正成為無損耗的。如果端口之一的負(fù)載阻抗是不適配的，則從該端口的反射信號(hào)部分地被電阻吸收。反射信號(hào)中的部分功率也被返回到輸入端，但只要另一個(gè)輸出端口是適配的，就沒有功率轉(zhuǎn)移到該端口。
為了得到比二倍頻更高的頻率分量，可有利地組合多個(gè)場效應(yīng)晶體管。兩個(gè)基本上相同的場效應(yīng)晶體管的串聯(lián)很適用于三倍頻。如果兩個(gè)串聯(lián)耦合的場效應(yīng)晶體管被這樣安排，以使得它們各自的溝道電導(dǎo)GFET1(t)和GFET2(t)在一級(jí)近似下假定是正比于正弦輸入信號(hào)，并互相為反相的，這樣，以下表示式成立GFET1(t)≈G3[1-cos(ω0t+)]GFET2(t)≈G3[1+cos(ω0t+)]其中G3表示電導(dǎo)的幅度，是相對(duì)于輸入信號(hào)的相位角，t表示時(shí)間，以及ω0表示輸入信號(hào)的角頻率，對(duì)于由串聯(lián)耦合的場效應(yīng)晶體管的組合電導(dǎo)的以下的表示式被得到為GF(t)＝GFET1(t)·GFET2(t)/[GFET1(t)+GFET2(t)]≈(G3/4)·[1-cos(2ω0t+2)]組合的電導(dǎo)GF(t)因此近似正比于正弦信號(hào)，其頻率是輸入信號(hào)的頻率的二倍。
如果電壓uIN(t)，它正比于輸入信號(hào)，被加到這個(gè)組合的電導(dǎo)GF(t)，那麼，如果電壓uIN(t)服從以下表示式uIN(t)＝U3cosω0t則得出電流i3(t)流過兩個(gè)場效應(yīng)晶體管溝道，它可按照以下函數(shù)被描述i3(t)＝uIN(t)·GF(t)≈(G3U3/8)·[2cosω0t-cos(ω0t+2)-cos(3ω0t+2)]電流i3(t)因此將主要包含兩個(gè)頻率分量基本角頻率ω0和三次諧波。如果相位角是180°的倍數(shù)，則基頻的幅度最小，并得出電流i3(t)的以下表示式i3(t)≈(G3U3/8)·(cosω0t-cos3ω0t)圖7上顯示了按照以上描述的原理工作的三倍頻器的簡化方框圖。兩個(gè)基本上相同的場效應(yīng)晶體管36和37，每個(gè)具有柵極G5，G7，漏極D6，D7，源極S6，S7以及在漏極與源極之間的溝道，通過場效應(yīng)晶體管37的漏極D7被連接到場效應(yīng)晶體管36的源極S6而串聯(lián)連接。場效應(yīng)晶體管37的源極S7被連接到地。輸入信號(hào)IN經(jīng)過放大器電路31和帶通濾波器38被饋送到場效應(yīng)晶體管36的漏極D6。帶通濾波器39也被連接到場效應(yīng)晶體管36的漏極D6。在這個(gè)帶通濾波器的輸出端處，得出三倍頻器的輸出信號(hào)O。
輸入信號(hào)IN經(jīng)過兩個(gè)適配器電路32和33也被分別耦合到場效應(yīng)晶體管36的柵極G6和場效應(yīng)晶體管37的柵極G7。適配器電路32在輸入端與輸出端之間具有180°的相移，而適配器電路33并不相位旋轉(zhuǎn)該信號(hào)。在所有其它方面，在適配器電路32，33的輸出端處的信號(hào)優(yōu)選地是相同的。因此，場效應(yīng)晶體管36的柵極G6被提供有一個(gè)信號(hào)，它是與輸入信號(hào)以及被加到場效應(yīng)晶體管37的柵極G7的信號(hào)反相的。場效應(yīng)晶體管36的柵極G6通過電感35被提供有一個(gè)偏壓VG2。同樣地，場效應(yīng)晶體管37的柵極G7通過電感34被提供有一個(gè)偏壓VG1。在本實(shí)施例中，偏壓VG1具有與偏壓VG2相同的值。如果偏壓VG1和VG2，被加到場效應(yīng)晶體管的柵極的電壓的幅度以及串聯(lián)的場效應(yīng)晶體管的溝道被這樣適配，以使得晶體管被做成基本上工作在它們的電阻性區(qū)域內(nèi)，則場效應(yīng)晶體管溝道的電導(dǎo)將反相地以基本上相同的幅度改變。由于輸入信號(hào)被加到串聯(lián)的場效應(yīng)晶體管溝道，所以在將被產(chǎn)生的電流和電壓中三次諧波，即具有的頻率是輸入信號(hào)的頻率的三倍，將構(gòu)成重要部分。
圖8上顯示了對(duì)于本發(fā)明的本實(shí)施例的信號(hào)作為時(shí)間t的函數(shù)的例子。正弦輸入信號(hào)IN被加到三倍頻器上。由此，產(chǎn)生了流過場效應(yīng)晶體管溝道的電流i3(t)。由于帶通濾波器39適配于比輸入信號(hào)的頻率高三倍的頻率，帶通濾波器被做成從電流i3(t)中濾出想要的頻率分量。
圖9上顯示了按照本發(fā)明的三倍頻器的另一個(gè)實(shí)施例的簡化方框圖。兩個(gè)基本上相同的場效應(yīng)晶體管46和47，每個(gè)具有柵極G6，G7，漏極D6，D7，源極S6，S7以及在漏極與源極之間的溝道，通過場效應(yīng)晶體管47的漏極D7被連接到場效應(yīng)晶體管46的漏極D6，而并聯(lián)連接，以及兩個(gè)源極S6，S7被連接到地。輸入信號(hào)IN經(jīng)過放大器電路41和帶通濾波器48被饋送到兩個(gè)場效應(yīng)晶體管46，47的漏極D6，D7。帶通濾波器49，在其輸出端處得出三倍頻器的輸出信號(hào)O，也被連接到漏極。
輸入信號(hào)IN經(jīng)過兩個(gè)適配器電路42和43也被分別耦合到場效應(yīng)晶體管46的柵極G6和場效應(yīng)晶體管47的柵極G7。適配器電路42在輸入端與輸出端之間具有180°的相移，而適配器電路33并不相位旋轉(zhuǎn)該信號(hào)。因此，場效應(yīng)晶體管46的柵極G6被加上一個(gè)信號(hào)，它是與輸入信號(hào)以及被加到場效應(yīng)晶體管47的柵極G7的信號(hào)反相的。在本例中，優(yōu)選的相位旋轉(zhuǎn)是180°和0°。另外，對(duì)于這些相位旋轉(zhuǎn)也可選擇其它值。
場效應(yīng)晶體管46的柵極G6還通過電感45被加上一個(gè)偏壓VG2。同樣地，場效應(yīng)晶體管47的柵極G7通過電感44被加上一個(gè)偏壓VG1。優(yōu)選地，偏壓VG1和VG2，以及被加到場效應(yīng)晶體管的柵極的電壓的幅度被這樣適配，以使得晶體管被做成開關(guān)的作用，它們?cè)诟叩暮偷偷臏系离妼?dǎo)之間交替。在本實(shí)施例中，偏壓VG2具有與偏壓VG1相同的數(shù)值。當(dāng)晶體管柵極上的電壓反相時(shí)，晶體管將替換地具有高的電導(dǎo)。電導(dǎo)GDSp，它是由兩個(gè)溝道電感的并聯(lián)連接而得出的，在這方面將具有基本上方波形狀作為時(shí)間t的函數(shù)，如圖10所示。在該圖10上，也顯示了一個(gè)電壓uDS它是電導(dǎo)G上的電壓，并基本上正比于輸入信號(hào)IN。而且還顯示了流過電導(dǎo)的最終的電流iDSp，即流過并聯(lián)晶體管46和47的電流。
由電壓uDS產(chǎn)生的流過并聯(lián)場效應(yīng)晶體管的電流將包括多個(gè)諧波頻率分量，其中的三次諧波，它具有比輸入信號(hào)IN高三倍的頻率，構(gòu)成重要部分。頻率分量的相對(duì)強(qiáng)度可通過調(diào)節(jié)偏壓VG1和VG2而被控制，由此，可設(shè)置電導(dǎo)GDSp的脈沖商作為時(shí)間t的函數(shù)。
為了進(jìn)一步壓縮基頻，可以以平衡設(shè)計(jì)有利地實(shí)施本發(fā)明。圖12顯示了按照這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例。
輸入信號(hào)在這里被加到功分器120，它具有一個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端120a和120b。功分器120把輸入結(jié)果相等地分到其兩個(gè)輸出端120a和120b，以使得在輸出端處的信號(hào)具有相同的信號(hào)電平，并在相位上互相差180°。來自功分器120的輸出端120a上的信號(hào)被加到第一倍頻器模塊80，在其中該信號(hào)經(jīng)過第一緩沖器81和第一帶通濾波器82被引導(dǎo)到第一場效應(yīng)晶體管85的漏極。場效應(yīng)晶體管85還以傳統(tǒng)方式配備有柵極，源極，和在漏極與源極之間的溝道。溝道的電導(dǎo)取決于在柵極與源極之間的電壓。源極倍連接到地。
輸出端120a處的信號(hào)也被加到適配器電路83，它包含某個(gè)放大量，并把輸入信號(hào)相移一個(gè)相位角。這個(gè)相位角在本例中等于90°。適配器電路83的輸出端被連接到場效應(yīng)晶體管85的柵極。而且，該柵極經(jīng)過第一電感84被加以偏壓VG。
通過來自功分器120的輸出端120a上的信號(hào)被疊加在適當(dāng)?shù)钠珘篤G上，被加到場效應(yīng)晶體管85的柵極，在這個(gè)場效應(yīng)晶體管的漏極與源極之間的電導(dǎo)被做成以與輸出端120a處的信號(hào)相同的頻率變化，由此，也是以輸入信號(hào)IN的頻率變化。來自倍頻器模塊80的輸出信號(hào)從晶體管85的漏極被提取，并被加到功率合成器121的第一輸入端。
來自功分器120的輸出端120b被連接到第二倍頻器模塊90，它包括第二緩沖器91，第二帶通濾波器94，第二適配器93，第二電感94，和第二場效應(yīng)晶體管95，其中這些元件與早先提到的第一緩沖器81，第一帶通濾波器84，第一適配器83，第一電感84，和第一場效應(yīng)晶體管85完全類似地安排。因而，兩個(gè)倍頻器模塊80，90基本上具有完全相同的功能。來自倍頻器模塊90的輸出信號(hào)從晶體管92的漏極被提取，并被提供到功率合成器121的第二輸入端。這個(gè)功率合成器121把在其兩個(gè)輸入端處的信號(hào)同相相加。由于兩個(gè)倍頻器模塊基本上是相同的，所以來自兩個(gè)倍頻器模塊的輸出信號(hào)將具有基本上相同的幅度譜，但由于功分器120將具有不同的相位譜。基頻將以180°的相位差被相加，即以抵消干擾而相加。第二諧波，具有的頻率是基頻的兩倍，將以360°的相位差被相加，即同相相加。同樣地，N次諧波，其中N是正整數(shù)，將以N-180°的相位差被相加。這意味著，所有奇次諧波將趨向于被消除，而所有偶次諧波將被放大。因此，通過本發(fā)明的這種平衡的實(shí)施例，可得到很好地壓縮基頻、三次諧波和甚至更高階的奇次諧波的倍頻器，給出二倍頻器的理想關(guān)系。
為了簡明起見，在本實(shí)施例中的倍頻器被顯示為兩個(gè)相同的倍頻器模塊80，90，它們都具有和結(jié)合圖2給出的倍頻器同樣的工作方式。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將看到，這種平衡的實(shí)施例的許多變例都是可能的。例如，實(shí)施例可通過使用帶有倒相和非倒相輸出端的放大器來組合緩沖器81和91而被簡化。同樣地，適配器83和93也可組合，它們使得無源功分器完全過多。這種平衡實(shí)施例的許多進(jìn)一步的變例的存在是很容易看到的，因?yàn)榘凑毡景l(fā)明的倍頻器的幾乎所有早先揭示的工作方式可被使用于兩個(gè)倍頻器模塊80和90。
在射頻技術(shù)中，在接收機(jī)中常常需要產(chǎn)生高頻率的周期信號(hào)，其中所謂本地振蕩器被用來通過混頻把來自天線的進(jìn)入的信號(hào)變換成中頻。為了提供不同頻帶的良好的隔離，本地振蕩器頻率通常被選擇為與進(jìn)入的信號(hào)的頻率相同的量級(jí)。然而，對(duì)于極高的頻率，例如超過30GHz，構(gòu)建振蕩在想要的頻率上的低相位噪聲的本地振蕩器是昂貴的。所以，在許多情況下，需要能夠在變頻以前倍頻本地振蕩器的頻率。
圖11上顯示了按照本發(fā)明的實(shí)施例的超外差接收機(jī)70的簡化方框圖。這里，本地振蕩器產(chǎn)生比進(jìn)入的射頻信號(hào)RF的頻率低的頻率。這樣產(chǎn)生的頻率然后在以傳統(tǒng)方式與射頻信號(hào)RF混頻以前被倍頻，它構(gòu)成進(jìn)到超外差接收機(jī)70的輸入信號(hào)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，超外差接收機(jī)70是打算用于接收微波信號(hào)的。
進(jìn)入的射頻信號(hào)RF被提供到混頻器73的第一輸入端。本地振蕩器74產(chǎn)生頻率為本地振蕩器頻率fLO的正弦信號(hào)SLO這個(gè)信號(hào)被提供到倍頻器設(shè)備，包括一系列四個(gè)二倍頻器74a，..，74d，每個(gè)二倍頻器按照結(jié)合圖2所描述的實(shí)施例設(shè)計(jì)。每個(gè)二倍頻器74a，..，74d產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，其主要的頻率分量是到各個(gè)二倍頻器的輸入信號(hào)的主要頻率分量的兩倍。倍頻器74d，位于倍頻器鏈的最后位置，產(chǎn)生混頻器信號(hào)B，它因此以比本振頻率fLO高16倍的頻率占優(yōu)勢，多多少少高于視頻信號(hào)RF的頻率。這個(gè)混頻器信號(hào)B被提供到混頻器73的第二輸入端。
倍頻器鏈中的倍頻器數(shù)目在本例中等于四，然而，這只是隨機(jī)選擇的數(shù)目。而且，每個(gè)倍頻器，或替換地某些倍頻器，可被做成產(chǎn)生大于二次的諧波。所以，對(duì)于在本振頻率與射頻信號(hào)的頻段之間的想要的關(guān)系，可以得到其中頻率等于本振頻率fLO乘以任意整數(shù)的混頻器信號(hào)B。
混頻器73，它產(chǎn)生信號(hào)S7，基本上執(zhí)行相應(yīng)于被加到其兩個(gè)輸入端的信號(hào)RF與B的乘法的功能。這導(dǎo)致產(chǎn)生在混頻器信號(hào)B與射頻信號(hào)RF之間的和-頻率與差-頻率。所得到的信號(hào)S7被加到帶通濾波器76，它濾出想要的混頻頻率，它在本例中是差頻率。因此，得到了信號(hào)IF，它被中頻放大器77放大。通過這個(gè)方法，接收的射頻信號(hào)頻帶從微波區(qū)域向下移到較低的頻率區(qū)域。
來自中頻放大器77的輸出端上的信號(hào)被加到以頻率解調(diào)器形式的檢波器，它是按照現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)建的，用于解調(diào)調(diào)頻(FM)信號(hào)。因此，得到了計(jì)算機(jī)信號(hào)LF。超外差接收也被用于其它類型的信號(hào)解調(diào)。通過選擇適當(dāng)類型的檢波器，超外差接收機(jī)70也可被用于，例如，調(diào)幅(AM)或調(diào)相(PM)信號(hào)。
用于發(fā)射電話和數(shù)據(jù)信息的射頻鏈路的使用在今天是通常發(fā)生的事件。射頻鏈路常常聯(lián)合在一起，以使得完整的傳輸網(wǎng)連同多個(gè)射頻鏈路一起構(gòu)建。業(yè)務(wù)發(fā)源于，例如，電話交換機(jī)，然后射頻鏈路把電話業(yè)務(wù)分配給在接連的鏈接網(wǎng)絡(luò)中的用戶。另一種常用的應(yīng)用場合是移動(dòng)電話，其中射頻鏈路被用來分布到遠(yuǎn)端或位于不能接入的基站。這方面的例子是地形上的高點(diǎn)或大城市環(huán)境，其中使用地面通信是困難和昂貴的。
按照本發(fā)明的射頻鏈路，如圖13所示，其中射頻鏈路具有基準(zhǔn)150，包括兩個(gè)射頻鏈路收發(fā)信機(jī)130，140，它們?cè)谏漕l連接上(通常在微波區(qū)域)互相通信。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，射頻鏈路收發(fā)信機(jī)130，140，每個(gè)包括三個(gè)主模塊接入模塊131，141，射頻模塊132，142，以及天線模塊133，134。
接入模塊131，141構(gòu)成射頻鏈路與周圍的接口，并取決于應(yīng)用，與移動(dòng)電話系統(tǒng)中的基站通信或與固定電話網(wǎng)的交換機(jī)通信。
射頻模塊132，142的主要任務(wù)包括，多少簡化地，把語音和/或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到其上發(fā)生射頻鏈路收發(fā)信機(jī)130，140之間的射頻連接的頻段。在本例中，三個(gè)頻段處在38GHz。如上所述，然而，制作振蕩在這些高頻上的很好工作的具有低噪聲的本地振蕩器是非常昂貴的。射頻模塊132，142因此包括如以上結(jié)合圖11所描述的超外差接收機(jī)，其中包括倍頻器鏈。由此，有可能制作出較低的本地振蕩器頻率。而且，倍頻器鏈在發(fā)射極側(cè)也被用來以相應(yīng)的方式產(chǎn)生具有想要的波長的載波。
天線模塊133，143的主要部件是拋物面天線，它對(duì)準(zhǔn)在射頻鏈路150中另一個(gè)射頻鏈路收發(fā)信機(jī)140，130中的相應(yīng)的天線模塊143，133。
在圖14上顯示了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。這給出了非常簡單設(shè)計(jì)的倍頻器。輸入信號(hào)IN經(jīng)過第一帶通濾波器52被耦合到場效應(yīng)晶體管55的源極S。這個(gè)第一帶通濾波器52適合于發(fā)射輸入信號(hào)的基頻，并用作為用于這個(gè)基頻的兩倍的頻率的信號(hào)分量的方框。場效應(yīng)晶體管55還提供有漏極D和柵極G。在源極S和漏極D之間，有一個(gè)溝道。當(dāng)場效應(yīng)晶體管處在其電阻性區(qū)域時(shí)，這個(gè)溝道的電導(dǎo)取決于在柵極G與源極S之間的電壓。
一個(gè)偏壓VG通過電感54被連接到柵極G。而且，柵極也通過電容53被連接到地。柵極G到地的阻抗(由這個(gè)電容53確定)在信號(hào)頻率上是可忽略的。因此，柵極得到等于VG的恒定的電位，而從信號(hào)看來，柵極是接地的。
漏極D被連接到第二帶通濾波器56的輸入端。在這個(gè)第二帶通濾波器56的輸出端上，得到了輸出信號(hào)O，該第二帶通濾波器被做成允許具有兩倍于輸入信號(hào)IN的基頻的信號(hào)分量通過，并同時(shí)用作為用于這個(gè)基頻的方框。
圖15上顯示了這個(gè)倍頻器的功能，其中t表示時(shí)間軸。如果輸入信號(hào)IN是正弦信號(hào)，則在柵極G與源極S之間的電壓uGS將是正弦的，因?yàn)閺男盘?hào)看來，柵極G是接地的，并且uGS相對(duì)于輸入信號(hào)IN將移相180°。當(dāng)源極上的電位高于柵極上的電位時(shí)的間隔期間，溝道電導(dǎo)將非常接近于零。然而，當(dāng)源極上的電位大大超過柵極上的電位時(shí)的間隔期間，溝道電導(dǎo)將取其最大值。通過適當(dāng)?shù)剡x擇輸入信號(hào)IN上的信號(hào)幅度和偏壓VG，得到了溝道電導(dǎo)的時(shí)間函數(shù)GDS的近似方形的圖形，如圖15所示。經(jīng)過大大地簡化，晶體管在輸入信號(hào)的部分時(shí)間間隔內(nèi)可被看作為導(dǎo)通的，而其余時(shí)間是絕緣的。因此，在漏極D與地之間的電壓uD將得出按照該圖的圖形。因?yàn)殡妷簎D是具有與輸入信號(hào)IN相同的基頻的重復(fù)性信號(hào)，所以電壓uD將包含是輸入信號(hào)的基頻的倍數(shù)的多個(gè)頻率分量。通過改變偏壓VG，在導(dǎo)通與絕緣之間的時(shí)間關(guān)系，即溝道電導(dǎo)的時(shí)間函數(shù)的脈沖商，可被設(shè)置成有利于想要的頻率分量。這個(gè)想要的頻率分量，在本例中等于二倍頻，然后用濾波器56濾出。
在本例中，濾波器52和56借助于兩個(gè)短傳輸線元件，所謂的傳輸線分支，來實(shí)現(xiàn)。濾波器52和56中的傳輸線元件每個(gè)具有相應(yīng)于對(duì)于基頻的四分之一波長的長度，因而是對(duì)于二次諧波的半波長。濾波器52中的傳輸線元件在第一端頭處被連接到濾波器52的輸入端與輸出端以及在第二端頭處被短路。
在濾波器52中的傳輸線元件的第一端頭，該元件的相應(yīng)的第二端頭的短路具有的效果為，對(duì)于二次諧波，這個(gè)傳輸線單元的輸入阻抗幾乎成為零，因此它是被短路的。另一方面，對(duì)于基頻，輸入阻抗變成為極高，這樣基頻可通過濾波器52被發(fā)射，而不受傳輸線元件影響。
在濾波器56中的傳輸線元件在第一端頭處被連接到濾波器56的輸入端與輸出端以及在第二端頭處具有非常高的阻抗。在傳輸線元件的第一端頭，該元件的相應(yīng)的第二端頭的高阻抗具有的效果為，對(duì)于二次諧波，這個(gè)傳輸線單元的輸入阻抗變成為非常高。二次諧波因此幾乎不受傳輸線元件影響，但幾乎能從濾波器56的輸入端完全發(fā)射到它的輸出端。
另一方面，對(duì)于基頻，這個(gè)濾波器56的傳輸線元件的輸入阻抗幾乎變成為零，這樣基頻是短路的。所以，在濾波器56中在這個(gè)基頻上進(jìn)入的信號(hào)功率將主要地被反射回場效應(yīng)晶體管55。
與基頻同樣地，每個(gè)奇次諧波在濾波器56中將被短路，并被反射回場效應(yīng)晶體管。因此，在輸出信號(hào)O中，將發(fā)現(xiàn)，例如，可能產(chǎn)生的三次諧波的信號(hào)功率的極小部分。
以上描述的濾波器結(jié)構(gòu)給出了濾波器的極簡單的實(shí)現(xiàn)方案。它特別適合于MMIC，其中可以沒有困難地制造這些分支。然而，這個(gè)濾波器實(shí)現(xiàn)方案自然只是一個(gè)例子；在這方面，許多其它的濾波器結(jié)構(gòu)是可想象得到的。
在本發(fā)明的所有的上述的實(shí)施例中，進(jìn)到倍頻器的輸入信號(hào)是周期性的。然而，本發(fā)明并不只限于諧波頻率分量的倍頻；輸入信號(hào)也可以是包含一個(gè)頻帶的信號(hào)，例如調(diào)頻(FM)的或調(diào)相(PM)的信號(hào)。在這方面，倍頻器被使用來通過加寬頻帶以增加FM和PM信號(hào)的調(diào)制指數(shù)。
權(quán)利要求
1.用于加倍被包括在進(jìn)入的信號(hào)(IN)中的多個(gè)頻率分量的設(shè)備，該設(shè)備是無源電路，包括具有第一和第二信號(hào)連接(S，D)的阻抗設(shè)備(5)，其中阻抗設(shè)備包括至少一個(gè)具有第一和第二元件連接(S，D)的阻抗元件(5)，其中進(jìn)入的信號(hào)(IN)被耦合到所述第一和第二元件連接(S，D)中的一個(gè)，以使得在這些第一和第二元件連接(S，D)之間的電壓取決于進(jìn)入的信號(hào)(IN)，其特征在于，阻抗元件還包括第三元件連接(G)，以及進(jìn)入的信號(hào)(IN)借助于所述元件連接(S，D，G)被耦合到阻抗元件，以使得電導(dǎo)(Gk)被做成以與進(jìn)入信號(hào)(IN)相同的周期性變化，由此產(chǎn)生了輸出信號(hào)(O)，包括至少一個(gè)頻率分量，它是進(jìn)入信號(hào)(IN)的至少一個(gè)頻率分量的倍數(shù)。
2.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于，適配器設(shè)備(3)被做成產(chǎn)生在第二元件連接(D)與第三元件連接(G)上的信號(hào)之間的相位差。
3.按照權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)入的信號(hào)(IN)是周期性的。
4.按照權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)入的信號(hào)(IN)是調(diào)制信號(hào)。
5.按照以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，阻抗設(shè)備(5)被這樣安排，以使得阻抗設(shè)備(5)的所述第一和第二信號(hào)連接(S，D)中的一個(gè)連接具有固定的電位。
6.按照權(quán)利要求1到4中的任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，阻抗設(shè)備(5)被這樣安排，以使得取決于所述進(jìn)入信號(hào)(IN)的信號(hào)被提供到第一信號(hào)連接(S)，而所述輸出信號(hào)(O)產(chǎn)生于從第二信號(hào)連接(D)提取的信號(hào)。
7.按照以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括濾波器(6)以及從這個(gè)濾波器(6)得到了輸出信號(hào)(O)，它被安排成濾出一個(gè)頻率分量，其頻率是進(jìn)入的信號(hào)(IN)的主要頻率分量的頻率的兩倍。
8.按照權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括濾波器(6)以及從這個(gè)濾波器得到了輸出信號(hào)(O)，它被安排成濾出一個(gè)頻率分量，其頻率是進(jìn)入的信號(hào)(IN)的主要頻率分量的頻率的三倍。
9.按照以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)入的信號(hào)(IN)被耦合到第三元件連接(G)。
10.按照以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，輸入信號(hào)被這樣地連接到阻抗元件(5)，以使得不等于零的電壓出現(xiàn)在第二元件連接(D)與第三元件連接(G)之間。
11.按照以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，阻抗元件是場效應(yīng)晶體管(5)，其中第一，第二和第三元件連接分別由場效應(yīng)晶體管的源極(S)，漏極(D)，柵極(G)形成。
12.按照權(quán)利要求11的設(shè)備，其特征在于，場效應(yīng)晶體管柵極(G)到地的阻抗在對(duì)于輸入信號(hào)(IN)感興趣的頻率區(qū)域是可忽略的，這樣?xùn)艠O由此具有固定的電位，以及進(jìn)入信號(hào)(IN)被耦合到源極(S)，這樣在柵極(G)與源極(S)之間的電壓由此被控制。
13.按照權(quán)利要求11或12中任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，在柵極(G)與源極(S)之間的電壓(uGS)的電壓電平，以及在漏極(D)與源極(S)之間的電壓(uDS)被這樣地適配，以使得電導(dǎo)(Gk)主要隨柵極(G)與源極(S)之間的所述電壓(uGS)線性地變化。
14.按照權(quán)利要求11，12，或13中任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，在柵極(G)與源極(S)之間的電壓(uGS)的電壓電平，以及在漏極(D)與源極(S)之間的電壓(uDS)被這樣地適配，以使得電導(dǎo)(GK)基本上只取兩個(gè)大小。
15.按照以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，阻抗元件包括兩個(gè)阻抗元件(36，37；46，47)。
16.按照權(quán)利要求15的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)入信號(hào)(IN)被耦合到兩個(gè)阻抗元件(36，37；46，47)的各自的第三連接(G6，G7)，以及該設(shè)備包括至少一個(gè)適配器設(shè)備(32，33；42，43)，它被安排來產(chǎn)生在阻抗元件的各自的第三元件連接(G6，G7)上的兩個(gè)信號(hào)之間的相位差。
17.用于加倍被包括在第一信號(hào)(IN)中的多個(gè)頻率分量的方法，該方法包括-把所述第一信號(hào)連接到具有第一和第二信號(hào)連接(S，D)的無源阻抗設(shè)備(5)，其中阻抗設(shè)備包括至少一個(gè)具有第一和第二元件連接(S，D)的阻抗元件，這樣所述第一信號(hào)(IN)被耦合到所述第一和第二元件連接中的一個(gè)元件連接，以使得取決于所述第一信號(hào)(IN)的電壓(uDS)被加在阻抗元件的所述第一與第二元件連接(S，D)上，其特征在于以下步驟-借助于到阻抗元件(5)的第三連接(G)，通過所述第一，第二，和第三連接(S，D，G)把所述第一信號(hào)(IN)連接到阻抗設(shè)備(5)，來控制阻抗元件的電導(dǎo)(Gk)，以使得電導(dǎo)(Gk)被做成以與第一信號(hào)(IN)相同的周期性變化，以及-提取第二信號(hào)(O)，包括至少一個(gè)頻率分量，它是第一信號(hào)(IN)的至少一個(gè)頻率分量的倍數(shù)。
18.按照權(quán)利要求17的方法，其特征在于，第一信號(hào)(IN)是周期性的。
19.按照權(quán)利要求17的方法，其特征在于，第一信號(hào)(IN)是調(diào)制信號(hào)。
20.按照權(quán)利要求17到19中的任一項(xiàng)的方法，其特征在于以下步驟-把第一信號(hào)(IN)連接到阻抗設(shè)備(5)的所述第二信號(hào)連接(D)，以及-產(chǎn)生所述第二信號(hào)(O)，發(fā)源于從同一個(gè)第二信號(hào)連接(D)提取的信號(hào)，由此，所述第一信號(hào)連接(S)所具有的到地的阻抗，在輸入信號(hào)(IN)感興趣的頻率區(qū)域上是可忽略的。
21.按照權(quán)利要求17到19中的任一項(xiàng)的方法，其特征在于以下步驟-把取決于第一信號(hào)(IN)的信號(hào)連接到所述第一信號(hào)連接(S)，-產(chǎn)生第二信號(hào)(O)，發(fā)源于從所述第二信號(hào)連接(D)提取的信號(hào)。
22.按照權(quán)利要求17到21中的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，阻抗元件是場效應(yīng)晶體管(5)，其中所述第一，第二和第三元件連接分別由場效應(yīng)晶體管的源極(S)，漏極(D)，柵極(G)形成。
23.按照權(quán)利要求22的方法，其特征在于，電導(dǎo)(Gk)被做成基本上隨柵極(G)與源極(S)之間的電壓線性地變化。
24.按照權(quán)利要求22，或23中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，電導(dǎo)(Gk)被做成這樣變化，以使得這個(gè)電導(dǎo)(Gk)基本上只能取兩個(gè)大小。
25.按照權(quán)利要求22到24中的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，第一信號(hào)(IN)被這樣地加到場效應(yīng)晶體管(5)，以使得不等于零的電壓出現(xiàn)在柵極(G)與漏極(D)之間。
26.按照權(quán)利要求17到25中的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，阻抗設(shè)備包括兩個(gè)場效應(yīng)晶體管(36，37；46，47)。
27.用于變頻的設(shè)備，其中輸入信號(hào)(RF)的頻帶，包括至少一個(gè)頻率分量，從第一部分頻譜移動(dòng)到第二部分頻譜，該設(shè)備包括-至少一個(gè)倍頻器設(shè)備(75)，它被安排來，從包括至少一個(gè)頻率分量的周期性變換信號(hào)(SLO)出發(fā)，產(chǎn)生周期性混頻器信號(hào)(B)，其主要的頻率分量是變換信號(hào)(SLO)的主要頻率分量的倍數(shù)；-混頻器(73)，它被安排來產(chǎn)生一個(gè)混頻信號(hào)(S7)，包括在混頻器信號(hào)(B)的主要頻率分量與輸入信號(hào)(RF)的頻率分量之間的至少一個(gè)混合的頻率，以及-濾波器，它被安排來濾波混頻器信號(hào)(S7)，由此得出輸出信號(hào)(IF)，其特征在于，倍頻器設(shè)備(75)包括至少一個(gè)無源倍頻器(75a，..，75d)，該倍頻器包括阻抗設(shè)備(5)，它包括至少一個(gè)具有第一和第二元件連接(D，S)的阻抗元件(5)；進(jìn)入的信號(hào)(IN)被耦合到所述第一和第二元件連接(S，D)中的至少一個(gè)連接，以使得在這些第一和第二元件連接(S，D)之間的電壓取決于進(jìn)入的信號(hào)(IN)，阻抗元件還包括第三元件連接(G)，以及進(jìn)入的信號(hào)被耦合到阻抗元件(5)，以使得電導(dǎo)(GK)借助于第三元件連接(G)被做成以與進(jìn)入信號(hào)(IN)相同的周期性變化，借此產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)(O)，包括至少一個(gè)頻率分量，它是進(jìn)入信號(hào)(IN)的至少一個(gè)頻率分量的倍數(shù)。
28.用于通過射頻連接傳輸語音和或數(shù)據(jù)的射頻設(shè)備，該射頻設(shè)備(150)包括至少一個(gè)倍頻器設(shè)備(75)，它被安排來，從包括至少一個(gè)頻率分量的輸入信號(hào)(SLO)出發(fā)，產(chǎn)生輸出信號(hào)(B)，其主要的頻率分量是輸入信號(hào)(SLO)的主要頻率分量的倍數(shù)；其特征在于，倍頻器設(shè)備(75)包括至少一個(gè)無源倍頻器(75a，..，75d)，該倍頻器包括阻抗設(shè)備(5)，它包括至少一個(gè)具有第一和第二元件連接(D，S)的阻抗元件(5)；進(jìn)入的信號(hào)(IN)被耦合到所述第一和第二元件連接(S，D)中的至少一個(gè)連接，以使得在這些第二與第一元件連接(D，S)之間的電壓取決于進(jìn)入的信號(hào)(IN)；阻抗元件還包括第三元件連接(G)，以及進(jìn)入的信號(hào)被耦合到阻抗元件(5)，以使得電導(dǎo)(Gk)借助于阻抗元件的第三元件連接(G)被做成以與進(jìn)入信號(hào)(IN)相同的周期性變化，借此產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)(O)，包括至少一個(gè)頻率分量，它是進(jìn)入信號(hào)(IN)的至少一個(gè)頻率分量的倍數(shù)。
29.按照權(quán)利要求28的射頻設(shè)備，其特征在于，射頻設(shè)備(150)包括兩個(gè)收發(fā)信機(jī)(130，140)，該收發(fā)信機(jī)(130，140)通過射頻連接互相通信，在收發(fā)信機(jī)(130，140)之間的射頻連接發(fā)生在至少一個(gè)頻段，以及所述兩個(gè)收發(fā)信機(jī)(130，140)每個(gè)包括-接入模塊(131，141)，它被安排成構(gòu)成在射頻設(shè)備(150)與周圍世界的接口；-射頻模塊(132，142)，它包括至少一個(gè)倍頻器(75)，并被安排成把所述語音和/或數(shù)據(jù)從所述頻段發(fā)送，以及-天線模塊(133，143)，它包括至少一個(gè)天線，指向在射頻設(shè)備(150)的相應(yīng)的另一個(gè)收發(fā)信機(jī)(140，130)中的相應(yīng)的天線模塊(143，133)。
30.用于倍頻的設(shè)備，由此，從第一信號(hào)(IN)出發(fā)，產(chǎn)生第二信號(hào)，其中該設(shè)備包括至少一晶體管(5)，取決于第一信號(hào)(IN)的信號(hào)被加到該晶體管的控制電極(G)，其特征在于，晶體管被使用作為無源元件，以及第一信號(hào)被耦合到晶體管的漏極(D)或它的源極(S)，以使得在漏極(D)與源極(S)之間的電壓取決于第一信號(hào)(IN)，由此，產(chǎn)生了以第一信號(hào)(IN)的頻率的至少一個(gè)倍數(shù)頻率的電流和/或電壓。
31.按照權(quán)利要求30的設(shè)備，其特征在于，晶體管(5)是雙極型晶體管，其中控制電極(G)是雙極型晶體管的基極。
32.用于加倍被包括在進(jìn)入的信號(hào)(IN)中的多個(gè)頻率分量以及用于產(chǎn)生輸出信號(hào)(O)的設(shè)備，該設(shè)備是無源電路并包括阻抗設(shè)備(5)，該阻抗設(shè)備包括兩個(gè)其上加有取決于進(jìn)入信號(hào)(IN)的電壓(uDS)的信號(hào)連接(S，D)，以及其中在兩個(gè)信號(hào)連接(D，S)之間的阻抗設(shè)備的電導(dǎo)(Gk)被安排成隨進(jìn)入信號(hào)(IN)變化，其特征在于，阻抗設(shè)備包括至少一個(gè)場效應(yīng)晶體管(5)，它包括柵極(G)、被耦合到所述兩個(gè)信號(hào)連接中的一個(gè)連接的漏極(D)、被耦合到所述兩個(gè)信號(hào)連接中的另一個(gè)連接的源極(S)、以及在漏極(D)與源極(S)之間的溝道，其中這個(gè)溝道的電導(dǎo)(Gk)取決于在柵極(G)與源極(S)之間的電壓(uDS)，以及進(jìn)入的信號(hào)(IN)被耦合到場效應(yīng)晶體管(5)，這樣，它控制在柵極(G)與源極(S)之間的電壓(uDS)，以使得溝道的電導(dǎo)(Gk)被做成以與進(jìn)入信號(hào)(IN)相同的周期性變化，由此，產(chǎn)生了以進(jìn)入信號(hào)(IN)的頻率的至少一個(gè)倍數(shù)的頻率的電流和/或電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于倍頻的設(shè)備和方法,由此,產(chǎn)生其頻率是輸入信號(hào)(IN)的頻率的倍數(shù)的輸出信號(hào)(O)。通過把輸入信號(hào)(IN)加到場效應(yīng)晶體管(5)的柵極(G)上,在漏極(D)與源極(S)之間的晶體管(5)的溝道的電導(dǎo)被做成隨輸入信號(hào)(IN)步進(jìn)地變化。由于輸入信號(hào)(IN)也被加到晶體管的漏極(D),由此,產(chǎn)生了以輸入信號(hào)的頻率的倍數(shù)頻率的功率。
文檔編號(hào)H03B19/00GK1241324SQ9718088
公開日2000年1月12日 申請(qǐng)日期1997年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月20日
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