CN106549656A - 一种频率拓展器 - Google Patents

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章策珉
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Abstract

本发明公开了一种频率拓展器，包括前置放大器、倍频器串联支路、分频器串联支路及多路选择器，其中，前置放大器输出端与多路选择器的一个输入端连接。倍频器串联支路上至少串联有一个倍频器，分频器串联支路上至少串联有一个分频器，倍频器串联支路中第一级倍频器的输入端、分频器串联支路中第一级分频器的输入端均与前置放大器的输出端连接。倍频器串联支路中所有倍频器的输出端和/或分频器串联支路中所有分频器的输出端与多路选择器的输入端一一对应连接。本发明采用上述结构，整体结构简单，切换方便，抗干扰能力强，功耗和成本低，体积小，易于集成和推广应用。

Description

一种频率拓展器
技术领域
本发明涉及频率源技术，具体是一种频率拓展器。
背景技术
微波射频电路应用时常常会涉及到频率覆盖范围的拓展，即需要将频率向更高频率或更低频率拓展。目前在拓展频率覆盖范围时所配备的频率拓展器只能向更高或者更低的频率拓展，如需同时向高低频率拓展则需要多个不同器件搭建复杂的频率拓展***，现今搭建的频率拓展***普遍存在电路结构复杂、体积大、功耗大、成本高等问题，且不同输出频率之间干扰严重，切换困难，难于集成，不易推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种频率拓展器，其整体结构简单，切换方便，抗干扰能力强，功耗和成本低，体积小，易于集成和推广应用。
本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：一种频率拓展器，包括前置放大器、倍频器串联支路、分频器串联支路及多路选择器，所述前置放大器输出端与多路选择器的一个输入端连接；所述倍频器串联支路上至少串联有一个倍频器，所述分频器串联支路上至少串联有一个分频器，所述倍频器串联支路中第一级倍频器的输入端、分频器串联支路中第一级分频器的输入端均与前置放大器的输出端连接；所述倍频器串联支路中所有倍频器的输出端和/或分频器串联支路中所有分频器的输出端与多路选择器的输入端一一对应连接。
本发明应用时，射频信号由前置放大器的输入端输入，经前置放大器放大处理后分别驱动倍频器、分频器及多路选择器，多路选择器选择其输入信号中的任意一路信号输出。本发明通过设置前置放大器，能增强本发明的灵敏度和动态范围，使得本发明能与***电路有效匹配，并能增强对后级的驱动能力。
作为本发明输出端口布设的第一种实施方式，进一步的，所述多路选择器设有四个输入端，所述倍频器串联支路中倍频器的数量为一个，所述分频器串联支路中分频器的数量为两个，两个分频器的输出端、前置放大器的输出端及倍频器的输出端四者与多路选择器的四个输入端一一对应连接。如此，本实施方式应用时，分频和倍频共享一路输出端口。
作为本发明输出端口布设的第二种实施方式，进一步的，所述多路选择器设有四个输入端，所述倍频器串联支路中倍频器的数量为一个，所述分频器串联支路中分频器的数量为三个，三个分频器的输出端、前置放大器的输出端四者与多路选择器的四个输入端一一对应连接。如此，本实施方式应用时提供分频器输出端口和倍频器输出端口两路信号输出，驱动倍频器的信号经倍频器后直接由倍频器输出端输出。
进一步的，所述多路选择器输出端的线路上串接有后置放大器。本发明通过设置后置放大器，使得本发明能与***电路有效匹配，降低负载效应，并提供足够的输出功率。
进一步的，所述前置放大器包括三个扇出缓冲器，三个扇出缓冲器的输出端与第一级倍频器的输入端、第一级分频器的输入端及多路选择器的一个输入端一一对应连接。
进一步的，所述多路选择器包括差分对及控制差分对偏置电流通断的偏置电流控制电路，所述差分对的数量为多个，每个差分对配备有一个独立控制其偏置电流通断的偏置电流控制电路；所述多路选择器的输入端设置在差分对上，且每个差分对上对应设置有一个多路选择器输入端；所述多路选择器的输出端与所有差分对连接。本发明应用时，可通过偏置电流控制电路使得多路选择器中任意一个差分对的电流导通，以使得多路选择器选择一路输入信号输出。如此，控制多路选择器选择一路输入信号输出时操作便捷。本发明中各个差分对信号通道有独立的偏置电流控制电路，有利于各路差分对信号之间的隔离，防止非选通信号串扰到选通信号。
进一步的，所述差分对包括两个NPN三极管，所述前置放大器输出端、倍频器输入输出端、分频器输入输出端及多路选择器输入输出端均为两条差分信号线，所述多路选择器输入端的两条差分信号线与两个NPN三极管的基极一一对应连接，多路选择器输出端的两条差分信号线与两个NPN三极管的集电极一一对应连接，多路选择器输出端的两条差分信号线分别连接有电阻，电阻另一端和直流电压源连接，两个NPN三极管的发射极相连并与偏置电流控制电路连接。如此，本发明应用时，多路选择器输入端输入的差分信号由两个NPN三极管组成的差分对放大后由多路选择器输出端的两条差分信号线输出。
进一步的，所述多路选择器输出端的两条差分信号线连接的电阻与直流电压源连接的线路上串接有电感。其中，电感能提高信号在高频下的增益。
进一步的，所述偏置电流控制电路包括一个NPN三极管、一个NMOS场效应管、一个电阻及直流偏置电压源，所述电阻两端分别与NPN三极管发射极和NMOS场效应管漏极连接，NPN三极管的基极与直流偏置电压源连接，NPN三极管的集电极与差分对连接；所述NMOS场效应管的源极接地，其栅极连接一个电阻，该电阻相对连接NMOS场效应管栅极端的另一端连接有用于输入高低电平来触发偏置电流控制电路通断的触发信号输入线。本发明应用时，当触发信号输入线输入高电平时偏置电流控制电路导通，偏置电流控制电路所控制的差分对的电流也导通；当触发信号输入线输入低电平时偏置电流控制电路截止，偏置电流控制电路所控制的差分对的电流断开。如此，本发明在控制差分对偏置电流通断时操作便捷。本发明将NMOS场效应管设于电压源和GND之间，有利于提高逻辑开关控制信号和差分对高频信号之间的隔离。本发明应用时，通过对各个偏置电流控制电路中NPN三极管的尺寸、NMOS场效应管的尺寸及电阻阻值的优化取值，使得各个差分对在导通情况下可具有不同的直流导通电流。这就使得在多路选择器选取频率相对较高(低)的差分对信号支路时，能提供较大(小)的直流导通电流，使频率拓展器的整体性能得到优化。
进一步的，一种频率拓展器，还包括用于控制多路选择器中触发信号输入线输入高低电平、以及控制倍频器和分频器启闭的解码器。本发明应用时可由解码器生成高电平，使得多路选择器选择任意一路输入信号输出；本发明还可通过解码器产生逻辑控制开关信号，由逻辑控制开关信号控制未使用的倍频器和分频器关闭。如此，本发明应用时操作更加便捷。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明包括前置放大器、倍频器、分频器及多路选择器，其中，前置放大器输出端同时与倍频器输入端和多路选择器的一个输入端连接，分频器的数量为多个，每个分频器输出端均与多路选择器的输入端一一对应连接。本发明采用上述结构，整体结构简单，使用元器件少，便于实现，切换方便，抗干扰能力强，功耗和成本低，通过将倍频器和分频器集成为一体，体积小。如此，本发明便于推广应用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为图1中多路选择器的电路图；
图3为图1所示频率拓展器对外接压控振荡器进行频率拓展应用时的结构示意图；
图4为本发明实施例2的结构示意图；
图5为图4所示频率拓展器对外接压控振荡器进行频率拓展应用时的结构示意图；
图6为图4所示率拓展器在锁相环中应用时的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种频率拓展器，包括前置放大器A1、倍频器串联支路、分频器串联支路、多路选择器及后置放大器A2，其中，多路选择器设有四个输入端和一个输出端，本实施例中倍频器串联支路中倍频器的数量为一个，分频器串联支路中分频器的数量为两个，两个分频器以串联形式级联。本实施例的前置放大器包括三个扇出缓冲器，三个扇出缓冲器的输出端与倍频器的输入端、第一级分频器的输入端及多路选择器的一个输入端一一对应连接。两个分频器的输出端和倍频器的输出端三者与多路选择器的其余三个输入端一一对应连接，后置放大器A2串接在多路选择器输出端的线路上。本实施例应用时集成在单芯片上，其中，单芯片衬底采用基于硅的材料。
如图2所示，本实施例在具体设置时，多路选择器包括差分对和偏置电流控制电路，偏置电流控制电路用于控制差分对偏置电流通断。差分对的数量也为四个，每个差分对配备有一个独立控制其偏置电流通断的偏置电流控制电路。多路选择器的输入端设置在差分对上，每个差分对上对应设置有一个多路选择器输入端，多路选择器的输出端与所有差分对连接。
本实施例的差分对包括两个NPN三极管，前置放大器A1输出端、倍频器输入输出端、分频器输入输出端及多路选择器输入输出端均为两条差分信号线，多路选择器输入端的两条差分信号线与两个NPN三极管的基极一一对应连接，多路选择器输出端的两条差分信号线与两个NPN三极管的集电极一一对应连接，多路选择器输出端的两条差分信号线out和nout分别连接有电阻Rc，电阻Rc另一端和直流电压源VCC连接，差分对中两个NPN三极管的发射极相连并与偏置电流控制电路连接。为了提高信号在高频下的增益，电阻Rc与直流电压源VCC之间串接有电感Lc。本实施例在具体设置时，多路选择器输出端中的out与NPN三极管差分对中Qa1，Qb1，Qc1，Qd1的集电极连接，多路选择器输出端中的nout与NPN三极管差分对中Qa2，Qb2，Qc2，Qd2的集电极连接，如此，本实施例的所有差分对可共用同一直流电压源VCC，且只需配备两个集电极电感Lc和两个集电极负载电阻Rc，使得本实施例应用时更节省器件。
本实施例的偏置电流控制电路包括一个NPN三极管、一个NMOS场效应管、一个电阻及直流偏置电压源Vbias，电阻两端分别与NPN三极管发射极和NMOS场效应管漏极连接，NPN三极管的基极与直流偏置电压源Vbias连接，NPN三极管的集电极与差分对连接。本实施例的NMOS场效应管的源极接地，其栅极连接一个电阻Rg，该电阻相对连接NMOS场效应管栅极端的另一端连接有用于输入高低电平来触发偏置电流控制电路通断的触发信号输入线。NMOS场效应管栅极连接的电阻Rg作为隔离电阻，用于隔离控制信号与射频信号，其阻值优选采用2KΩ。
本实施例还包括解码器，其中，解码器用于控制多路选择器中触发信号输入线输入高低电平、以及控制倍频器和分频器启闭。本实施例在具体设置时，配备两个解码器，一个为2-4解码器，用于控制多路选择器中触发信号输入线输入高低电平，其输入端s0和s1用于输入选择信号，其sa、sb、sc及sd四个输出端与多路选择器的四条触发信号输入线一一对应连接。另一个解码器产生pd0，pd1和pd，其中pd0，pd1为两个分频器产生逻辑控制开关信号，pd为一个倍频器产生逻辑控制开关信号。
本实施例应用时，射频信号RFin(可为单端或差分信号)进入前置放大器A1，前置放大器A1输出差分信号a/na，a/na分别驱动倍频器、第一级分频器及多路选择器，a/na驱动第一级分频器后产生分频后的差分信号b/nb，b/nb驱动第二级分频器后产生分频后的差分信号c/nc，a/na直接驱动倍频器后产生倍频后的差分信号d/nd。差分信号a/na、b/nb、c/nc、d/nd分别输入由NPN三极管Qa1/Qa2、Qb1/Qb2、Qc1/Qc2、Qd1/Qd2组成的差分对放大后由out/nout输出，Ma、Mb、Mc及Md为NMOS开关，其导通或断开分别受解码器输出的控制电平sa、sb、sc、sd控制，当控制电平为高电压时，所对应的偏置电流控制电路导通，否则为截止。NPN三极管Qa3、Qb3、Qc3及Qd3同与之分别串联的电阻REa、REb、REc及REd构成四组相互独立的电流源，并由NMOS开关控制电流源的通断。如此，本实施例由sa，sb，sc和sd决定最终那一路信号被选通，并进入后置放大器A2放大后在OUT端口输出。
本实施例反映控制电平S0，S1和最终对应输出信号逻辑关系的控制逻辑真值表如表1所示：
表1控制电平S0，S1和最终对应输出信号的控制逻辑真值表
s1 s0 sa sb sc sd OUT
0 0 1 0 0 0 /1选通
0 1 0 1 0 0 /2选通
1 0 0 0 1 0 /4选通
1 1 0 0 0 1 倍频器选通
本实施例反映控制电平S0，S1与倍频器和分频器启闭关系表如表2所示：
表2控制电平S0，S1与倍频器和分频器启闭关系表
s1 s0 Pd0 Pd1 pd OUT
0 0 1 1 1 /1选通
0 1 0 1 1 /2选通
1 0 0 0 1 /4选通
1 1 1 1 0 倍频器选通
本实施例应用时，每一路差分对电压源在选通时可以导通不同大小的电流，比如a/na差分对对应的差分信号频率最高，通过设计Qa3和REa尺寸使得该差分对电流源在选通时有最大的电流，使多路选择器的整体性能和功耗得到合理优化。
如图3所示，基于本实施例的频率拓展器的应用，假设本实施例分频器提供/1，/2，/4选择，倍频器提供x2选择，且输入信号RFin由压控振荡器VCO提供，如VCO输入频率为5-10GHz，则输出端口OUT频率可覆盖1.25-20GHz范围。
实施例2：
如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中倍频器串联支路中倍频器的数量为一个，分频器串联支路中分频器的数量为三个，三个分频器以串联形式级联，三个分频器的输出端、前置放大器的输出端四者与多路选择器的四个输入端一一对应连接，并提供分频器输出端口OUT1和倍频器输出端口OUT2两路信号输出。
本实施例的两个解码器，一个为2-4解码器，用于控制多路选择器中触发信号输入线输入高低电平，其输入端s0和s1用于输入选择信号，其sa、sb、sc及sd四个输出端与多路选择器的四条触发信号输入线一一对应连接。另一个解码器产生pd0，pd1和pd2，为三个分频器产生逻辑控制开关信号。pd为一个的倍频器的逻辑控制开关信号，用于控制倍频器OUT2信号输出与否。
本实施例应用时，射频信号RFin(可为单端或差分信号)进入前置放大器A1，前置放大器A1输出差分信号a/na，a/na分别驱动倍频器、第一级分频器及多路选择器，a/na驱动第一级分频器后产生分频后的差分信号b/nb，b/nb驱动第二级分频器后产生分频后的差分信号c/nc，c/nc驱动第三级分频器后产生分频后的差分信号d/nd。差分信号a/na、b/nb、c/nc、d/nd分别输入由NPN三极管Qa1/Qa2、Qb1/Qb2、Qc1/Qc2、Qd1/Qd2组成的差分对放大后由out/nout输出，Ma、Mb、Mc及Md为NMOS开关，其导通或断开分别受解码器输出的控制电平sa、sb、sc、sd控制，当控制电平为高电压时，所对应的偏置电流控制电路导通，否则为截止。如此，本实施例由sa，sb，sc和sd决定最终那一路信号被选通，并进入后置放大器A2放大后在OUT1端口输出。
本实施例反映控制电平s0，s1和最终对应的OUT1端口输出信号的逻辑关系的控制逻辑真值表如表3所示：
表3控制电平S0、S1和最终对应的OUT1端口输出信号的控制逻辑真值表
s1 s0 sa sb sc sd OUT1
0 0 1 0 0 0 /1选通
0 1 0 1 0 0 /2选通
1 0 0 0 1 0 /4选通
1 1 0 0 0 1 /8选通
本实施例反映控制电平S0，S1与倍频器和分频器启闭关系表如表4所示：
表4控制电平S0，S1与倍频器和分频器启闭关系表
s1 s0 Pd0 Pd1 Pd2 OUT1
0 0 1 1 1 /1选通
0 1 0 1 1 /2选通
1 0 0 0 1 /4选通
1 1 0 0 0 /8选通
如图5所示的基于本实施例频率拓展器的应用，假设本实施例分频器提供/1，/2，/4，/8选择，倍频器提供x2选择，且输入信号RFin由压控振荡器VCO提供，如VCO输入频率为5-10GHz，则倍频输出端口OUT2频率可覆盖10-20GHz范围，分频输出端口OUT1可覆盖0.625-10GHz范围。图6为基于本实施例的频率拓展器在锁相环中的应用，假设压控振荡器VCO输入频率为5-10GHz，则输出端口OUT2可得到相位锁定的10-20GHz信号。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种频率拓展器，其特征在于，包括前置放大器、倍频器串联支路、分频器串联支路及多路选择器，所述前置放大器输出端与多路选择器的一个输入端连接；所述倍频器串联支路上至少串联有一个倍频器，所述分频器串联支路上至少串联有一个分频器，所述倍频器串联支路中第一级倍频器的输入端、分频器串联支路中第一级分频器的输入端均与前置放大器的输出端连接；所述倍频器串联支路中所有倍频器的输出端和/或分频器串联支路中所有分频器的输出端与多路选择器的输入端一一对应连接。
2.根据权利要求1所述的一种频率拓展器，其特征在于，所述多路选择器设有四个输入端，所述倍频器串联支路中倍频器的数量为一个，所述分频器串联支路中分频器的数量为两个，两个分频器的输出端、前置放大器的输出端及倍频器的输出端四者与多路选择器的四个输入端一一对应连接。
3.根据权利要求1所述的一种频率拓展器，其特征在于，所述多路选择器设有四个输入端，所述倍频器串联支路中倍频器的数量为一个，所述分频器串联支路中分频器的数量为三个，三个分频器的输出端、前置放大器的输出端四者与多路选择器的四个输入端一一对应连接。
4.根据权利要求1所述的一种频率拓展器，其特征在于，所述多路选择器输出端的线路上串接有后置放大器。
5.根据权利要求1所述的一种频率拓展器，其特征在于，所述前置放大器包括三个扇出缓冲器，三个扇出缓冲器的输出端与第一级倍频器的输入端、第一级分频器的输入端及多路选择器的一个输入端一一对应连接。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的一种频率拓展器，其特征在于，所述多路选择器包括差分对及控制差分对偏置电流通断的偏置电流控制电路，所述差分对的数量为多个，每个差分对配备有一个独立控制其偏置电流通断的偏置电流控制电路；所述多路选择器的输入端设置在差分对上，且每个差分对上对应设置有一个多路选择器输入端；所述多路选择器的输出端与所有差分对连接。
7.根据权利要求6所述的一种频率拓展器，其特征在于，所述差分对包括两个NPN三极管，所述前置放大器输出端、倍频器输入输出端、分频器输入输出端及多路选择器输入输出端均为两条差分信号线，所述多路选择器输入端的两条差分信号线与两个NPN三极管的基极一一对应连接，多路选择器输出端的两条差分信号线与两个NPN三极管的集电极一一对应连接，多路选择器输出端的两条差分信号线分别连接有电阻，电阻另一端和直流电压源连接，两个NPN三极管的发射极相连并与偏置电流控制电路连接。
8.根据权利要求7所述的一种频率拓展器，其特征在于，所述多路选择器输出端的两条差分信号线连接的电阻与直流电压源连接的线路上串接有电感。
9.根据权利要求6所述的一种频率拓展器，其特征在于，所述偏置电流控制电路包括一个NPN三极管、一个NMOS场效应管、一个电阻及直流偏置电压源，所述电阻两端分别与NPN三极管发射极和NMOS场效应管漏极连接，NPN三极管的基极与直流偏置电压源连接，NPN三极管的集电极与差分对连接；所述NMOS场效应管的源极接地，其栅极连接一个电阻，该电阻相对连接NMOS场效应管栅极端的另一端连接有用于输入高低电平来触发偏置电流控制电路通断的触发信号输入线。
10.根据权利要求9所述的一种频率拓展器，其特征在于，还包括用于控制多路选择器中触发信号输入线输入高低电平、以及控制倍频器和分频器启闭的解码器。
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