专利名称：一种太赫兹硅基四倍频器及多倍频器的制作方法
技术领域：
本发明属于射频/毫米波/太赫兹集成电路技术领域，尤其是提供一种太赫兹硅 基四倍频器及多倍频器。
背景技术：
太赫兹无线电波是频率为0. ITHz IOTHz范围内的无线电波，ITHz等于 IOOOGHz0太赫兹技术既是微波技术向高频的拓展，也是红外技术向低频的拓展，在当前微 波技术和红外技术发展较为成熟的情况，太赫兹技术处于一个相对空白的有待探索的领 域。太赫兹技术可以应用于成像、安全检测、医疗探测、超高速通信、生物及军事等领域，因 此具有很大的应用价值和开发价值。如何产生太赫兹信号源是当前太赫兹技术应用的最大障碍，如果可以基于硅基工 艺(如BiCMOS/CMOS工艺等)实现太赫兹信号源，那么就有望在集成电路中实现太赫兹系 统，从而打开太赫兹应用的大门。当前，有效的产生太赫兹信号源的方法非常有限，一种传 统方法是，利用耿氏二极管(Gurm Diode)实现的振荡器，可以产生太赫兹信号源，如文献 F. Amir,C. Mitchell,and Missous,"Development of Advanced Gunn Diodes and Schottky Multipliers forHigh Power THz sources”，IEEE ASDAM，pp. 29-32，Oct. 2010 阐述了基于 耿氏二极管实现的一种太赫兹信号源；另一种传统的方法是通过远红外激光来产生太赫兹 信号源。然而这些传统方法，所需要的设备复杂、系统庞大，虽然可以应用于科学研究等领 域，但是很难推广到实际应用中去。这两年，人们逐渐开展在硅基固态电路上实现太赫兹源的研究，如果可以在硅基 集成电路上实现有效的太赫兹源，那么太赫兹系统就可以用硅基集成电路的方式实现，这 具有系统尺寸小、成本低、功耗低、应用简单、易于便携等优点。目前，在硅基集成电路中实 现太赫兹信号源的主流方法是通过倍频器将较低频率基频信号(多)倍频至较高的频率， 从而可以获得超越器件截至频率的太赫兹信号。如文献Eunyoung Seok, Changhua Cao, Dongha Shim, Daniel J. Arenas, David B. Tanner, Chin-Ming Hung, and Kenneth K. 0, "A 410GHz CMOSPush-Push Oscillator with an On-Chip Patch Antenna”， IEEE ISSCC, pp. 472-473，Feb. 2008阐述了一种利用互推机制(Push-Push)将VCO输出频率倍频输出， 达到提高输出频率(2倍频)的作用，如图1所示。目前，现有的文献和专利所涉及到的硅基倍频器技术，往往只能应用在较低频率， 很难应用到亚太赫兹/太赫兹的频率范围，而且倍频的倍数都较低，大多数是2倍频；因此， 这些方案和技术很难在硅基集成电路中实现太赫兹信号源。而少有的几篇文献虽然报道了 亚太赫兹倍频技术，但是他们也存在倍频倍数低、输出信号幅度小、功耗高等缺点，无法真 正应用于硅基太赫兹集成电路系统中去。
发明内容
本发明的目的提供一种新型的适用于太赫兹的硅基四倍频器及多倍频器。具有输出频率极高(太赫兹)、倍频倍数大、可在硅基BiCMOS/CMOS工艺上单片集成、功耗低、输出 信号强、输出频谱纯、谐波抑制好的特点。本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的一种太赫兹硅基四倍频器，其特征在于包括晶体管Ml、M2，传输线Li、L2、L-I ；所 述晶体管Ml的漏端经所述传输线Ll连接至输出端口，所述晶体管M2的漏端经所述传输线 L2连接至所述输出端口，所述传输线L-I连接于所述输出端口与电源VDD之间，所述晶体 管M1、M2的源端相连并与地线连接，所述晶体管M1、M2的栅端分别与输入基频信号f；的I 路信号、Q路信号输入端连接；其中，所述传输线L1、L2的长度为2 信号所对应波长的1/4 长度，所述传输线L-I的长度为信号所对应波长的1/4长度。进一步的，所述晶体管Ml、M2组成的伪差分放大器的偏置状态为Class-B状态或 Class-AB 状态。进一步的，所述传输线为延迟线。进一步的，所述基频信号L为四相VC0、或RC多相滤波器、或LC多相滤波器、或延 迟线产生的信号。一种太赫兹硅基四倍频器，其特征在于包括三极管Ml、M2，传输线Li、L2、L-I ；所 述三极管Ml的集电极经所述传输线Ll连接至输出端口，所述三极管M2的集电极经所述传 输线L2连接至所述输出端口，所述传输线L-I连接于所述输出端口与电源VDD之间，所述 三极管M1、M2的发射极相连并与地线连接，所述三极管M1、M2的基极分别与输入基频信号 f0的I路信号、Q路信号输入端连接；其中，所述传输线Li、L2的长度为信号所对应波 长的1/4长度，所述传输线L-I的长度为信号所对应波长的1/4长度。进一步的，所述三极管Ml、M2组成的伪差分放大器的偏置状态为Class-B状态或 Class-AB 状态。进一步的，所述传输线为延迟线。进一步的，所述基频信号fQ为四相VC0、或RC多相滤波器、或LC多相滤波器、或延 迟线产生的信号。一种多倍频器，其特征在于包括2n倍频器l、2n倍频器2、传输线L ；所述2n倍频器 1与所述2n倍频器2的输出端口相连作为2n+1倍频器的输出端口，所述传输线L连接于所 述2n+1倍频器输出端口与电源VDD之间；所述传输线L的长度为211+ 所对应波长的1/4长 度，f0为输入基频信号，η为大于1的自然数；其中，η取任一值时，均满足所述2η倍频器1中不同所述四倍频器的I路信号相 位、Q路信号相位均为相差360° /2η的等差数列，且同一所述四倍频器I路信号、Q路信 号之间相位相差90° ；所述2η倍频器2中不同所述四倍频器的I路信号相位、Q路信号相 位均为相差360° /2η的等差数列，且同一所述四倍频器I路信号、Q路信号之间相位相差 90° ；同时所述2η倍频器1的I路信号最小相位与所述2η倍频器2的I路信号最小相位相 差360° /2η+1、所述2η倍频器1的Q路信号最小相位与所述2η倍频器2的Q路信号最小相 位相差 360° /2η+1。进一步的，所述2η倍频器1的I路信号最小相位为0° ；所述2η倍频器1的Q路 信号最小相位为90°。本发明一种新型的四倍频器，其结构如图2所示
(1)包括晶体管M1/M2，以及三个传输线L1/L2/L-1 (以横电磁TEM模的方式传送 电能或电信号的导波结构叫做传输线，其横向尺寸远小于工作波长，芯片上的传输线的主 要结构有共面波导CPW、接地共面波导GCPW、微带线Microstrip、慢波传输线SWTL等)；
(2) Ml的栅端为I-IN端(I路输入端)，M2的栅端为Q-IN端⑴路输入端)，M1/M2 的源端相连并连接至地GND;(3)输入基频信号fQ的I路信号(相位为O度)输入至上述的I-IN端，输入基频 信号f。的Q路信号(相位为90度)输入至上述的Q-IN端；(4)Ml的漏端与传输线Ll相串联，M2的漏端与传输线L2相串联，L1、L2的长度为 2f0信号所对应波长的1/4长度(1/4 λ i2f0)；(5)L1/L2的另一端相连至OUT端(四倍频器的输出端口 ) ；OUT端与电源电压VDD 之间串联传输线L-l，L-I的长度为信号所对应波长的1/4长度(1/4 λ (Mftl)；(6)最终OUT端将输出四倍频信号4f0。本发明一种新型的八倍频器，其结构如图3所示(1)包括两个上述的四倍频器“四倍频器-1”和“四倍频器_2”，以及传输线L-2 ；(2) “四倍频器-1 ”的I-IN端为I-IN-I端，“四倍频器_1 ”的Q-IN端为Q-IN-I 端；“四倍频器_2”的I-IN端为I-IN-2端，“四倍频器-2”的Q-IN端为Q-IN-2端；(3)相位为0度的基频信号&输入至I-IN-I端，相位为90度的基频信号&输入 至Q-IN-I端；相位为45度的基频信号&输入至I-IN-2端，相位为135度的基频信号fQ输 入至Q-IN-2端；(4) “四倍频器-1”的VDD端和“四倍频器-2”的VDD端相连接至八倍频器的OUT 端；八倍频器的OUT端与八倍频器的电源电压VDD之间串联传输线L4 ；L4的长度为Sftl信 号所对应波长的1/4长度(1/4 λ OSftl)；(5)最终八倍频器的OUT端输出八倍频信号8f。。一种16、32、. . . 2n+1(n = 2，3，...)、...倍频器，其结构与上述四倍频器、八倍频器 原理相似，通过两个2η倍频器可以组成一个2η+1倍频器，以此类推，如图4所示的16倍频器 原理图。下面就一个2η+1倍频器为例，说明其结构(1)包括两个2η倍频器“2η倍频器-1”和“2η倍频器-2”，以及传输线L- ‘η-Γ;(2) “2η 倍频器-1” 的 I-IN-i 端(i = 1，2，…2n_2)为 2n+1 倍频器的 I_IN_i 端； “2n倍频器-2”的I-IN-i端为2_倍频器的I-IN- ‘i+2n_2端；“2n倍频器-1”的Q_IN_i端 (i = 1,2, ... 2n_2)为2n+1倍频器的Q-IN-i端；“2n倍频器-2”的Q_IN_i端为2n+1倍频器 的 Q-IN- ‘i+2n_2，端；(3)相位为0度的基频信号&输入至I-IN-I端；相位为45度的基频信号&输入 至I-IN-2端；相位为22. 5度的基频信号&输入至I-IN-3端，相位为67. 5度的基频信号 fQ输入至I-IN-4端；...以此类推；(4)输入至Q-IN-i端的基频信号&的相位比输入至I-IN-i端的基频信号fQ的 相位大90度；(5) "2n倍频器-1 ”的VDD端和“2n倍频器_2”的VDD端相连接至2n+1倍频器的 OUT端；2n+1倍频器的OUT端与2n+1倍频器的VDD端之间串联传输线L- ‘η_Γ ;L_ ‘η_Γ的长度为所对应波长的1/4长度(1/4 λ i2n+1f0)；(6)最终2n+1倍频器的OUT端输出2n+1倍频信号2n+1f0。本发明原理以四倍频器为例，阐述本发明的原理(如图2所示)(a)晶体管M1/M2组成的伪差分放大器偏置在Class-B/Class-AB状态，具有强烈 的非线性，因此对于相位为φ的基频输入信号&而言，输出信号频谱中会有强烈的二阶非线 性项，即频率为的倍频信号，且相位为2φ;以及四阶非线性项，即频率为的倍频信号， 且相位为4φ;以及η阶非线性项，即频率为Iiftl的倍频信号，且相位为ηφ;(b)由于I-IN端的输入基频信号的相位为0度，Q-IN端的输入基频信号的相位为 90度；根据(a)所述的原理，I点处泄露的基频信号&的相位为0度，倍频信号的相位 为0度，四倍频信号的相位为0度；Q点处泄露的基频信号&的相位为90度，倍频信号 2f0的相位为180度，四倍频信号的相位为360度(0度)；I/Q两点处的倍频信号大 小相等、符号相反，I/Q两点处的四倍频信号大小相等、符号相同；(c)对于倍频信号，由于I/Q两点处的倍频信号大小相等、符号相反，即 为差分信号，因此OUT端可以看成是虚地点(对于倍频信号而言)；L1/L2的长度为 1/4 λ @2&，即对倍频信号表现为无穷大阻抗(在不考虑寄生效应的前提下。对于实际 电路而言，L1/L2的长度应当小于1/4 λ i2f0)，因此在I/Q两点信号被谐振放大；由于 I/Q两点处信号的差分特性，当它们泄露至OUT端时，会被相互抵消；(d)对于四倍频信号4fQ，L1/L2的长度为1/2 λ i4f0( = 1/4 λ i2f0)(在不考虑寄 生效应的前提下。对于实际电路而言，L1/L2的长度应当小于1/4 X(^ftl)，即对于4fJ言号 表现为零欧姆电阻，因此I/Q两点处的信号会传输至OUT端；(e)由于I/Q两点处的4fQ信号大小相等，符号相同，因此在OUT端4fQ信号是相 互加强的；(f)对于四倍频信号4f。，L-I的长度为1/4 λ i4f0,即对于4fQ信号表现为无穷大 阻抗，因此，在OUT端信号会被谐振放大。(g)最终在OUT端获得四倍频信号4f0。以八倍频器为例，阐述本发明的原理(如图3所示)(a)由于I-IN-I端的输入基频信号的相位为0度，Q_IN_1端的输入基频信号的相 位为90度；根据所述的四倍频器原理，OUTl点处四倍频信号的相位为0度，八倍频信 号Sftl的相位为0度；(b)由于I-IN-2端的输入基频信号的相位为45度，Q-IN-2端的输入基频信号的 相位为135度；根据所述的四倍频器原理，OUTl点处四倍频信号的相位为180度，八倍 频信号Sftl的相位为0度；(c)对于信号而言，0UT1/0UT2两点处的信号大小相等，符号相反，它们泄 露至OUT端时会相互抵消；(d)对于Sftl信号而言，“四倍频器-1，，中的L-I与“四倍频器-2”中的L-I长度 均为1/2 λ i8f0 ( = 1/4 λ (Mftl)，即对于8fQ信号而言表现为零欧姆电阻，因此0UT1/0UT2两 点处的Sftl信号会传输至OUT端；(e)由于0UT1/0UT2两点处的Sftl信号大小相等，符号相同，它们传输至OUT端后是相互加强的；(f)对于八倍频信号Sftl，L-2的长度为1/4 λ i8f0,即对于Sftl信号表现为无穷大 阻抗，因此，在OUT端Sftl信号会被谐振放大。(g)最终在OUT端获得八倍频信号Sf0。其它16、32、...2n+1(n = 1，2，3，...)、...倍频器的发明原理类似上述原理。与现有技术相比，本发明的优点是(1)输出频率极高、倍频倍数大本发明可以实现4倍频、8倍频、乃至更高倍数的 倍频，因此具有很高的倍频倍数，从而可以适用于太赫兹频率；(2)功耗低由于工作在Class-B或Class-AB状态，因此偏置电流低，电路的整体 功耗很小，非常适用于对低功耗要求高的系统，如移动终端系统等；(3)倍频输出信号频谱纯、谐波抑制好与传统倍频器技术相比，基频泄露信号被 消除、各阶谐波信号也被抑制，因此输出信号质量高、频谱纯，可以作为优质的信号源提供 给系统使用，如作为本振信号提供给接收机/发射机中的混频器使用等；(4)可以在硅基工艺上单芯片集成，如硅基CMOS工艺、BiCMOS工艺、HBT工艺等； 可以作为一个模块与其它电路和系统集成在单一芯片上，极大地提高了系统的集成度；
图1现有的一种利用互推机制(Push-Push)的VCO示意图；图2是本发明所述的一种新型的四倍频器原理图和电路示意图；图3是本发明所述的一种新型的八倍频器原理图和电路示意图；图4是本发明所述的一种新型的十六倍频器原理图和电路示意图；图5是本发明的一个具体实施方式
示意图；图6是本发明所述的三极管四倍频器原理图和电路示意图。
具体实施例方式为了对本发明进行详细说明，现举一个四倍频器的具体实施例图5给出了一个四倍频器的具体实施例，包括本发明所述的四倍频器和I/Q基频
信号&产生器。所述的“I/Q基频信号&产生器”产生I/Q基频信号&，其中I-IN端口输出I路 基频信号fo，相位为ο度，与所述四倍频器的I-IN端相连；Q-IN端口输出Q路基频信号fQ， 相位为90度，与所述四倍频器的Q-IN端相连。所述的“I/Q基频信号fQ产生器”可以通过以下方法(但不局限于)来实现 Quadrature VCO(四相 VC0)、RC poly-phase filter (RC 多相滤波器)、LC poly-phase filter (LC 多相滤波器)、delay line (延迟线)、coupler 等。上述实施案例提供了一种四倍频器技术及电路，利用本发明的原理，也可以实现 8、16、2η+1(π= 1，2，3，···)、···倍频器技术及电路。上述实施案例提供了基于CMOS工艺下的MOS晶体管实现的一种多倍频器技术及 电路，与之对应，也可以基于BiCMOS/HBT等工艺下的BJT管实现多倍频器技术及电路，其中 以四倍频器为例，由三极管Ql、Q2和传输线构成的四倍频器如图6所示，其中三极管Ql代替图5中的MOS管Ml，三极管Q2代替图5中的MOS管M2，Ql的基极为I-IN端(I路输入 端)，Q2的基极为Q-IN端⑴路输入端)，M1/M2的发射机相连并连接至地GND ；Ql的集电 极与传输线Ll相串联，Q2的集电极与传输线L2相串联，L1、L2的长度为2fQ信号所对应波 长的1/4长度(1/4λ@2 ·。)；其它均与图5相同 以上通过详细实施案例描述了本发明所提供的一种适用于太赫兹的多倍频器技 术及集成电路，该发明显然也可以适用于毫米波、射频等较低频率范围，本领域究人员和技 术人员可以根据上述的步骤作出形式或内容方面的非实质性的改变而不偏离本发明实质 保护的范围，因此，本发明不局限于实施例中所公开的内容。
权利要求
1.一种太赫兹硅基四倍频器，其特征在于包括晶体管M1、M2，传输线L1、L2、L-1 ；所述 晶体管Ml的漏端经所述传输线Ll连接至输出端口，所述晶体管M2的漏端经所述传输线 L2连接至所述输出端口，所述传输线L-I连接于所述输出端口与电源VDD之间，所述晶体 管M1、M2的源端相连并与地线连接，所述晶体管M1、M2的栅端分别与输入基频信号f；的I 路信号、Q路信号输入端连接；其中，所述传输线L1、L2的长度为2 信号所对应波长的1/4 长度，所述传输线L-I的长度为信号所对应波长的1/4长度。
2.如权利要求1所述的四倍频器，其特征在于所述晶体管M1、M2组成的伪差分放大器 的偏置状态为Class-B状态或Class-AB状态。
3.如权利要求2所述的四倍频器，其特征在于所述传输线为延迟线。
4.如权利要求3所述的四倍频器，其特征在于所述基频信号&为四相VC0、或RC多相 滤波器、或LC多相滤波器、或延迟线产生的信号。
5.一种太赫兹硅基四倍频器，其特征在于包括三极管M1、M2，传输线L1、L2、L-1 ；所述 三极管Ml的集电极经所述传输线Ll连接至输出端口，所述三极管M2的集电极经所述传输 线L2连接至所述输出端口，所述传输线L-I连接于所述输出端口与电源VDD之间，所述三 极管M1、M2的发射极相连并与地线连接，所述三极管M1、M2的基极分别与输入基频信号fQ 的I路信号、Q路信号输入端连接；其中，所述传输线Li、L2的长度为2 信号所对应波长 的1/4长度，所述传输线L-I的长度为4 信号所对应波长的1/4长度。
6.如权利要求5所述的四倍频器，其特征在于所述三极管M1、M2组成的伪差分放大器 的偏置状态为Class-B状态或Class-AB状态。
7.如权利要求6所述的四倍频器，其特征在于所述传输线为延迟线。
8.如权利要求7所述的四倍频器，其特征在于所述基频信号&为四相VC0、或RC多相 滤波器、或LC多相滤波器、或延迟线产生的信号。
9.一种基于权利要求1 8任一所述四倍频器的多倍频器，其特征在于包括2n倍频器 l、2n倍频器2、传输线L ；所述2n倍频器1与所述2n倍频器2的输出端口相连作为2n+1倍频 器的输出端口，所述传输线L连接于所述2n+1倍频器输出端口与电源VDD之间；所述传输线 L的长度为2n+%所对应波长的1/4长度，f0为输入基频信号，η为大于1的自然数；其中，η取任一值时，均满足所述2η倍频器1中不同所述四倍频器的I路信号相位、Q 路信号相位均为相差360° /2η的等差数列，且同一所述四倍频器I路信号、Q路信号之间 相位相差90° ；所述2η倍频器2中不同所述四倍频器的I路信号相位、Q路信号相位均为 相差360° /2η的等差数列，且同一所述四倍频器I路信号、Q路信号之间相位相差90° ； 同时所述2η倍频器1的I路信号最小相位与所述2η倍频器2的I路信号最小相位相差 360° /2η+1、所述2η倍频器1的Q路信号最小相位与所述2η倍频器2的Q路信号最小相位 相差 360° /2η+1。
10.如权利要求9所述的多倍频器，其特征在于所述2η倍频器1的I路信号最小相位 为0° ；所述2η倍频器1的Q路信号最小相位为90°。
全文摘要
本发明公开一种太赫兹硅基四倍频器及多倍频器，属于射频集成电路领域。四倍频器包括晶体管M1、M2，传输线L1、L2、L-1；M1、M2的漏端分别经L1、L2连接至输出端口，源端与地线连接，栅端分别与基频信号f0的I、Q路信号输入端连接；L-1连接于输出端口与电源之间；L1、L2为2f0信号所对应波长的1/4长度，L-1为4f0信号所对应波长的1/4长度。多倍频器包括2n倍频器1、2n倍频器2、传输线L；2n倍频器1与2n倍频器2的输出端口相连作为2n+1倍频器的输出端口，L连接于2n+1倍频器输出端口与电源之间；L为2n+1f0所对应波长的1/4长度。本发明输出频率高、频谱纯、功耗低、易于集成。
文档编号H03B19/14GK102104363SQ20111004976
公开日2011年6月22日 申请日期2011年3月1日 优先权日2011年3月1日
发明者叶乐, 廖怀林, 王逸潇, 黄如 申请人:北京大学