CN101106354A - 超宽频带信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽频带信号发生器。该超宽频带信号发生器使用具有超宽频带(UWB)的频率范围的谐波信号来产生需要的频率的信号。该超宽频带信号发生器包括：可调有源感应器，用于产生具有在非线性操作范围彼此基本相同的功率强度的谐波信号，该可调有源感应器能对其值进行调谐；振荡器，用于通过将从可调有源感应器产生的谐波信号频率转变成高频带来放大所述谐波信号并将其输出；和滤波器，用于选择性地输出从振荡器输出的谐波信号之一。

Description

超宽频带信号发生器

技术领域

本发明涉及一种信号发生器，更具体地讲，涉及一种使用具有超宽频带(UWB)中的频率范围的谐波信号在需要的频率产生信号的信号发生器。

背景技术

在无线通信系统中，在接收器中接收的射频(RF)信号通过如图1所示的混频器10被转换成中频(IF)信号。混频器10将从压控振荡器(VCO)12传送的信号和RF信号进行混频，并将混频的信号的频率转换成IF信号的频率。

如上所述，包括在接收器中的VCO主要用于信道选择。为了将VCO用于频带选择，VCO必须具有更宽的频率控制范围。

然而，由于VCO中存在大量寄生电容器，所以图2所示的传统的VCO仅使用可变电抗器不能控制宽频率范围。

如图3所示，非线性元件产生相对于基频f的谐波，这些谐波产生于宽频带中。由于这些谐波的功率非常小，所以这些谐波不适合于振荡器信号。

发明内容

因此，已提出本发明来至少解决在现有技术中出现的上述问题，并且本发明的一目的在于提供这样一种信号发生器，该信号发生器使用功率电平高得足以被用作振荡器信号的谐波信号来产生超宽频带的频率范围中的谐波信号，并输出具有期望频率的谐波信号。

本发明的另一目的在于提供这样一种信号发生器，该信号发生器使用可调有源感应器(TAI)来产生功率电平高得足以被用作振荡器信号的谐波信号，并使用滤波器输出具有期望频率的谐波分量。

为了实现以上目的，提供一种超宽频带信号发生器，包括：可调有源感应器，用于产生具有在非线性操作范围内彼此相似的功率强度的谐波信号，该可调有源感应器能对其值进行调谐；振荡器，用于通过将从可调有源感应器产生的谐波信号频率转变成高频带来放大所述谐波信号并将其输出；和滤波器，用于选择性地输出从振荡器输出的谐波信号之一。

附图说明

从下面结合附图的详细描述，本发明的以上和其它目的、特征和优点将更清楚，其中：

图1示出传统的无线通信系统中的接收器的内部结构；

图2示出传统的VCO电路图；

图3是示出一般谐波的功率的曲线图；

图4是示出根据本发明的第一实施例的超宽频带信号发生器的电路图；

图5是等效于图4所示的滤波器模块的电路图；

图6是示出图4所示的TAI的示例的电路图；

图7是示出根据图4所示的TAI的输入电压的谐波功率的曲线图；

图8是用于解释从图4所示的振荡器输出的谐波的示图；

图9是示出通过图4所示的滤波器模块的可变电容器Cload选择具有相应频率的谐波信号的曲线图；

图10是示出根据本发明的第二实施例的超宽频带信号发生器的电路图；

图11示出对于图4所示的信号发生器的根据频率的输出功率；和

图12示出对于图4所示的信号发生器的根据基频变化的相位噪声。

具体实施方式

以下，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。注意到，虽然相同或相似的部件显示在不同的附图中，但是尽可能地用相同的标号来命名附图中相同或相似的部件。在本发明的下面的描述中，当包含于此的公知的功能和结构的详细描述可能使得本发明的主题内容不清晰时，将省略公知的功能和结构的详细描述。

根据本发明的超宽频带信号发生器包括：可调有源感应器(TAI)，用于产生具有超宽频带的谐波信号；振荡器42，用于通过使用非线性元件产生谐波信号；和滤波器模块41，用于从从振荡器42输出的具有超宽频带的谐波信号中选择具有相应频率的信号并将其输出。

TAI可对其感应器值进行调谐，且通过电容器C3连接到振荡器42的晶体管Q1的基极。

振荡器42包括晶体管Q1，偏置电压Bias通过电阻器R1被输入到晶体管Q1的基极，电容器C1和C2置于地和晶体管Q1的基极之间。电流源I_core连接到晶体管Q1的发射极，并与电容器C1和C2连接。另外，连接到电压源VDD的感应器L_load和连接到输出端OUT的电容器C4与晶体管Q1的集电极相连。具有以上结构的振荡器42可通过将从TAI输入到其的谐波信号的频带转变成从振荡器42产生的高频率信号的频带来输出谐波信号。

以这样一种方式实现滤波器模块41，即，诸如可变电抗器的可变电容器C_load置于晶体管Q1的集电极和地之间以与感应器L_load一起从从晶体管Q1的集电极输出的谐波信号中选择具有相应频率的信号。如图4所示，滤波器模块41包括寄生电容器C_parasitic。这使得滤波器模块41与图5所示的包括感应器L和电容器C的滤波器等效。

以下，将更详细地给出关于TAI的描述。

TAI产生非线性操作范围内的谐波信号。通常，由于从TAI产生的谐波信号实际上具有强度极小的功率，所以这些谐波信号不可能被用在振荡器中。为了产生具有可被用于振荡器42的功率的谐波信号，本发明增加输入到TAI的功率的强度。如果输入到TAI的电压的强度增加，则产生的谐波信号的功率强度也增加。另外，当输入电压的功率强时，谐波信号的功率具有彼此近似的强度。

图6是示出TAI的示例的电路图。

图6所示的TAI包括栅地阴地(Cascade-Grounded)结构的可调反馈电阻器。即，在由晶体管M4和晶体管M6构造的回转器结构中，TAI具有连接到栅地阴地结构的晶体管M6的晶体管M5以及置于晶体管M5的漏极和晶体管M4的栅极之间的可调反馈电阻器R_f′。晶体管MP作为PMOS型电流源操作，晶体管MN作为NMOS型电流源操作。可调反馈电阻器R_f′包括电阻器R_f和晶体管MR。

这里，假设R_f′值通过方程1而获得，因子Q、因子Q的峰值频率f_Q和自谐振频率ω分别通过方程2到方程4而获得。

$R_f^{\′}\≈\frac{R_f}{1+R_f{g}_{\mathrm{dsR}}}...\left(1\right)$

这里，g_dsR表示晶体管MR的输出电导。

$Q\≈\frac{\mathrm{\ω}[C_{\mathrm{gs}5}(g_{\mathrm{ds}5}+g_{\mathrm{dsP}})+C_{\mathrm{gs}4}{g}_{\mathrm{mN}}(1+2R_f^{\′}{g}_{\mathrm{dsP}})-{\mathrm{\ω}}^2{C_{\mathrm{gs}4}}^2{C}_{\mathrm{gs}5}{R}_f^{\′}\{1+R_f^{\′}(g_{\mathrm{ds}5}+g_{\mathrm{dsP}})\}]}{[g_{\mathrm{mN}}{g}_{\mathrm{dsP}}+g_{\mathrm{ds}6}(g_{\mathrm{ds}5}+g_{\mathrm{dsP}})-{\mathrm{\ω}}^2{C}_{\mathrm{gs}4}\{C_{\mathrm{gs}5}(1+2R_f^{\′}(g_{\mathrm{ds}5}+g_{\mathrm{dsP}}))+C_{\mathrm{gs}4}(1+2R_f^{\′}{g}_{\mathrm{dsP}})\}]}$

...(2)

这里，g_ds5、g_ds6和g_dsP分别表示晶体管M5、M6和MP的输出电导，C_gs4和C_gs5分别表示晶体管M4和M5的栅极和源极之间的电容。g_mM表示晶体管MN的互导，ω表示自谐振频率。

$f_Q\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{g_{\mathrm{mN}}{g}_{\mathrm{dsP}}+g_{\mathrm{ds}6}(g_{\mathrm{ds}5}+g_{\mathrm{dsP}})}{C_{\mathrm{gs}4}\left\{C_{\mathrm{gs}4}(1+\left(R_f^{\′}{g}_{\mathrm{dsP}}\right)+C_{\mathrm{gs}5}(1+2R_f^{\′}(g_{\mathrm{ds}5}+g_{\mathrm{dsP}}))\right\}}}...\left(3\right)$

$\mathrm{\ω}\≈\sqrt{\frac{C_{\mathrm{gs}5}(g_{\mathrm{ds}5}+g_{\mathrm{dsP}})+C_{\mathrm{gs}4}{g}_{\mathrm{mN}}(1+2R_f^{\′}{g}_{\mathrm{dsP}})}{C_{\mathrm{gs}4}^2{C}_{\mathrm{gs}5}{R}_f^{\′}\{1+R_f^{\′}(g_{\mathrm{ds}5}+g_{\mathrm{dsP}})}}...\left(4\right)$

从方程2到方程4可知，即使当R_f′值增加时，通过对g_dsP值进行调谐，根据本发明的TAI也恒定保持因子Q、因子Q的峰值频率f_Q和自谐振频率ω。

由于可调反馈电阻器R_f′包括电阻器R_f和晶体管MR，所以可通过控制连接到晶体管MR的栅极的电压V_tune对Rf′的强度进行调谐。通过控制连接到晶体管MP的栅极的V_biasp对g_dsP值进行调谐。

换句话说，可通过V_biasp、V_tune和V_biasn的组合对TAI值进行调谐。

如图7所示，可知，随着输入电压增加，根据具有以上结构的TAI的输入电压的谐波信号的功率可增加并收敛到预定值。本发明使用上述原理。因此，图8中显示了从不包括图4所示的滤波器模块41的可变电容器C_load的振荡器42产生的具有超宽频带的所有谐波信号。换句话说，从图8可知，通过振荡器42放大具有彼此相似的功率的从TAI产生的谐波信号，从而输出具有更强功率的谐波信号。如上所述，根据本发明，使用所述TAI产生具有超宽频带的谐波信号。

图9是示出图4所示的滤波器模块41通过使用可变电容器C_load选择具有相应频率的谐波信号的曲线图。如图9所示，可知，图4所示的滤波器模块41通过滤波器模块41的谐振负载的传递函数从从振荡器42输出的具有超宽频带的谐波信号中选择并输出具有相应频率的谐波信号。

同时，根据本发明的另一实施例，在图4所示的信号发生器中，去除连接到偏置电压Bias的电阻器R1，采用可变电容器代替电容器C1和C2，并采用电阻器R2代替电流源I_core，从而能够实现图10所示的信号发生器。

图11和图12是示出根据本发明的超宽频带信号发生器的仿真结果的曲线图。图11示出根据频率的输出功率，图12示出根据基频变化的相位噪声。图11示出为了使用具有基频电平的输出功率的谐波信号必须将基频控制在大约17GHz到5.2GHz的范围内。图12示出基频和根据基频的谐波信号的相位噪声及频率范围。如图12所示，可知，在相同相位噪声的条件下，使用具有低强度的谐波信号代替具有高强度的基频更有效率。

如上所述，根据本发明，可提供一种信号发生器，该信号发生器使用可调有源感应器来产生具有超宽频带的谐波信号并通过滤波器选择和输出具有相应频率的谐波信号，从而能够将产生的信号的频率控制在超宽频带的范围内。

尽管已参考本发明的某些优选实施例显示并描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节的各种改变。因此，本发明的范围不应该由所述实施例限制，而是应该由权利要求及其等同物所限制。

Claims (13)

1.一种超宽频带信号发生器，包括：

可调有源感应器，用于产生具有在非线性操作范围内彼此基本相同的功率强度的谐波信号，该可调有源感应器能对其值进行调谐；

振荡器，用于通过将从可调有源感应器产生的谐波信号频率转变成高频带来放大所述谐波信号并将其输出；和

滤波器，用于选择性地输出从振荡器输出的谐波信号之一。

2.如权利要求1所述的超宽频带信号发生器，其中，所述可调有源感应器包括：

第一晶体管，具有连接到电压源的源极和连接到第一偏置电压的栅极；

第二晶体管，具有连接到第一晶体管的漏极的漏极和连接到第二偏置电压的栅极；

第三晶体管，具有连接到第二晶体管的源极的漏极和连接到地的源极；

第四晶体管，具有连接到第三晶体管的栅极的漏极、连接到地的源极和连接到第三偏置电压的栅极；

第五晶体管，具有连接到第四晶体管的漏极的源极和连接到电压源的漏极；和

第一可调阻抗，置于第一晶体管的漏极和第五晶体管的栅极之间。

3.如权利要求2所述的超宽频带信号发生器，其中，所述第一可调阻抗包括：

第一电阻器，置于第一晶体管的漏极和第五晶体管的栅极之间；和

第六晶体管，具有连接到第一晶体管的漏极的漏极、连接到第五晶体管的栅极的源极和连接到第四偏置电压的栅极。

4.如权利要求1所述的超宽频带信号发生器，其中，所述振荡器包括：

第七晶体管，具有连接到可调有源感应器的基极；

第一电容器，置于可调有源感应器和第七晶体管之间；

第三电阻器，置于第五偏置电压和第七晶体管的基极之间；

第二电容器，置于第七晶体管的基极和第七晶体管的发射极之间；

第三电容器，置于地和第二电容器之间；

第一电流源，置于第七晶体管的发射极和地之间；

第一感应器，置于电压源和第七晶体管的集电极之间；和

第四电容器，置于第七晶体管的集电极和输出端之间。

5.如权利要求4所述的超宽频带信号发生器，其中，所述滤波器通过使用第一感应器和置于第七晶体管的集电极和地之间的第一可变电容器执行滤波。

6.如权利要求1所述的超宽频带信号发生器，其中，所述振荡器包括：

第八晶体管，具有置于可调有源感应器和第六偏置电压之间的基极；

第五电容器，置于可调有源感应器和第八晶体管之间；

第二可变电容器，置于第八晶体管的基极和第八晶体管的发射极之间；

第三可变电容器，置于第二可变电容器和地之间；

第四电阻器，置于第八晶体管的发射极和地之间；

第二感应器，置于电压源和第八晶体管的集电极之间；和

第六电容器，置于第八晶体管的集电极和输出端之间。

7.如权利要求6所述的超宽频带信号发生器，其中，所述滤波器通过使用第二感应器和置于第八晶体管的集电极和地之间的第四可变电容器执行滤波。

8.一种超宽频带信号发生器，包括：

可调有源感应器，用于产生具有在非线性操作范围内彼此基本相同的功率强度的谐波信号，该可调有源感应器能对其值进行调谐；

第一晶体管，具有连接到可调有源感应器的基极；

第一电阻器，置于第一偏置电压和第一晶体管的基极之间；

第一电容器，置于第一晶体管的基极和发射极之间；

第二电容器，置于第一电容器和地之间；

第一电流源，置于第一晶体管的发射极和地之间；

第一感应器，置于电压源和第一晶体管的集电极之间；

第三电容器，置于第一晶体管的集电极和输出端之间；和

第一可变电容器，置于第一晶体管的集电极和地之间。

9.如权利要求8所述的超宽频带信号发生器，其中，所述可调有源感应器包括：

第二晶体管，具有连接到电压源的源极和连接到第二偏置电压的栅极；

第三晶体管，具有连接到第二晶体管的漏极的漏极和连接到第三偏置电压的栅极；

第四晶体管，具有连接到第三晶体管的源极的漏极和连接到地的源极；

第五晶体管，具有连接到第四晶体管的栅极的漏极、连接到地的源极和连接到第四偏置电压的栅极；

第六晶体管，具有连接到第五晶体管的漏极的源极和连接到电压源的漏极；和

第一可调阻抗，置于第二晶体管的漏极和第六晶体管的栅极之间。

10.如权利要求9所述的超宽频带信号发生器，其中，所述第一可调阻抗包括：

第二电阻器，置于第二晶体管的漏极和第六晶体管的栅极之间；和

第七晶体管，具有连接到第二晶体管的漏极的漏极、连接到第六晶体管的栅极的源极和连接到第五偏置电压的栅极。

11.一种超宽频带信号发生器，包括：

可调有源感应器，用于产生在非线性操作范围内彼此基本相同的功率强度的谐波信号，该可调有源感应器能对其值进行调谐；

第一晶体管，具有连接到可调有源感应器的基极；

第一电容器，置于可调有源感应器和第一晶体管之间；

第一可变电容器，置于第一晶体管的基极和发射极之间；

第二可变电容器，置于地和第一可变电容器之间；

第一电阻器，置于第一晶体管的发射极和地之间；

第一感应器，置于电压源和第一晶体管的集电极之间；

第二电容器，置于第一晶体管的集电极和输出端之间；和

第三可变电容器，置于第一晶体管的集电极和地之间。

12.如权利要求11所述的超宽频带信号发生器，其中，所述可调有源感应器包括：

第二晶体管，具有连接到电压源的源极和连接到第一偏置电压的栅极；

第三晶体管，具有连接到第二晶体管的漏极的漏极和连接到第二偏置电压的栅极；

第四晶体管，具有连接到第三晶体管的源极的漏极和连接到地的源极；

第五晶体管，具有连接到第四晶体管的栅极的漏极、连接到地的源极和连接到第三偏置电压的栅极；

第六晶体管，具有连接到第五晶体管的漏极的源极和连接到电压源的漏极；和

第一可调阻抗，置于第二晶体管的漏极和第六晶体管的栅极之间。

13.如权利要求12所述的超宽频带信号发生器，其中，所述第一可调阻抗包括：

第二电阻器，置于第二晶体管的漏极和第六晶体管的栅极之间；和

第七晶体管，具有连接到第二晶体管的漏极的漏极、连接到第六晶体管的栅极的源极和连接到第四偏置电压的栅极。

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