CN102624334A

CN102624334A - 高功率大调谐范围的旋转行波压控振荡器

Info

Publication number: CN102624334A
Application number: CN2012101078080A
Authority: CN
Inventors: 任俊彦; 马顺利; 李宁; 许俊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明属于毫米波集成电路技术领域，具体是一种高功率大调谐范围的旋转行波压控振荡器。该旋转行波压控振荡器主要由旋转行波振荡器、负阻网络、电压控制的变容器和电压控制的相移网络组成。本发明采用旋转行波振荡器振荡器，可以减少寄生的效应对振荡器影响。同时通过在振荡器中耦合电压控制的变容器，增大压控振荡器的输出频率的调谐范围；通过在振荡器中耦合电压控制的相移网络，使得不同相位的波通过电压控制的移相网络后相位一致，从而把这些相位相同的波叠加在一起实现高功率的输出。

Description

高功率大调谐范围的旋转行波压控振荡器

技术领域

本发明属于射频微波集成电路技术领域，具体涉及一种可以实现高功率输出的大调谐范围的旋转行波压控振荡器。

背景技术

随着人们对通信速度的要求越来越高，目前拥挤的频段已经不能满足这个需求。为了解决这个矛盾，毫米波通信技术变的越来的越重要，因为这个频段不仅可以提供大的频带宽度，也就是高的传输速率，同时在某些频段是免费的，因此利用毫米波通信成为一种趋势。电压控制的振荡器一般用在频率综合器中为整个系统提供本振信号。在通信电路中，本振信号通过混频器可以实现对信号上变频或是下变频。信号的上变频主要是方便信号从天线传播，信号的下变频主要是方便对信号进行处理。所以通信电路中最为重要的模块就是产生本振信号的频率综合器，频率综合器中最重要的电路就是压控振荡器。随着频率的升高，电感和电容的寄生电阻变得越来越大，能量的损耗变得越来的越大。晶体管的本征增益也变得越来越小，所以实现高功率输出的振荡器变得很困难。同时为了满足相位噪声的要求，振荡器的调谐范围也不能做的很宽。在雷达通信领域和毫米波成像领域中，高功率的压控振荡器也是很重要的模块。在高频率振荡电路中，寄生参数对于频率的改变影响很大。随着器件几何尺寸的减小，虽然带来了本征增益的提高，但是器件的耐压值也变得很小，所以很难实现高功率的输出。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够实现高功率输出的大调谐范围的旋转行波压控振荡器。

本发明提出的旋转行波压控振荡器，采用分布式结构，其包括：至少一个旋转行波振荡器电路，至少一个负阻抗网络，至少一个电压控制的变容器，至少一个电压控制的相移网络；其中，所述的旋转行波振荡器电路，至少包括两根传输线，通过交叉的连接形成反馈回路；所述的负阻抗网络耦合在所述传输线上，所述的电压控制的电容器耦合在所述传输线上，所述的相移网络中相移器耦合在所述传输线上，所有的相移器最后耦合在一起。

本发明中，所述负阻抗网络至少由两个交叉耦合的晶体管组成。

本发明中，所述的电压控制的变容器，有一个电压控制的端口，有两个电容的输出端口。

本发明采用分布式的旋转行波振荡器,可以减小寄生参数对振荡器影响。具体而言，旋转行波振荡器,采用两根传输线，通过采用交叉耦合的方式形成反馈,通过负阻抗网络补充振荡器在振荡过程中损失的能量。根据下面的公式可以知道旋转行波振荡器的振荡频率和传输线间的电容有着直接的关系：

Figure 2012101078080100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

在式（1）中L为传输线的电感，C为传输线之间的总电容。本发明通过引入电压控制的变容器，改变传输线间的电容，从而改变振荡器的频率。由于旋转行波振荡器采用分布式结构，波在传输线上传播，其相位沿着传播的方向有滞后；又由于旋转行波振荡器通过交叉耦合形成正反馈,这要求波在传播过程中滞后的相位是

的整数倍。因此在旋转行波振荡器的传输线上可以得到相位差从0到360度的波。这些波的功率和一个简单的电感电容振荡器发出的功率是一个数量级。如果把这些波的能量叠加在一起就可以实现高功率输出，但是因为这些波的相位不是相同的，不能直接叠加这些波。如直接叠加这些波，有可能还会减小输出功率，比如相位相反的波，经过叠加后信号的输出功率反而为零。因此，本发明引入相移网络，使得这些波的相位一致后再叠加，那么输出的功率就会得到提高。这就像凸透镜对太阳光的汇聚一样，旋转行波振荡器中不同相位的波，通过电压控制的相移网络后相位一致，经过叠加实现能量的汇聚。

例如附图1中，在旋转行波振荡器的四个不同的位置连接有四个电压控制的相移网络。假如这四个相移器网络的位置分别在圆的四等分处，那么每个相移网络需要提供90度相移。虽然是90度的相位改变，但是不同的频率相移网络引入的相移是不一样的。因此随着振荡器输出频率的改变，需要调节电压控制变容器的控制电压，使得不论什么频率的输入，相移网络引入的相移都是90度。最后这四个相同相位的波叠加在一起，能量比单个波的能量增加了16倍。如果引入的相移网络是45度，那么汇聚后的能量就是单个波的能量64倍，如果引入的相移网络是22.5度，汇聚后能量是单个波的能量是256倍。当然不能无限的递推下去，因为引入相移网络会对旋转行波振荡器的原有波产生影响。当引入的相移网络的个数为1-32的时候会有很好的效果。

发明的效果

实现了大的调谐范围和高功率的能量输出，能量的输出和引入的相移网络的数目成平方的关系，具体的关系式为：

Figure 2012101078080100002DEST_PATH_IMAGE003

（2）

上式Po是单个波的功率，N是引入相移网络的个数。可见输出的功率是相移网络的平方倍数。

附图说明

图1为本发明的旋转行波压控振荡器。

图2为本发明的传输线微分后的等效电路图。

图3为本发明的电压控制的变容器和电容数值随电压变化的关系图。

图4为本发明的负阻网络。

图5为本发明的电压控制的相移网络。

图6为本发明的相移网络的相移随电压控制的电容变化的关系图。

图7为本发明的压控振荡器的波形变化和最后输出的波形。

图8为本发明的压控振荡器的输出功率随相移网络的个数的变化。

具体实施方式

传统的旋转行波振荡器是两根传输线通过交叉耦合在一起的，通过负阻网络耦合在传输线上可以补充在振荡损失的能量。旋转行波振荡器可以看做是分布式的放大器，把输出和输入连在一起形成一个反馈。信号经过360的相位变化后输出的信号又连接到了输入，这样形成了反馈回路。两根传输线上的信号是差分，可以把差分的传输线微分后建模为图2的电感和电容的网络。为了研究的方便，首先把传输线分为N段，因为每段的长度都很短，所以每段的电感和电容都可以认为是集总式的。

Figure 2012101078080100002DEST_PATH_IMAGE005

和

Figure 2012101078080100002DEST_PATH_IMAGE007

表示第N段的电感和电容。

传输线上的相位速度为

，

Figure 2012101078080100002DEST_PATH_IMAGE009

和

表示的传输线上单位长度的电感和电容。因为旋转行波振荡器通过交叉互耦把输出和输入连接在一起形成了180度相移。为了满足振荡器的振荡条件，传输线至少要引入180度的相位变化，所以满足的传输线满足的条件为：

Figure 2012101078080100002DEST_PATH_IMAGE011

（3）

其中l为传输的长度，为波长，n为正的奇数。因为振荡器在基频模式有最大的环路增益，所以振荡器的振荡频率可以表示为：

（4）

L和C为整个传输线的电感和电容，具体关系有：

（5）

尽管上面的分析大体知道了振荡器工作频率，但是具体的工作原理仍然需要进一步研究。当振荡器满足360度的相位。假如在开始起振的时候，一个负阻注入电流在振荡器中，这个时候波就开始沿着两个方向传播，一个是波是顺时针，一个波是逆时针。因此两个波可以用下面的式子表示：

Figure 2012101078080100002DEST_PATH_IMAGE017

（6）

Ao和Bo是电压的幅度，B是传输常数，z是沿传输线传输的距离。当两列波相遇的时候，就会叠加在一起。

（7）

从上面的式子可以看出，总的波可以分为两个部分。第一项为行波部分，第二部分为驻波部分。如果电路对称性很好，那么这个时候只剩下驻波部分。

当振荡器开始振荡的时候，只有驻波在差分传输线上传播。波的相位在传输线上可以从0度变化360度。

从公式（5）可以看到，振荡器的频率和整个传输线的电感电容有关。只要改变传输线的电感和电容就可以改变振荡器的输出频率。传输线的电感不容易改变，电容可以通过在传输线上耦合电容。这个电容可以通过改变控制电压改变大小，从而实现振荡器输出频率的电压控制如图4。

通常的做法是在旋转行波振荡器的传输线的一个位置引出波形用于频率综合器的使用，但是随着频率的升高，单个位置输出的波能量是有限的。为了实现高功率，可以把这些波叠加在一起，但是这些波的相位不同，叠加在一起不一定会增加功率。为了解决这个问题，本发明采用相移网络，把不同相位的波经过相移网络。如图7经过相移网络后，波的相位一致，就可以叠加，叠加后振荡幅度明显增加，也就实现了大功率的输出。

移相网络的原理也是利用波在传输的过程，相位会沿着传输的方向滞后。假设传输线的长度为

，那么经过相移网络后为：

（8）

从（8）中可以看到，相位滞后的变化为

，其中

Figure 2012101078080100002DEST_PATH_IMAGE025

，可见不同的波长通过相同长度的传输线相位的改变是不一样。但是为了实现波的同相叠加，所有频率的波经过移相网络后相位的变化应该是一致。动态的改变传输线的长度是有困难。本发明采用改变

实现。

Figure 2012101078080100002DEST_PATH_IMAGE027

（9）

因此只要调节

的大小就可以调节相位延迟的大小。如图6通过在移相系统中耦合电压控制的电容器就可以调节不同频率的波通过移相系统后相移是相同的。

在一定的范围内随着N的增加，输出的功率会增加，但是当N非常大的时候，带来的损耗也会增加，同时引入相移网络也会对旋转行波振荡器的原有波产生影响。因此在一定的范围内，合理的引入一定数目的相移网络可以实现高功率的输出。

Claims

1. 一种高功率大调谐范围的旋转行波压控振荡器，其特征在于采用分布式结构，其包括：至少一个旋转行波振荡器电路，至少一个负阻抗网络，至少一个电压控制的变容器，至少一个电压控制的相移网络；其中，所述的旋转行波振荡器电路，至少包括两根传输线，通过交叉的连接形成反馈回路；所述的负阻抗网络耦合在所述传输线上，所述的电压控制的电容器耦合在所述传输线上，所述的相移网络中相移器耦合在所述传输线上，所有的相移器最后耦合在一起。

2. 根据权利要求1所述的高功率大调谐范围的旋转行波压控振荡器，其特征在于所述负阻抗网络至少由两个交叉耦合的晶体管组成。

3. 根据权利要求1所述的高功率大调谐范围的旋转行波压控振荡器，其特征在于所述的电压控制的变容器，有一个电压控制的端口，有两个电容的输出端口。

4. 根据权利要求1所述的高功率大调谐范围的旋转行波压控振荡器，其特征在于所述的电压控制的相移网络的个数为1—32个。