CN102624366A

CN102624366A - 多能量注入锁定的高功率输出旋转行波振荡器

Info

Publication number: CN102624366A
Application number: CN2012101078150A
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，具体是一种多能量注入锁定的旋转行波振荡器。该电路主要由旋转行波振荡器，负阻网络，电压控制的变容器，电压控制的相移器，谐波生成电路组成。在集成电路中随着信号频率的升高特别是频率在毫米波波或亚毫米波范围，电容器件和电感器件的寄生电阻都很大，简单的电容电感振荡器很难实现高调谐范围和大的功率的输出。本发明采用一个压控旋转行波振荡器产生基频信号，在振荡器不同位置耦合谐波产生电路。其产生的高次谐波信号注入到另一个旋转行波振荡器中，从而实现频率更高的振荡。本发明通过多个能量的注入和选择合适的注入信号的相位，提高注入锁定的范围。

Description

多能量注入锁定的高功率输出旋转行波振荡器

技术领域

本发明属于射频微波集成电路技术领域，具体涉及到一种多能量注入锁定的旋转行波振荡器。

背景技术

随着集成电路工艺技术的进步，晶体管的特征尺寸按照摩尔定律在不断的缩小。晶体管的缩小使得晶体管的本征增益的频率也在不断的提高，从而使得基于硅材料的电路在微波领域也有了较大的发展。以前的微波集成电路都是由砷化镓材料制成的，但是这种材料的价格比较昂贵，所以微波集成电路在民用领域没有得到较大的应用。硅材料在价格和集成度上都有很大的优势，所以如果用硅材料能够实现性能良好的微波电路，一定可以带来巨大的经济效益。

毫米波集成电路有着较大应用范围，比如毫米波成像，毫米波通信等。这些应用里面最为重要的电路模块就是毫米波的振荡器。基于硅材料要实现毫米波频率的振荡器是一个困难的事情。主要有以下几个问题，第一：硅材料工艺的衬底电导率大，导致高频率信号的损耗比较大，信号的功率比较低。第二：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。第三：振荡器的频率随寄生参数的改变比较大。在微波频率范围，寄生的电容和电感对振荡器的频率改变影响很大。为了减少寄生的电容和电感对振荡器的影响，同时提高振荡器的频率调谐范围，本发明采用分布式旋转行波振荡器。

本发明采用的分布式旋转行波振荡器，其结构是两根传输线，传输线通过交叉耦合的方式形成环路。在两根传输线上耦合了负阻网络，补充振荡过程中损失的能量。其振荡的频率为：

。

其中L为传输线上的总电感，C为传输线上的总电容。在本发明中为了得到更高频率的振荡器，采用多能量注入锁定的分布式振荡器。首先由一个高频的旋转行波振荡器中可以得到相位从0到360度的波形。选择合适相位的波通过谐波产生电路，把产生的高次谐波注入到另一个旋转行波振荡器中，使得第二个旋转行波振荡器在更高的频率振荡。为了提高注入锁定的范围，采用多个能量注入的方式，同时多个能量注入的相位也需要合理的选择。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实现多能量注入锁定的旋转行波振荡器。

本发明提出的多能量注入锁定的旋转行波振荡器，包括：至少一个产生基频的旋转行波振荡器，至少一个注入锁定旋转行波振荡器，至少一个谐波生成网络，至少一个负阻抗网络，至少一个电压控制的变容器；所述产生基频的旋转行波振荡器分布于外圈，其具有两根传输线，所述两根传输线通过交叉连接的方式形成反馈回路；注入锁定旋转行波振荡器设置于内圈，其具有两根传输线，所述两根传输线通过交叉连接的方式形成反馈回路；具体的电路是：负阻抗网络1耦合在外圈的两根传输线上；电压控制变容器2耦合在外圈的两根传输线上；谐波生成网络3的输入端耦合在产生基频的旋转行波振荡器的两个外圈的传输线上，其输出端耦合在注入锁定旋转行波振荡器4的能量注入的负阻产生网络上。

本发明中，所述负阻抗网络由至少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至少有一个电压控制的端口，至少有两个电容的输出端口。

本发明是为了解决高振荡频率的问题，同时实现高功率的输出。外围的旋转行波振荡器首先振荡在微波频段，但是这个振荡的输出频率还不能满足需求。为了实现更高频率的振荡的，在这个旋转行波振荡器的不同位置耦合谐波生成网络。在不同位置耦合的谐波生成网络通过输入的差分信号产生需要的高次谐波。不同的谐波生成网络可以生成不同的谐波，产生的谐波注入到内圈的某个旋转行波振荡器中。例如利用最简单的二次谐波产生电路，把产生的二次谐波的能量注入到另一个旋转行波振荡器中，那么第二个旋转行波振荡器的振荡频率就是第一个的两倍。

对于注入锁定的振荡器，重要的是振荡器的锁定范围。对于单个能量注入的振荡器其锁定的范围为：

。

其中

是振荡器的在没有注入能量的情况下自由振荡的频率。Q是振荡器的振荡品质因子，表示一个周期内振荡器存储的能量和消耗能量的比值。

是注入到谐振腔的电流，

是谐振腔内的电流。从这个式子中可以看到增加注入谐振腔电流越大，锁定的范围就越大，振荡器的品质因数越低，振荡器自由振荡的频率越高，得到锁定范围就比较大。虽然振荡器的品质因数减小可以提高锁定范围。但是对于振荡器，振荡信号的相位噪声为：

。

其中F是一个经验的参数，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度。

是谐振腔电阻平均的能量消耗。

是振荡器的自由振荡的频率。Q是振荡器的品质因数。虽然注入锁定振荡器的相位噪声在一定程度上会受被注入信号相位噪声的影响，但是在距离本振频率较远的相位噪声主要还是由振荡器决定的。在通信方面，对本振信号的相位噪声要求比较高，因此不能选择较低的品质因数。采用分布式的振荡器为了提高振荡器的锁定范围可以采用多个能量注入的方法提高注入效率，从而提高锁定的范围。

本发明不仅采用多个能量注入，同时各个注入信号的相位也不同。通过调节不同位置的注入信号的相位，使得注入信号的相位差为

，就可以得到最佳的锁定范围。

本发明的主要改进之处在于：

采用旋转行波振荡器作为基频振荡器，在基频振荡器的不同位置耦合谐波产生网络电路。产生的谐波注入到另一个旋转行波振荡器，从而实现了更高频率的振荡。

注入到更一个高频率的旋转行波振荡器，采用的是多能量注入的方式，不仅提高了注入的效率，通过合理的选择注入信号的相位，可以实现更大锁定的范围。因为采用注入锁定的方式，在一定频率范围内高频振荡器的相位噪声要比直接震荡在这个频率的振荡器要好。

本发明通过多能量注入锁定的方式，实现了更高频率的振荡器的输出频率。同时合理的选择注入信号的相位使得注入锁定的范围得到了较大的提高。

相位噪声在一定的程度上得到了改进。从公式（3）可以看到，在距离振荡频率相同

处的相位噪声，如果在品质因数一定的情况下，自由振荡的频率（

）越高相位噪声就越差。并且在实际的情况下，随着振荡频率的升高。寄生的参数导致振荡器的品质因数变的更小，所以振荡在高频的振荡器的相位噪声比较差。但是采用注入锁定的方式，虽然振荡器振荡在高的频率，但是其相位噪声与注入信号的相位噪声关系很大。如果注入信号的噪声比较小，那么振荡器相位噪声也会比较小。在本发明中采用高阶谐波注入，基频的旋转行波振荡器振荡频率比较低，那么信号的相位噪声就比较小，使得高频的旋转行波振荡器相位噪声很好。

附图说明

图1本发明的注入锁定振荡器系统框架图。

图2本发明的多能量注入锁定的分布式振荡器的电路图。

图3本发明的旋转行波振荡器。

图4本发明的旋转行波振荡器的等效图。

图5本发明的谐波产生电路。

图6本发明的振荡器的阻抗和相位特征。

图7本发明的注入锁定振荡器的模型。

图8本发明的多个能量注入锁定的分布式振荡器的等效图。

图9本发明的单个能量注入的分布式振荡器。

图10本发明的单个能量注入的分布式振荡器的电路图。

图11本发明的能量注入和负阻产生网络。

图12本发明的负阻网络。

图中标号：1为负阻抗网络，2为电压控制变容器，3为谐波生成网络，4为注入锁定旋转行波振荡器。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明。

图1所示为系统的框架图，基于高次谐波注入锁定的旋转行波振荡器主要包括三个主要的部分，第一部分是产生基频信号的振荡器，这个振荡器采用分布式的旋转行波振荡器，第二部分是谐波生成网络电路，旋转行波振荡器产生的基频信号经过谐波生成网络电路产生高次谐波。第三部分是注入锁定旋转行波振荡器，谐波生成网络将产生的高次谐波能量注入到这个旋转行波振荡器，从而产生更高频率的振荡。

具体的电路如图2所示，外圈的两根传输线是产生基频的旋转行波振荡器，振荡器上耦合了负阻产生网络和电压控制的电容器。负阻网络主要是为了补偿在振荡过程中损耗的能量，通过改变电压控制的电容器的电容，可以改变振荡器的频率，从而可以实现在较宽范围的频率的振荡。在图2中的采用的谐波产生网络主要是产生二次的谐波，内圈是两根传输线，是产生更高频振荡旋转行波振荡器，高次谐波产生的能量注入到内圈的振荡器中，从而实现注入锁定的过程。因为采用的分布式的振荡器同时为了得到更大的锁定范围和相位噪声，采用多个注入能量的方式，具体的分析会在下面详细的说明。

产生基频的旋转行波振荡器其基本结构如图2所示，两个差分的传输线形成一个反馈，分布在不同位置的负阻抗网络补充了传输线在振荡过程的损失，电压控制的电容器可以调节振荡器的频率。在启动的过程中，振荡器可以沿着顺时针或是逆时针方向，但是在稳定的状态下，振荡器的行波方向是沿着损耗最少的方向。用另个简单的模型可以认为是分布式的放大器，输出经过180度的相移和输入接到了一起，形成了反馈。

在传输线上的相移速度可以用下面的公式描述为：

（1）。

其中

是传输线上单位长度上的电感，是传输线的单位长度上的电容。两根差分的传输线中的交叉连接引入了180度的相位移动。因此为了满足振荡器的振荡条件，那么两个差分传输线的长度需要满足如下的公式：

（2）。

其中代表的是传输线的长度，

是传输线上行波的波长。N可以取得数值为正的奇数，在实际的应用中一般取n等于1。在本发明中采用的n为1，因此可以的得到这个振荡器的基频如下：

（3）。

其中L为整个传输线的电感，C为整个传输线的电容。

为振荡器的振荡频率。下面建立模型对旋转行波振荡器做具体的分析。两根差分的传输线通过交叉的连接形成了一个环形的行波振荡器图3所示，为了更清楚的描述振荡器的振荡过程，可以把差分的传输线展开成一个环形图4所示。分布在差分传输线上的负阻网络，可以用

来代替，电压控制的变容器是为了改变振荡器的振荡频率，因此整个模型为图4所示。从图4可以看出这个分布式的振荡器形成一个环，在相位上形成了360度的改变，负阻网络补充了在振荡过程中传输线的能量损失，因此满足了振荡器的起振条件。假如在起振的过程中，一个

的负阻向环路注入了能量，那么会产生两个方向传播的波，一个是波是顺时针传播，一个波是逆时针传播可以表示为:

（4）。

其中

和

是电压的幅度，

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。

（5）。

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。因为整个振荡器是对称的，因此最后只剩下驻波的部分。

当振荡器稳定以后，在差分传输线上会形成稳定的波形。波形的相位会沿着波的行进方向依次滞后，同时在两根差分传输线距离起振位置长度一致的地方，形成的波相位是180度如图2所示。因此可以耦合谐波产生网络，如图5所示产生的是二次谐波，产生谐波的具体原理为：

（6）。

其中K为一个与工艺和器件参数有关的常数，

为栅源的电压，为阈值电压，为输入到谐波产生网络的电压。因为输入的差分的信号，相位差为180度。那么总的电流为：

（7）。

从图5中可以直观的看到产生的二次谐波的能量。

产生的高次谐波能量注入高次谐波振荡器中，形成注入锁定振荡器。对于简单的单个能量注入锁定的振荡器，它的模型如图7所示。振荡器满足振荡的条件一般是输入和输出的相位差是360度的整数倍，环路的增益大于1.当振荡器在没有其能量注入的时候，振荡在本振的频率：

（8）。

其中是自由振荡的频率，

是谐振腔的电感，

为谐振腔的电容。但是当有其他频率的能量注入到谐振腔的时候，谐振腔的频率就会偏离自由振荡的频率，同时产生一个相位的改变。图6所示。

当输入的信号的频率和自由振荡的频率不一样，引入的相位改变为：

（9）。

其中Q为振荡器的品质因数，

为振荡器的自由振荡的频率，

为注入到振荡器的信号的频率。当振荡器振荡在

，在整个反馈的环路中不引入相位改变，但是当振荡在

的频率，就会在环路中引入新的相位。为了满足振荡的条件，如图7所示在输入能量的时候也引入了另一个相位改变为

，它和

的关系为

（10）。

但是并不是振荡器可以锁定任意的频率，只有和自由自由振荡的频率比较接近的频率才能够锁定，这个范围就是锁定的范围。对于单个能量注入的振荡器其锁定的范围为：

（11）。

其中是振荡器的在没有注入能量的情况下自由振荡的频率。Q是振荡器的振荡品质因子，表示一个周期内振荡器存储的能量和消耗能量的比值。

是注入到谐振腔的电流，

是谐振腔内的电流。从这个式子中可以看到增加注入谐振腔电流越大，锁定的范围就越大，振荡器的品质因数越低，振荡器自由振荡的频率越高，得到锁定范围就比较大。

上述的分析是对应于单个注入锁定的振荡器的锁定范围，本发明采用的是分布式的振荡器，为了增加锁定的范围，采用的是多能量输入的方式。如图8所示，假设有4个高次谐波的能量注入到振荡器中，当这个振荡器被锁定到注入的频率时，可以把这个振荡器看做是四个单个高次谐波能量注入的振荡器来分析。如图9所示输入的阻抗是长的传输线被短路线，那么对于这个

振荡器：

（12）。

其中L是分布式振荡器的总电感，C是分布式振荡器的总电容，

为振荡频率和自由振荡频率的差值。

（13）。

根据Q值的定义可以得到：

（14）。

所以，

（15）。

对于集总式的LC振荡器，

（16）。

对比可以知道，对于分布式的

振荡器可以用集总式的谐振腔来等效，那么等效的电容和电感如下：

（17）。

经过上面的分析，可以用简单的模型来分析分布式的振荡器，如图10是最后的模型。在图10中多个能量注入锁定的振荡器可以把它看成几个相互耦合的单个能量注入锁定的振荡器。

经过上面简化后，单个的分布式振荡器可以看做一共有四个能量注入。第一个注入的能量就是谐波产生网络注入的能量，第二个能量是负阻网络产生的为了补偿传输线能量损耗的能量，第三个和第四个是相邻的振荡器之间相互耦合的能量如图10。

这四个注入的能量依次为：

（18）

在如图10中列出节点方程为

（19）

分别把式子（19）微分方程的实部和虚部分开解出来为：

（20）

（21）

根据对称性可以知道，四个互相耦合的振荡器用上面的方法分析，可以得到四个方程为：

（22）

（23）

（24）

（25）。

因为锁定后振荡器的频率是稳定的，因此可以简化上面四个式子为：

（25）

（27）

（28）

（29）。

如果直接去解上面的四个方程是很困难，不过根据物理意义，得到有效的解为

（30）。

这两个解的物理意思是波的传播方向是顺时针还是逆时针

（31）。

这两个解的物理意义是在使用多个注入能量的时，注入信号的相位是顺时针增加还是逆时针增加。（31）的解与（30）式子中的解释对应关系，也就是说当注入能量的相位是顺时针增加，那么波的传播方向为顺时针。如果注入能量的相位是逆时针增加，那么波的传播方向为逆时针，同时注入信号的相位和负阻网络注入能量的相位是一样的。

Claims

1. 一种实现多能量注入锁定的旋转行波振荡器，其特征在于包括：至少一个产生基频的旋转行波振荡器，至少一个注入锁定旋转行波振荡器，至少一个谐波生成网络，至少一个负阻抗网络，至少一个电压控制的变容器；所述产生基频的旋转行波振荡器分布于外圈，其具有两根传输线，所述两根传输线通过交叉连接的方式形成反馈回路；注入锁定旋转行波振荡器设置于内圈，其具有两根传输线，所述两根传输线通过交叉连接的方式形成反馈回路；

所述的负阻抗网络耦合在外圈的两根传输线上；电压控制变容器耦合在外圈的两根传输线上；谐波生成网络的输入端耦合在产生基频的旋转行波振荡器的两个外圈的传输线上，其输出端耦合在注入锁定旋转行波振荡器的能量注入的负阻产生网络上。

2. 根据权利要求1所述的实现多能量注入锁定的旋转行波振荡器，其特征在于所述负阻抗网络由至少两个交叉耦合的晶体管组成。

3. 根据权利要求1所述的实现多能量注入锁定的旋转行波振荡器，其特征在于所述的电压控制的变容器至少有一个电压控制的端口，至少有两个电容的输出端口。