CN107332514A - 一种无变容管的推推式压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无变容管的推推式压控振荡器，属于电路设计技术领域，包括：谐振腔模块，由一对耦合传输线组成，用于产生所需的振荡信号；能量补偿模块，由一对晶体管组成，用于补偿谐振腔工作时的能量损失；信号耦合网络，由两个电容组成，用于差分信号的耦合；供电模块，用于给谐振腔模块和能量补偿模块供电；耦合传输线的输入端与供电模块的正极连接，耦合传输线的输出端与晶体管的集电极或基极连接，电容互相并联并与晶体管的基极连接，晶体管的发射极与供电模块的正极连接。该振荡器不仅可以实现推推式压控振荡器的功能，而且消除了变容管对其性能的不利影响，还可以在工艺厂商未提供变容管的情况下实现推推式压控振荡器的设计。
Description
技术领域
本发明属于电路设计技术领域，具体涉及一种无变容管的推推式压控振荡器。
背景技术
压控振荡器作为锁相环中的重要组成模块之一，已广泛应用于无线接收机、时钟恢复电路以及汽车雷达等领域中，其原理是利用输入电压来精确控制电路振荡频率，从而为锁相环提供所需的频率信号。相位噪声和调谐范围始终是制约压控振荡器性能的两大因素。随着通信技术的不断发展，低频段的频谱资源日益紧缺，对通信系统中接收机的性能要求也愈发严苛，这无疑促使压控振荡器的设计向着高频、宽调谐、低相噪的方向发展。
常见的用于微波与毫米波频段的压控振荡器有以下几种类型：交叉耦合结构、Colpitts结构以及推推结构。其中，交叉耦合结构压控振荡器采用差分结构，因此其共模噪声抑制能力较好，但是直流阻塞电容所产生的寄生效应会使得其振荡频率难以提升；Colpitts压控振荡器中仅有一个有源器件，相对于交叉耦合结构来说它的负载电容较小，因此其振荡频率较高，缺点是该类型的振荡器起振要求有源器件有比较高的跨导，因此它的功耗比较大；推推式压控振荡器是在两个平衡压控振荡器上添加两个相位相反的输出信号以此抵消基波信号，输出二次谐波信号，相当于拥有了倍频功能，这无疑大大提高了振荡器中晶体管的增益。此外，相比于上述两种振荡器来说，推推式结构中无源器件的Q值更低，因此在高频时其相位噪声的表现更好。因而，采用推推结构的压控振荡器可以满足微波与毫米波频率源对于频率和相位噪声等的苛刻要求，具有广阔的应用前景。
作为传统推推式压控振荡器中的重要组成部分，变容二极管Ctank与电感Ltank以及电容C3、C4一起构成了LC谐振腔，如附图1所示。压控振荡器的相位噪声可以用以下公式表示：
其中，QL为LC谐振腔的品质因数。在其他因素保持一致的情况下，压控振荡器的相位噪声与LC谐振腔的品质因数Q值成反比，因此低Q值的LC谐振腔无疑会使压控振荡器的相位噪声增大，尤其是在微波与毫米波频段，电路工作频率较高，变容管的Q值大幅降低，成为谐振腔Q值的决定性因素。并且，当压控振荡器的输入电压升高时，变容管的线性度会大幅下降，造成压控振荡器的线性度与相位噪声性能降低。因此，如何消除变容管对压控振荡器性能的不利影响成为微波与毫米波频段推推式压控振荡器设计的关键。
发明内容
本发明的目的在于针对变容二极管对推推式压控振荡器造成的相位噪声、线性度等性能指标的不利影响，提出一种无需采用变容二极管即可实现推推式压控振荡器的新型电路结构。该结构不仅可以实现推推式压控振荡器的功能，而且在此基础上消除了变容管对其性能的不利影响，还可以在工艺厂商未提供变容管的情况下实现推推式压控振荡器的设计。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无变容管的推推式压控振荡器，包括：
谐振腔模块，所述谐振腔模块由一对耦合传输线组成，用于产生所需的振荡信号；
能量补偿模块，所述能量补偿模块由一对晶体管组成，用于补偿谐振腔工作时的能量损失；
信号耦合网络，所述信号耦合网络由两个电容组成，用于差分信号的耦合；
供电模块，用于给所述谐振腔模块和所述能量补偿模块供电；
所述耦合传输线的输入端与所述供电模块的正极连接，所述耦合传输线的输出端与所述晶体管的集电极或基极连接，所述电容互相并联并与所述晶体管的基极连接，所述晶体管的发射极与所述供电模块的正极连接。
所述谐振腔模块包括第一耦合传输线和第二耦合传输线，所述第一耦合传输线由两根临近且具有相互耦合作用的第一传输线和第二传输线构成，所述第二耦合传输线由两根临近且具有相互耦合作用的第三传输线和第四传输线构成；所述能量补偿模块包括第一晶体管和第二晶体管，所述信号耦合网络包括第一电容和第二电容；
所述第一耦合传输线的输入端和所述第二耦合传输线的输入端均与所述供电模块的正极连接，所述第一传输线的输出端与所述第一晶体管的集电极连接，所述第二传输线的输出端与所述第二晶体管的基极连接，所述第三传输线的输出端与所述第一晶体管的基极连接，所述第四传输线的输出端与所述第二晶体管的集电极连接；
所述第一电容一端和所述第二电容一端连接于点CN处，连接点CN作为振荡器电路的输出端口，所述第一电容另一端与所述第一晶体管的基极连接，所述第二电容另一端与所述第二晶体管的基极连接；
所述第一晶体管的发射极和所述第二晶体管的发射极均与所述供电模块的正极连接。
所述供电模块包括第一电压源、第二电压源、第一电阻、第二电阻、第三晶体管和第四晶体管；
所述第一传输线的输入端、第四传输线的输入端和第二电阻一端均与所述第一电压源的正极连接，所述第一电阻一端与所述第二电压源的正极连接，所述第二传输线的输入端和第三传输线的输入端均与所述第一电阻另一端连接，所述第二电阻另一端与所述第三晶体管的基极和所述第四晶体管的集电极连接，所述第四晶体管的基极与所述第三晶体管的基极连接，所述第三晶体管的集电极与所述第一晶体管的发射极和所述第二晶体管的发射极连接，所述第三晶体管的发射极和所述第四晶体管的发射极均接地。
本发明提供的无变容管的推推式压控振荡器具有以下有益效果：
第一、本发明是一种无需采用变容二极管即可实现推推式压控振荡器电路的新方法，可用于工艺库中未提供变容二极管时的压控振荡器电路的设计，提高了设计的灵活度，指导了微波与毫米波电路中推推式压控振荡器的设计；
第二，解决了因工艺厂商未提供变容二极管导致推推式压控振荡器难以实现的问题。本发明利用耦合传输线结构代替传统推推式压控振荡器中的LC谐振腔，而无需采用变容二极管，降低了工艺实现的难度，同时可以在一定程度上减小版图面积。
第三，耦合传输线结构的引入避免了在微波与毫米波频段下变容二极管Q值降低使得推推式压控振荡器的相位噪声指标恶化，同时也改善了电路的线性度。由于没有使用变容二极管，谐振腔的Q值不会因为电路的工作频率升高而大幅下降，所以压控振荡器的相位噪声也不会因此而急剧增大。
附图说明
图1是传统采用变容管的推推式压控振荡器电路原理图；
图2是本发明的无变容管的推推式压控振荡器电路原理图；
图3是耦合传输线的几何结构示意图；
图4是耦合传输线的耦合效应等效电路图；
图5(a)、(b)、(c)、(d)分别为本发明提出的推推式压控振荡器的振荡频率(a)，输出频率(b)，相位噪声(c)，调谐范围(d)的仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种无变容管的推推式压控振荡器，具体如图2所示，包括：
谐振腔模块，谐振腔模块由一对耦合传输线组成，用于产生所需的振荡信号；本实施例中，谐振腔模块包括第一耦合传输线CL1和第二耦合传输线CL2，第一耦合传输线CL1由两根临近且具有相互耦合作用的第一传输线和第二传输线构成，第二耦合传输线CL2由两根临近且具有相互耦合作用的第三传输线和第四传输线构成。
能量补偿模块，能量补偿模块由一对晶体管组成，用于补偿谐振腔工作时的能量损失；本实施例中，能量补偿模块包括第一晶体管Q1和第二晶体管Q2，信号耦合网络包括第一电容C1和第二电容C2。
信号耦合网络，信号耦合网络由两个电容组成，用于差分信号的耦合；
供电模块，用于给谐振腔模块和能量补偿模块供电；
耦合传输线的输入端与供电模块的正极连接，耦合传输线的输出端与晶体管的集电极或基极连接，电容互相并联并与晶体管的基极连接，晶体管的发射极与供电模块的正极连接。
进一步地，第一耦合传输线CL1的输入端和第二耦合传输线CL2的输入端均与供电模块的正极连接，第一传输线的输出端与第一晶体管Q1的集电极连接，第二传输线的输出端与第二晶体管Q2的基极连接，第三传输线的输出端与第一晶体管Q1的基极连接，第四传输线的输出端与第二晶体管Q2的集电极连接；
第一电容C1一端和第二电容C2一端连接于点CN处，连接点CN作为振荡器电路的输出端口，第一电容C1另一端与第一晶体管Q1的基极连接，第二电容C2另一端与第二晶体管Q2的基极连接；
第一晶体管Q1的发射极和第二晶体管Q2的发射极均与供电模块的正极连接。
本实施中供电模块包括第一电压源Vcc、第二电压源Vtune、第一电阻R1、第二电阻R2、第三晶体管Q3和第四晶体管Q4。第三晶体管Q3和第四晶体管Q4为电流镜，为振荡电路供电，第二电压源Vtune为第三晶体管Q3和第四晶体管Q4基极提供偏置，同时作为频率调谐电压。
具体的，第一传输线的输入端、第四传输线的输入端和第二电阻R2一端均与第一电压源Vcc的正极连接，第一电阻R1一端与第二电压源Vtune的正极连接，第二传输线的输入端和第三传输线的输入端均与第一电阻R1另一端连接，第二电阻R2另一端与第三晶体管Q3的基极和第四晶体管Q4的集电极连接，第四晶体管Q4的基极与第三晶体管Q3的基极连接，第三晶体管Q3的集电极与第一晶体管Q1的发射极和第二晶体管Q2的发射极连接，第三晶体管Q3的发射极和第四晶体管Q4的发射极均接地。
本实施例采用交叉耦合传输线结构作为压控振荡器的谐振电路，其作用与传统含变容管的推推式压控振荡器中的变容二极管Ctank、电感Ltank以及电容C3、C4一起构成的LC谐振腔作用相同。相对于传统结构，本发明无需采用变容管，降低了工艺实现的难度，同时减小了版图面积，并且可以改善振荡器的相位噪声与线性度指标。
本发明的工作原理如下：
图3为第一耦合传输线CL1和第二耦合传输线CL2的几何结构示意图，耦合传输线包括厚度为d、介电常数为εr的介质层以及其上的两条相距为S的微带线。微带线宽度为W，厚度相对于介质层来说可以忽略不计。图4是耦合传输线的耦合效应等效电路图，其中，下标的两个数字相同时为自耦电容、自耦电感，数字不同时为互耦电容。耦合电感L11、L22与耦合电容C12构成振荡器的LC谐振腔。两个背靠背的第一晶体管Q1的发射极和第二晶体管Q2为谐振腔提供负阻，确保可以稳定振荡。V+与V-可以提供相位差为180°的两个差分信号。电容C1、C2相当于加法器，作用等同于信号相位耦合网络。相位差为180°的两个差分信号在CN处叠加。由于V+与V-信号为差分信号，即频率和振幅相等但相位相反，所以两信号叠加后，信号中的基波与奇数次谐波被抵消，只有偶次谐波被输出。又由于在所有偶次谐波中，二次谐波的输出功率最大，其他偶次谐波相对于二次谐波来说输出可以忽略不计，因此可以认为CN点输出二次谐波。第三晶体管Q3和第四晶体管Q4为电流镜电路，为振荡电路供电。第二电压源Vtune为晶体管第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的基极提供直流偏置，同时作为频率调谐电压。
本实施例的效果可以通过以下仿真曲线图进一步说明：
对本实施例提出的无变容管的推推式压控振荡器的振荡频率、输出频率、相位噪声及调谐范围进行仿真，结果如图5。
由图5可以得出，本实施例提出的电路可以在不采用变容管的基础上实现推推式压控振荡器电路，各项性能指标均良好。图5(a)为本发明提出的推推式压控振荡器的振荡频率仿真示意图，图5(a)中横坐标表示本发明振荡器的振荡频率，纵坐标表示本发明振荡器在振荡频率处的最大输出功率。从图5(a)中的m3点可以看出，本发明振荡器的基波振荡频率为55.92GHz，对应的基波振荡频率处的最大输出功率为11.27dBm。从图5(a)中的m12点可以看出，本发明振荡器的二次谐波振荡频率为111.8GHz，对应的二次谐波振荡频率处的最大输出功率为-4.326dBm。图5(a)说明了本发明提出的无变容管结构可以实现压控振荡器的功能，而且对二次谐波的抑制能力良好。
图5(b)为本发明提出的推推式压控振荡器的输出频率仿真示意图，图5(b)中横坐标表示本发明振荡器的输出频率，纵坐标表示本发明振荡器在输出频率处的最大输出功率。从图5(b)中的m8点可以看出，本发明振荡器的基波输出频率为55.92GHz，对应的基波输出频率处的最大输出功率为-49.654dBm。从图5(b)中的m11点可以看出，本发明振荡器的二次谐波振荡频率为111.8GHz，对应的二次谐波振荡频率处的最大输出功率为-3.175dBm。图5(b)说明了本发明提出的无变容管的推推式压控振荡器成功实现了基波振荡、谐波输出功能，而且对二次谐波输出功率远小于基波输出功率，说明本发明振荡器对二次谐波的抑制能力良好。
图5(c)为本发明提出的推推式压控振荡器的相位噪声仿真示意图，图5(c)中横坐标表示本发明振荡器的相位噪声的频率，纵坐标表示本发明振荡器在偏离载波处的相位噪声功率。从图5(c)中的m4点可以看出，本发明振荡器的在1MHz频率处的偏离载波处的相位噪声功率仅为-108.9dBc。5(c)说明了本发明提出的无变容管的推推式压控振荡器相位噪声性能良好。
图5(d)为本发明提出的推推式压控振荡器的调谐范围仿真示意图，图5(d)中横坐标表示本发明振荡器的调谐电压，纵坐标表示本发明振荡器的振荡频率。从图5(d)中的m7点可以看出，当调谐电压Vtune为1.3V时，振荡器的振荡频率为119.9GHz，从图5(d)中的m15点可以看出，当调谐电压Vtune为3.3V时，振荡器的振荡频率为113.1GHz。5(d)说明了本发明提出的无变容管的推推式压控振荡器的调谐电压在1.3～3.3V内变化时，振荡器振荡频率始终在113.1～119.9GHz，振荡器保持着较宽的调谐范围。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种无变容管的推推式压控振荡器，其特征在于，包括：
谐振腔模块，所述谐振腔模块由一对耦合传输线组成，用于产生所需的振荡信号；
能量补偿模块，所述能量补偿模块由一对晶体管组成，用于补偿谐振腔工作时的能量损失；
信号耦合网络，所述信号耦合网络由两个电容组成，用于差分信号的耦合；
供电模块，用于给所述谐振腔模块和所述能量补偿模块供电；
所述耦合传输线的输入端与所述供电模块的正极连接，所述耦合传输线的输出端与所述晶体管的集电极或基极连接，所述电容互相并联并与所述晶体管的基极连接，所述晶体管的发射极与所述供电模块的正极连接。
2.根据权利要求1所述的无变容管的推推式压控振荡器，其特征在于，所述谐振腔模块包括第一耦合传输线(CL1)和第二耦合传输线(CL2)，所述第一耦合传输线(CL1)由两根临近且具有相互耦合作用的第一传输线和第二传输线构成，所述第二耦合传输线(CL2)由两根临近且具有相互耦合作用的第三传输线和第四传输线构成；所述能量补偿模块包括第一晶体管(Q1)和第二晶体管(Q2)，所述信号耦合网络包括第一电容(C1)和第二电容(C2)；
所述第一耦合传输线(CL1)的输入端和所述第二耦合传输线(CL2)的输入端均与所述供电模块的正极连接，所述第一传输线的输出端与所述第一晶体管(Q1)的集电极连接，所述第二传输线的输出端与所述第二晶体管(Q2)的基极连接，所述第三传输线的输出端与所述第一晶体管(Q1)的基极连接，所述第四传输线的输出端与所述第二晶体管(Q2)的集电极连接；
所述第一电容(C1)一端和所述第二电容(C2)一端连接于点CN处，连接点CN作为振荡器电路的输出端口，所述第一电容(C1)另一端与所述第一晶体管(Q1)的基极连接，所述第二电容(C2)另一端与所述第二晶体管(Q2)的基极连接；
所述第一晶体管(Q1)的发射极和所述第二晶体管(Q2)的发射极均与所述供电模块的正极连接。
3.根据权利要求2所述的无变容管的推推式压控振荡器，其特征在于，所述供电模块包括第一电压源(Vcc)、第二电压源(Vtune)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三晶体管(Q3)和第四晶体管(Q4)；
所述第一传输线的输入端、第四传输线的输入端和第二电阻(R2)一端均与所述第一电压源(Vcc)的正极连接，所述第一电阻(R1)一端与所述第二电压源(Vtune)的正极连接，所述第二传输线的输入端和第三传输线的输入端均与所述第一电阻(R1)另一端连接，所述第二电阻(R2)另一端与所述第三晶体管(Q3)的基极和所述第四晶体管(Q4)的集电极连接，所述第四晶体管(Q4)的基极与所述第三晶体管(Q3)的基极连接，所述第三晶体管(Q3)的集电极与所述第一晶体管(Q1)的发射极和所述第二晶体管(Q2)的发射极连接，所述第三晶体管(Q3)的发射极和所述第四晶体管(Q4)的发射极均接地。
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