CN109510597B - 一种宽带增强型注入锁定四倍频器 - Google Patents

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CN109510597B CN201811555037.5A CN201811555037A CN109510597B CN 109510597 B CN109510597 B CN 109510597B CN 201811555037 A CN201811555037 A CN 201811555037A CN 109510597 B CN109510597 B CN 109510597B
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
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Abstract

本申请涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种应用于毫米波雷达、通信等系统中的宽带增强型注入锁定四倍频器，包含两个注入锁定压控振荡器和两个谐波发生器，所述谐波发生器和所述注入锁定振荡器通过变压器网络实现连接和注入，通过宽带匹配网络选频后输出最终频率。本专利采用压控振荡器电路结构，利用晶体管非线性特性和注入锁定技术实现倍频功能，本申请的电路功耗大幅低于传统结构、芯片面积更小，具有低成本、低功耗、高集成度优势，更适合用于毫米波雷达、通信等系统中的高集成度SOC芯片。

Description

一种宽带增强型注入锁定四倍频器
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种应用于毫米波雷达、通信等系统中的宽带增强型注入锁定四倍频器。
背景技术
随着5G毫米波通信、卫星通信、毫米波雷达技术地不断发展，现代射频、微波电子系统对频率信号源的性能要求越来越高。在毫米波集成电路领域，有两种产生本振信号的方案：第一种，用直接工作在所需频率的锁相环产生本振；第二种，用低频率锁相环接倍频器产生本振。如果采用第一种锁相环方案，锁相环的核心元件压控振荡器需要工作在毫米波频段，由于在毫米波频率MOS管以及片上电感、电容性能较差，很难设计出满足系统需求的高性能压控振荡器。因此现代通信系统广泛采用第二种方案，即低频率锁相环接倍频器方案，在相位噪声、功耗、调谐范围等方面都能达到较高的性能。
常用的倍频电路结构有二倍频、三倍频与四倍频的三种方案。二倍频器由于需要的基频较高，所需的锁相环设计难度大，而四倍频器由于器件中的四次谐波较小，导致四倍频器锁定带宽窄、输出功率较低，所以在一般应用中，三倍频器使用更广泛。然而随着现代电子系统地不断发展，5G毫米波通信、卫星通信、毫米波雷达等应用的频段已经高达Ka频段（27GHz~40GHz）及Ka以上频段，即使采用三倍频方案，输入基频信号也将超过10GHz，锁相环设计难度增大。因此一种锁定带宽更宽、输出功率更高的四倍频器，更适合实现低功耗、低相位噪声、高调谐范围的Ka频段及Ka以上频段的本振源。
现有专利申请如专利申请号为201720852636.8，申请日为2017-07-14，名称为《一种Ka波段四倍频芯片》的实用新型专利，其技术方案为：本实用新型涉及倍频器技术领域，尤其为本实用新型公开了一种Ka波段四倍频芯片，包括有基波放大器、四倍频器、Ka滤波器、四次谐波放大器，所述的Ka波段四倍频芯片采用结构形式为，放大、倍频、滤波、再放大的方案，实现了从X波段经过放大，驱动四倍频器、再四倍频到Ka频带内，经过滤波器，更进一步滤除杂波，再进行34-36GHz频带内的放大。上述对比专利采用传统的放大器电路结构，利用谐波放大技术，实现倍频功能；工作带宽窄、电路功耗高、芯片面积大，从而造成成本高、效率低的问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在倍频器高功耗、高变频损耗、低锁定范围等问题，现在特别提出一种宽带增强型注入锁定四倍频器。
为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：
一种宽带增强型注入锁定四倍频器，其特征在于：包含两个注入锁定压控振荡器和两个谐波发生器，所述谐波发生器和所述注入锁定振荡器通过变压器网络实现连接和注入，通过宽带匹配网络选频后输出最终输出频率。
进一步地，所述锁定压控振荡器包括第一注入锁定压控振荡器和第二注入锁定压控振荡器，所述谐波发生器包括第一谐波发生器和第二谐波发生器，所述第一注入锁定压控振荡器、第二注入锁定压控振荡器、第一谐波发生器和第二谐波发生器通过第一变压器网络、第二变压器网络和第三变压器网络实现连接和注入，通过宽带匹配网络选频后输出最终频率。
所述第一变压器网络与第一注入锁定压控振荡器相连，所述第一注入锁定压控振荡器与第一谐波发生器相连，所述第一谐波发生器与第二变压器网络相连，所述第二变压器网络与第二注入锁定压控振荡器相连，所述第二注入锁定压控振荡器第二谐波发生器相连，所述第二谐波发生器与所述第三变压器网络相连，所述第三变压器网络分别与第二注入锁定压控振荡器和宽带匹配网络相连。
所述谐波发生器包括一组NMOS对管，利用MOS管的非线性特性，对输入信号实现二次倍频。
所述注入锁定压控振荡器采用电流复用交叉耦合结构，包括一对NMOS交叉耦合管、一对PNMOS交叉耦合管、电感以及变容管，该结构输出摆幅更大，注入效果更强。
所述变压器网络、宽带匹配网络均包括多层金属线圈电感及MOM电容。
所述第一注入锁定压控振荡器包含变压器网络中的电感L1、L2、可变电容管C1与C2、PMOS管M1与M2、NMOS管M3与M4；所述PMOS晶体管M1与M2组成交叉耦合对管，源级端与电源VDD相连，M1与M2组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述NMOS晶体管M3与M4组成交叉耦合对管，源级端与电源地相连，M3与M4组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述第一变压器网络中的电感L3、L4，一端与输入相连，一端与电阻R1相连，所述第一变压器网络中的电感L1、L2与可变电容管C1、C2组成谐振网络电路，实现选频作用，使所述压控振荡器正常振荡工作。
所述第二注入锁定压控振荡器包含变压器网络中的电感L5、L6、可变电容管C3与C4、MOM电容C9、PMOS管M5与M6、NMOS管M7与M8；所述PMOS晶体管M5与M6组成交叉耦合对管，源级端与电源VDD相连，M5与M6组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述NMOS晶体管M7与M8组成交叉耦合对管，源级端与MOM电容C9、第三变压器网络相连，M7与M8组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述MOM电容C9与所述第三变压器网络中的电感L11、L12谐振在第二注入锁定压控振荡器的二倍频处，提高振荡器共模端的阻抗，进而提高由第三变压器网络二次注入时的信号功率；所述第二变压器网络中的电感L7、L8，与第一谐波发生器相连，所述第二变压器网络中的电感L5、L6与可变电容管C3、C4组成谐振网络电路，实现选频作用，使所述压控振荡器正常振荡工作。
所述第一谐波发生器包含NMOS晶体管M9与M10、PMOS管M13、MOM电容C5与C6、电阻R2、R3与R6，利用NMOS晶体管的非线性特性来实现倍频功能；所述NMOS晶体管M9与M10，源级都与电源地相连，漏级相连后与第二变压器网络中的电感L7相连，晶体管栅极电压通过电阻R2、R3提供偏置；所述PMOS管M13漏级与第二变压器网络中的电感L8相连，源级与电源VDD相连，栅极电压通过电阻R6提供偏置；所述MOM电容C5与C6用于第一谐波发生器输入端电路隔直功能，输入端与第一注入锁定压控振荡器相连。
所述第二谐波发生器包含NMOS晶体管M11与M12、PMOS管M14、MOM电容C7与C8、电阻R4、R5与R7，利用NMOS晶体管的非线性特性来实现倍频功能；所述NMOS晶体管M11与M12，源级都与电源地相连，漏级相连后与第三变压器网络中的电感L11相连，晶体管栅极电压通过电阻R4、R5提供偏置；所述PMOS管M14漏级与第三变压器网络中的电感L10相连，源级与电源VDD相连，栅极电压通过电阻R7提供偏置；所述MOM电容C7与C8用于第二谐波发生器输入端隔直功能，输入端与第二注入锁定压控振荡器相连；所述第二谐波发生器输出端与宽带匹配网络相连。
所述宽带匹配网络包含第三变压器网络中的电感L10、PMOS管M14、MOM电容C10、电感L13与电阻R7；PMOS管源级接电源，栅极接电阻R7提供偏置，漏级与MOM电容C10，变压器网络中的电感L10相连；所述宽带匹配网络利用电感、电容实现宽带匹配，使倍频器输出带宽、信号功率最大化。
所述第一变压器网络包括主线圈电感L1与L2、副线圈电感L3与L4；主线圈电感与输入信号相连，副线圈电感与第一注入锁定压控振荡器相连；变压器网络中的L1与L3相耦合，L2与L4相耦合，通过耦合作用把输入信号耦合到第一注入锁定压控振荡器中，实现注入作用。
所述第二变压器网络包括主线圈电感L7与L8、副线圈电感L5与L6；主线圈电感与第一谐波发生器相连，副线圈电感与第二注入锁定压控振荡器相连；变压器网络中的L5与L7相耦合，L6与L8相耦合，通过耦合作用把第一谐波发生器中的信号耦合到第二注入锁定压控振荡器中，实现注入作用。
所述第三变压器网络包括主线圈电感L9与L10、副线圈电感L11与L12；主线圈电感与第二谐波发生器相连，副线圈电感与第二注入锁定压控振荡器的共模端相连；变压器网络中的L9与L11相耦合，L10与L12相耦合，通过耦合作用把第二谐波发生器中的信号耦合到第二注入锁定压控振荡器的共模端，实现对第二注入锁定压控振荡器二次注入作用。
本申请的工作原理为：
本申请通过第一变压器网络将输入频率f0注入第一注入锁定压控振荡器，第一注入锁定压控振荡器产生频率为f0的差分信号再与第一谐波发生器连接，输出产生频率为2f0的信号再次注入第二注入锁定压控振荡器，第二注入锁定压控振荡器产生频率为2 f0的差分信号再与第二谐波发生器连接，输出产生频率为4 f0的信号一方面通过第三变压器网络反馈到第二压控振荡器实现二次注入，从而提高锁定带宽；一方面通过宽带匹配网络实现阻抗匹配，最终产生频率为4 f0的信号。
本申请的优点在于：
1、本专利采用压控振荡器电路结构，利用晶体管非线性特性和注入锁定技术实现倍频功能，本申请的电路功耗大幅低于传统结构、芯片面积更小，具有低成本、低功耗、高集成度优势，更适合用于毫米波雷达、通信等系统中的高集成度SOC芯片，即片上系统。
2、本申请利用晶体管非线性和注入锁定技术，实现了一种新型的四倍频技术；相比于传统的二倍频、三倍频以及四倍频器方案，本申请电路结构虽然集成了多个电路模块，但是各个模块巧妙的利用变压器连接，整体面积非常小；而且电路采用CMOS工艺实现，易于和整体SOC芯片集成，同时整体芯片功耗低至27mW；利用注入锁定技术，倍频带宽达到10GHz以上，而且变频损耗小。综上所述，本发明具有高集成度、低成本、低功耗、低变频损耗以及宽锁定范围等优点，采用本发明可以得到性能更优异的Ka及Ka以上频段本振信号，能够更有效地满足现代微波电子系统的要求。
附图说明
图1为本申请提出的宽带增强型注入锁定四倍频器的电路框图。
图2为本申请提出的宽带增强型注入锁定四倍频器的电路原理图。
图3为本申请提出的宽带增强型注入锁定四倍频器的输入灵敏度曲线。
图4为本申请提出的宽带增强型注入锁定四倍频器的变频损耗曲线。
附图中：101-第一注入锁定压控振荡器，102-第二注入锁定压控振荡器，103-第一谐波发生器，104-第二谐波发生器，105-宽带匹配网络，106-第一变压器网络，107-第二变压器网络，108-第三变压器网络。
具体实施方式
实施例1
一种宽带增强型注入锁定四倍频器包含两个注入锁定压控振荡器和两个谐波发生器，所述谐波发生器和所述注入锁定振荡器通过变压器网络实现连接和注入，通过宽带匹配网络105选频后输出最终频率。
进一步地，所述锁定压控振荡器包括第一注入锁定压控振荡器101和第二注入锁定压控振荡器102，所述谐波发生器包括第一谐波发生器103和第二谐波发生器104，所述第一注入锁定压控振荡器101、第二注入锁定压控振荡器102、第一谐波发生器103和第二谐波发生器104通过第一变压器网络106、第二变压器网络107和第三变压器网络108实现连接和注入，通过宽带匹配网络105选频后输出最终输出频率。
所述第一变压器网络106与第一注入锁定压控振荡器101相连，所述第一注入锁定压控振荡器101与第一谐波发生器103相连，所述第一谐波发生器103与第二变压器网络107相连，所述第二变压器网络107与第二注入锁定压控振荡器102相连，所述第二注入锁定压控振荡器102第二谐波发生器104相连，所述第二谐波发生器104与所述第三变压器网络108相连，所述第三变压器网络108分别与第二注入锁定压控振荡器102和宽带匹配网络105相连。
本申请通过第一变压器网络106将输入频率f0注入第一注入锁定压控振荡器101，第一注入锁定压控振荡器101产生频率为f0的差分信号再与第一谐波发生器103连接，输出产生频率为2 f0的信号再次注入第二注入锁定压控振荡器102，第二注入锁定压控振荡器102产生频率为2 f0的差分信号再与第二谐波发生器104连接，输出产生频率为4 f0的信号一方面通过第三变压器网络108反馈到第二压控振荡器实现二次注入，从而提高锁定带宽；一方面通过宽带匹配网络105实现阻抗匹配，最终产生频率为4 f0的信号。
实施例2
一种宽带增强型注入锁定四倍频器包含两个注入锁定压控振荡器和两个谐波发生器，所述谐波发生器和所述注入锁定振荡器通过变压器网络实现连接和注入，通过宽带匹配网络105选频后输出最终频率。
进一步地，所述锁定压控振荡器包括第一注入锁定压控振荡器101和第二注入锁定压控振荡器102，所述谐波发生器包括第一谐波发生器103和第二谐波发生器104，所述第一注入锁定压控振荡器101、第二注入锁定压控振荡器102、第一谐波发生器103和第二谐波发生器104通过第一变压器网络106、第二变压器网络107和第三变压器网络108实现连接和注入，通过宽带匹配网络105选频后输出最终输出频率。
所述第一变压器网络106与第一注入锁定压控振荡器101相连，所述第一注入锁定压控振荡器101与第一谐波发生器103相连，所述第一谐波发生器103与第二变压器网络107相连，所述第二变压器网络107与第二注入锁定压控振荡器102相连，所述第二注入锁定压控振荡器102第二谐波发生器104相连，所述第二谐波发生器104与所述第三变压器网络108相连，所述第三变压器网络108分别与第二注入锁定压控振荡器102和宽带匹配网络105相连。
所述谐波发生器包括一组NMOS对管，利用MOS管的非线性特性，对输入信号实现二次倍频。
所述注入锁定压控振荡器采用电流复用交叉耦合结构，包括一对NMOS交叉耦合管、一对PNMOS交叉耦合管、电感以及变容管，该结构输出摆幅更大，注入效果更强。
所述变压器网络、宽带匹配网络105均包括多层金属线圈电感及MOM电容。
所述第一注入锁定压控振荡器101包含变压器网络中的电感L1、L2、可变电容管C1与C2、PMOS管M1与M2、NMOS管M3与M4；所述PMOS晶体管M1与M2组成交叉耦合对管，源级端与电源VDD相连，M1与M2组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述NMOS晶体管M3与M4组成交叉耦合对管，源级端与电源地相连，M3与M4组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述第一变压器网络106中的电感L3、L4，一端与输入相连，一端与电阻R1相连，所述第一变压器网络106中的电感L1、L2与可变电容管C1、C2组成谐振网络电路，实现选频作用，使所述压控振荡器正常振荡工作。
所述第二注入锁定压控振荡器102包含变压器网络中的电感L5、L6、可变电容管C3与C4、MOM电容C9、PMOS管M5与M6、NMOS管M7与M8；所述PMOS晶体管M5与M6组成交叉耦合对管，源级端与电源VDD相连，M5与M6组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述NMOS晶体管M7与M8组成交叉耦合对管，源级端与MOM电容C9、第三变压器网络108108相连，M7与M8组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述MOM电容C9与所述第三变压器网络108108中的电感L11、L12谐振在振荡器102的二倍频处，提高振荡器共模端的阻抗，进而提高由第三变压器网络108二次注入时的信号功率；所述第二变压器网络107中的电感L7、L8，与第一谐波发生器103相连，所述第二变压器网络107中的电感L5、L6与可变电容管C3、C4组成谐振网络电路，实现选频作用，使所述压控振荡器正常振荡工作。
所述第一谐波发生器103包含NMOS晶体管M9与M10、PMOS管M13、MOM电容C5与C6、电阻R2、R3与R6，利用NMOS晶体管的非线性特性来实现倍频功能；所述NMOS晶体管M9与M10，源级都与电源地相连，漏级相连后与第二变压器网络107中的电感L7相连，晶体管栅极电压通过电阻R2、R3提供偏置；所述PMOS管M13漏级与第二变压器网络107中的电感L8相连，源级与电源VDD相连，栅极电压通过电阻R6提供偏置；所述MOM电容C5与C6用于第一谐波发生器103输入端电路隔直功能，输入端与第一注入锁定压控振荡器101相连。
所述第二谐波发生器104包含NMOS晶体管M11与M12、PMOS管M14、MOM电容C7与C8、电阻R4、R5与R7，利用NMOS晶体管的非线性特性来实现倍频功能；所述NMOS晶体管M11与M12，源级都与电源地相连，漏级相连后与第三变压器网络108中的电感L11相连，晶体管栅极电压通过电阻R4、R5提供偏置；所述PMOS管M14漏级与第三变压器网络108中的电感L10相连，源级与电源VDD相连，栅极电压通过电阻R7提供偏置；所述MOM电容C7与C8用于第二谐波发生器104输入端隔直功能，输入端与第二注入锁定压控振荡器102相连；所述第二谐波发生器104输出端与宽带匹配网络105相连。
所述宽带匹配网络105包含第三变压器网络108中的电感L10、PMOS管M14、MOM电容C10、电感L13与电阻R7；PMOS管源级接电源，栅极接电阻R7提供偏置，漏级与MOM电容C10，变压器网络中的电感L10相连；所述宽带匹配网络105利用电感、电容实现宽带匹配，使倍频器输出带宽、信号功率最大化。
所述第一变压器网络106包括主线圈电感L1与L2、副线圈电感L3与L4；主线圈电感与输入信号相连，副线圈电感与第一注入锁定压控振荡器101相连；变压器网络中的L1与L3相耦合，L2与L4相耦合，通过耦合作用把输入信号耦合到第一注入锁定压控振荡器101中，实现注入作用。
所述第二变压器网络107包括主线圈电感L7与L8、副线圈电感L5与L6；主线圈电感与第一谐波发生器103相连，副线圈电感与第二注入锁定压控振荡器102相连；变压器网络中的L5与L7相耦合，L6与L8相耦合，通过耦合作用把第一谐波发生器103中的信号耦合到第二注入锁定压控振荡器102中，实现注入作用。
所述第三变压器网络108包括主线圈电感L9与L10、副线圈电感L11与L12；主线圈电感与第二谐波发生器104相连，副线圈电感与第二注入锁定压控振荡器102的共模端相连；变压器网络中的L9与L11相耦合，L10与L12相耦合，通过耦合作用把第二谐波发生器104中的信号耦合到第二注入锁定压控振荡器102的共模端，实现对第二注入锁定压控振荡器102二次注入作用。
本申请通过第一变压器网络106将输入频率f0注入第一注入锁定压控振荡器101，第一注入锁定压控振荡器101产生频率为f0的差分信号再与第一谐波发生器103连接，输出产生频率为2 f0的信号再次注入第二注入锁定压控振荡器102，第二注入锁定压控振荡器102产生频率为2 f0的差分信号再与第二谐波发生器104连接，输出产生频率为4 f0的信号一方面通过第三变压器网络108反馈到第二压控振荡器实现二次注入，从而提高锁定带宽；一方面通过宽带匹配网络105实现阻抗匹配，最终产生频率为4 f0的信号。
本专利采用压控振荡器电路结构，利用晶体管非线性特性和注入锁定技术实现倍频功能，本申请的电路功耗大幅低于传统结构、芯片面积更小，具有低成本、低功耗、高集成度优势，更适合用于毫米波雷达、通信等系统中的高集成度SOC芯片，即片上系统。
本申请利用晶体管非线性和注入锁定技术，实现了一种新型的四倍频技术；相比于传统的二倍频、三倍频以及四倍频器方案，本申请电路结构虽然集成了多个电路模块，但是各个模块巧妙的利用变压器连接，整体面积非常小；而且电路采用CMOS工艺实现，易于和整体SOC芯片集成，同时整体芯片功耗低至27mW；利用注入锁定技术，倍频带宽达到10GHz以上，而且变频损耗小。综上所述，本发明具有高集成度、低成本、低功耗、低变频损耗以及宽锁定范围等优点，采用本发明可以得到性能更优异的Ka及Ka以上频段本振信号，能够更有效地满足现代微波电子系统的要求。
实施例3
下面将结合本申请实例中的附图，对本申请实施实例中的技术方案进行清楚、完整描述，显现所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本实施例以一个基于CMOS工艺的低功耗、低变频损耗、锁定范围为30~40GHz的注入锁定四倍频器为例，同时本申请的技术方案可以扩展到Ka频段以外的应用。
设计电路框图如图1所示。包括变压器网络、宽带匹配网络105、谐波发生器与注入锁定压控振荡器。各部分连接关系如下：输入信号f0，通过第一变压器网络106耦合到第一注入锁定压控振荡器101中的谐振网络，对第一注入锁定压控振荡器101产生注入效应，第一注入锁定压控振荡器101输出端与第一谐波发生器103相连，第一谐波发生器103与第二变压器网络107相连，第一谐波发生器103输出二次频信号2f0，二次频信号2f0通过第二变压器网络107耦合到第二注入锁定压控振荡器102，对第二注入锁定压控振荡器102产生注入效应，第二注入锁定压控振荡器102输出端与第二谐波发生器104相连，第二谐波发生器104与第三变压器网络108相连，第三变压器网络108与宽带匹配网络105相连，此时第二谐波发生器104输出四次频信号4f0，四次频信号4f0一方面通过第三变压器网络108耦合到第二注入锁定压控振荡器102的共模端形成二次注入效应，扩展锁定带宽；一方面通过第三变压器网络108与宽带匹配网络105相连，经过选频后输出，最终本实施例的输入频率7.5~10GHz，输出锁定范围为30~40GHz，整体功耗27mW。
设计电路原理图如图2所示。
所述第一注入锁定压控振荡器101，包含第一变压器网络106、可变电容管C1与C2、PMOS交叉耦合对管M1与M2、NMOS交叉耦合对管M3与M4；所述PMOS晶体管中的M1栅极与M2漏级相连，M2栅极与M1漏级相连，M1、M2源级都与电源VDD相连，M1与M2组成的交叉耦合对管再与谐振网络并联；所述NMOS晶体管中的M3栅极与M4漏级相连，M4栅极与M3漏级相连，M3、M4源级都与电源地相连，M3与M4组成的交叉耦合对管再与谐振网络并联；所述第一变压器网络106中的主线圈电感L3一端与电感L4相连，一端与输入相连，电感L4一端与电感L3相连，一端与电阻R1相连，所述变压器网络6中的副线圈电感L1、L2与可变电容管C1、C2组成谐振网络电路，实现选频作用，使所述压控振荡器正常振荡工作。
所述第二注入锁定压控振荡器102，包含第二变压器网络107、可变电容管C3与C4、PMOS交叉耦合对管M5与M6、NMOS交叉耦合对管M7与M8、MOM电容C9；所述PMOS晶体管中的M5栅极与M6漏级相连，M6栅极与M5漏级相连，M5、M6源级都与电源VDD相连，M5与M6组成的交叉耦合对管再与谐振网络并联；所述NMOS晶体管中的M7栅极与M8漏级相连，M8栅极与M7漏级相连，M7、M8源级都与MOM电容C9、第三变压器网络108中的电感L11相连，M7与M8组成的交叉耦合对管再与谐振网络并联；所述MOM电容C9与所述第三变压器网络108中的电感L11、L12谐振在第二注入锁定压控振荡器102的二倍频处，提高振荡器共模端的阻抗，进而提高由第三变压器网络108二次注入时的信号功率；所述第二变压器网络107中的主线圈电感L7一端与电感L8相连，一端与第一谐波发生器103相连，电感L8一端与电感L7相连，一端与PMOS管M13相连，所述第二变压器网络107中的副线圈电感L5、L6与可变电容管C3、C4组成谐振网络电路，实现选频作用，使所述压控振荡器正常振荡工作。
所述第一谐波发生器103，包含NMOS管M9与M10、PMOS管M13、电阻R2、R3与R6、MOM电容C5与C6、第二变压器网络107；所述NMOS晶体管中的M9、M10源级接电源地，漏级相连后与第二变压器网络107中的电感L7相连，M9栅极偏置通过电阻R2提供，同时栅极与MOM电容C5连接后再与第一注入锁定压控振荡器101相连，M10栅极偏置通过电阻R3提供，同时栅极与MOM电容C6连接后再与第一注入锁定压控振荡器101相连；所述PMOS晶体管M13源级与电源VDD相连，漏级与第二变压器网络107中的电感L8相连，栅极偏置通过电阻R6提供。
所述第二谐波发生器104，包含NMOS管M11与M12、PMOS管M14、电阻R4、R5与R7、MOM电容C7与C8、第三变压器网络108；所述NMOS晶体管中的M11、M12源级接电源地，漏级相连后与第三变压器网络108中的电感L9相连，M11栅极偏置通过电阻R4提供，同时栅极与MOM电容C7连接后再与第二注入锁定压控振荡器102相连，M12栅极偏置通过电阻R5提供，同时栅极与MOM电容C8连接后再与第二注入锁定压控振荡器102相连；所述PMOS晶体管M14源级与电源VDD相连，漏级与第三变压器网络108中的电感L10以及MOM电容C10相连，栅极偏置通过电阻R7提供。
所述谐波发生器宽带匹配网络105，包含PMOS管M14、第三变压器网络108、电感L13以及MOM电容C10。所述PMOS晶体管M14源级与电源VDD相连，栅极偏置通过电阻R7提供，漏级与第三变压器网络108中的电感L10以及MOM电容C10相连，利用电感、电容的特性实现阻抗匹配网络，对第二谐波发生器104的输出信号进行选频放大，最终得到想要的信号。
宽带增强型注入锁定四倍频器的输入灵敏度曲线如图3所示，本申请的四倍频器在外加输入信号为-3dBm时，锁定带宽覆盖30~40GHz。
宽带增强型注入锁定四倍频器的变频损耗曲线如图4所示，本申请的四倍频器在外加输入信号为-3dBm时，锁定带宽内的变频损耗在-7.5~-8dB之间。
虽然结合附图对申请的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的包含范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经过创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种宽带增强型注入锁定四倍频器，其特征在于：包含两个注入锁定压控振荡器和两个谐波发生器，所述谐波发生器和所述注入锁定压控振荡器通过变压器网络实现连接和注入，通过宽带匹配网络（105）选频后输出最终频率；
所述注入锁定压控振荡器包括第一注入锁定压控振荡器（101）和第二注入锁定压控振荡器（102），所述谐波发生器包括第一谐波发生器（103）和第二谐波发生器（104），第一变压器网络（106）与第一注入锁定压控振荡器（101）相连，所述第一注入锁定压控振荡器（101）与第一谐波发生器（103）相连，所述第一谐波发生器（103）与第二变压器网络（107）相连，所述第二变压器网络（107）与第二注入锁定压控振荡器（102）相连，所述第二注入锁定压控振荡器（102）第二谐波发生器（104）相连，所述第二谐波发生器（104）与第三变压器网络（108）相连，所述第三变压器网络（108）分别与第二注入锁定压控振荡器（102）和宽带匹配网络（105）相连；
所述第一注入锁定压控振荡器（101）包含变压器网络中的电感L1、L2、可变电容管C1与C2、PMOS管M1与M2、NMOS管M3与M4；所述PMOS晶体管M1与M2组成交叉耦合对管，源级端与电源VDD相连，M1与M2组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述NMOS晶体管M3与M4组成交叉耦合对管，源级端与电源地相连，M3与M4组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述第一变压器网络（106）中的电感L3、L4，一端与输入相连，一端与电阻R1相连，所述第一变压器网络（106）中的电感L1、L2与可变电容管C1、C2组成谐振网络电路，实现选频作用，使所述压控振荡器正常振荡工作；
所述第二注入锁定压控振荡器（102）包含变压器网络中的电感L5、L6、可变电容管C3与C4、MOM电容C9、PMOS管M5与M6、NMOS管M7与M8；所述PMOS晶体管M5与M6组成交叉耦合对管，源级端与电源VDD相连，M5与M6组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述NMOS晶体管M7与M8组成交叉耦合对管，源级端与MOM电容C9、第三变压器网络（108）相连，M7与M8组成的交叉耦合对管再与谐振网络相连；所述MOM电容C9与所述第三变压器网络（108）中的电感L11、L12谐振在第二注入锁定压控振荡器（102）的二倍频处，提高振荡器共模端的阻抗，进而提高由第三变压器网络（108）二次注入时的信号功率；所述第二变压器网络（107）中的电感L7、L8，与第一谐波发生器（103）相连，所述第二变压器网络（107）中的电感L5、L6与可变电容管C3、C4组成谐振网络电路，实现选频作用，使所述压控振荡器正常振荡工作；
所述第一谐波发生器（103）包含NMOS晶体管M9与M10、PMOS管M13、MOM电容C5与C6、电阻R2、R3与R6，利用NMOS晶体管的非线性特性来实现倍频功能；所述NMOS晶体管M9与M10，源级都与电源地相连，漏级相连后与第二变压器网络（107）中的电感L7相连，晶体管栅极电压通过电阻R2、R3提供偏置；所述PMOS管M13漏级与第二变压器网络（107）中的电感L8相连，源级与电源VDD相连，栅极电压通过电阻R6提供偏置；所述MOM电容C5与C6用于第一谐波发生器（103）输入端电路隔直功能，输入端与第一注入锁定压控振荡器（101）相连；
所述第二谐波发生器（104）包含NMOS晶体管M11与M12、PMOS管M14、MOM电容C7与C8、电阻R4、R5与R7，利用NMOS晶体管的非线性特性来实现倍频功能；所述NMOS晶体管M11与M12，源级都与电源地相连，漏级相连后与第三变压器网络（108）中的电感L11相连，晶体管栅极电压通过电阻R4、R5提供偏置；所述PMOS管M14漏级与第三变压器网络（108）中的电感L10相连，源级与电源VDD相连，栅极电压通过电阻R7提供偏置；所述MOM电容C7与C8用于第二谐波发生器（104）输入端隔直功能，输入端与第二注入锁定压控振荡器（102）相连；所述第二谐波发生器（104）输出端与宽带匹配网络（105）相连。
2.根据权利要求1所述的一种宽带增强型注入锁定四倍频器，其特征在于：所述谐波发生器包括一组NMOS对管，利用MOS管的非线性特性，对输入信号实现二次倍频。
3.根据权利要求1所述的一种宽带增强型注入锁定四倍频器，其特征在于：所述注入锁定压控振荡器采用电流复用交叉耦合结构，包括一对NMOS交叉耦合管、一对PNMOS交叉耦合管、电感以及变容管。
4.根据权利要求1所述的一种宽带增强型注入锁定四倍频器，其特征在于：所述变压器网络、宽带匹配网络（105）均包括多层金属线圈电感及MOM电容。
5.根据权利要求1所述的一种宽带增强型注入锁定四倍频器，其特征在于：所述宽带匹配网络（105）包含第三变压器网络（108）中的电感L10、PMOS管M14、MOM电容C10、电感L13与电阻R7；PMOS管源级接电源，栅极接电阻R7提供偏置，漏级与MOM电容C10，变压器网络中的电感L10相连；所述宽带匹配网络（105）利用电感、电容实现宽带匹配，使倍频器输出带宽、信号功率最大化。
6.根据权利要求1所述的一种宽带增强型注入锁定四倍频器，其特征在于：所述第一变压器网络（106）包括主线圈电感L1与L2、副线圈电感L3与L4；主线圈电感与输入信号相连，副线圈电感与第一注入锁定压控振荡器（101）相连；变压器网络中的L1与L3相耦合，L2与L4相耦合，通过耦合作用把输入信号耦合到第一注入锁定压控振荡器（101）中，实现注入作用；
所述第二变压器网络（107）包括主线圈电感L7与L8、副线圈电感L5与L6；主线圈电感与第一谐波发生器（103）相连，副线圈电感与第二注入锁定压控振荡器（102）相连；变压器网络中的L5与L7相耦合，L6与L8相耦合，通过耦合作用把第一谐波发生器（103）中的信号耦合到第二注入锁定压控振荡器（102）中，实现注入作用；
所述第三变压器网络（108）包括主线圈电感L9与L10、副线圈电感L11与L12；主线圈电感与第二谐波发生器（104）相连，副线圈电感与第二注入锁定压控振荡器（102）的共模端相连；变压器网络中的L9与L11相耦合，L10与L12相耦合，通过耦合作用把第二谐波发生器（104）中的信号耦合到第二注入锁定压控振荡器（102）的共模端，实现对第二注入锁定压控振荡器（102）二次注入作用。
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