CN109617527B - 中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器 - Google Patents

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    • H03B5/1823—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance the frequency-determining element being a cavity resonator the active element in the amplifier being a semiconductor device
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Abstract

本发明公开了一种中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器，振荡器中引入了开关切换感值可调的电感。本发明通过调节开关切换感值可调的电感的开关电压(0V或1V)，得到不同的基极电感值，进而改变谐振腔的中心谐振频率，结合变容管的频率调谐特性，可以大幅度改善毫米波振荡器的工作带宽。由于开关切换感值可调的电感的开关用来切换位于地平面的次级线圈，开关切换的同时对初级线圈的品质因数影响很小，因此本发明改善振荡器输出带宽的同时不恶化振荡器的相位噪声且不改变振荡器的功耗。本发明适合于宽工作频率、低相位噪声和低功耗的毫米波振荡器应用场合。

Description

中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器
技术领域
本发明涉及宽带毫米波振荡器，特别是涉及中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器。
背景技术
随着无线电技术的进一步发展，目前低频率段的频谱资源已非常拥挤，对于未来超高速通信应用的需求，低频段的信道容量已经很难满足要求。然而，在毫米波频段，尚有大量的频谱资源未被开发和利用，毫米波频带更宽，可用于传输更高的速率，从而获得更大的通信容量。目前国际上对于毫米波频段已经涌现出越来越多的应用，包括无线局域网、太赫兹成像、毫米波车载雷达、光谱学和遥感等。
对所有这些毫米波系统来说，由于电路寄生参数的影响以及有限的无源器件的品质因数，硅基宽带低相位噪声频率源电路的设计一直是一个难点。此外，工作在毫米波频段的分频器功耗较高。常用的解决此问题的方案之一是采用Push-Push结构的毫米波振荡器。在Push-Push结构中，振荡器的谐振腔工作在输出频率的一半处，变容管的品质因数得到了大幅度的提升，进而有效的提升了振荡器的相位噪声。此外，由于Push-Push结构可以同时提取基波信号，工作在毫米波频段的第一级分频器也可以省略，可以大幅度减少频率源系统的功耗。
然而，由于毫米波频段布局布线引入的寄生参数，以及谐振腔有限的品质因数值(通常由变容管决定)，振荡器输出频率调谐范围随工作频率提升大幅度下降。常用的解决办法之一是采用多个谐振腔，通过开关切换选择不同的谐振腔来拓宽振荡器工作带宽，然而，由于额外布局布线引入的寄生参数以及选择不同谐振腔的切换开关的影响，会大幅度恶化振荡器的相位噪声和功耗。
因此，需要发明一种中心谐振频率可调、同时又不会恶化振荡器的相位噪声和功耗的宽带毫米波振荡器电路网络。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器，中心谐振频率可调、同时又不会恶化振荡器的相位噪声和功耗。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器，包括驱动放大器，驱动放大器的输入端连接电容CB1的一端，电容CB1的另一端分别连接电感L1的一端、电感LC1的一端和电感LC2的一端，电感LC1的另一端连接三极管Q1的集电极，电感LC2的另一端连接三极管Q2的集电极，三极管Q1的基极连接电容C1的一端，三极管Q2的基极连接电容C2的一端，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极之间还连接有开关切换感值可调的电感，电容C1的另一端分别连接三极管Q1的发射极和电感LE1的一端，电容C2的另一端分别连接三极管Q2的发射极和电感LE2的一端，电感LE1的另一端分别连接变容管B1的一端和电感LE3的一端，变容管B1的另一端连接变容管B2的一端，变容管B2的另一端分别连接电感LE2的另一端和电感LE4的一端，电感LE3的另一端和电感LE4的另一端均通过电阻R1接地，变容管B1的另一端还输入调谐电压。
进一步，所述开关切换感值可调的电感包括初级线圈和次级线圈，初级线圈的两端分别连接三极管Q1的基极和三极管Q2的基极，初级线圈的中间连接电阻RB1的一端，电阻RB1的另一端输入偏置电压，次级线圈的一端接地，次级线圈的另一端连接三极管Q3的发射极，三极管Q3的集电极接地，三极管Q3的基极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端输入开关电压。
进一步，所述开关切换感值可调的电感包括初级线圈和次级线圈，初级线圈的两端分别连接三极管Q1的基极和三极管Q2的基极，初级线圈的中间连接电阻RB1的一端，电阻RB1的另一端输入偏置电压，次级线圈的一端接地，次级线圈的另一端连接场效应管的源极，场效应管的漏极接地，场效应管的栅极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端输入开关电压。
进一步，所述电感LC1的感值和电感LC2的感值相等，电容C1的容值和电容C2的容值相等，电感LE1的感值和电感LE2的感值相等，电感LE3和电感LE4的感值相等，三极管Q1和三极管Q2是同样尺寸的三极管。
进一步，所述宽带毫米波振荡器采用硅基双极型金属氧化物半导体集成电路工艺实现。
有益效果：本发明公开了一种中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1)本发明通过调节开关切换感值可调的电感的开关电压(0V或1V)，得到不同的基极电感值，进而改变谐振腔的中心谐振频率，结合变容管的频率调谐特性，可以大幅度改善毫米波振荡器的工作带宽；
2)由于开关切换感值可调的电感的开关用来切换位于地平面的次级线圈，开关切换的同时对初级线圈的品质因数影响很小，因此本发明改善振荡器输出带宽的同时不恶化振荡器的相位噪声且不改变振荡器的功耗；
3)本发明适合于宽工作频率、低相位噪声和低功耗的毫米波振荡器应用场合。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中振荡器的电路图；
图2(a)为本发明具体实施方式中硅基工艺的金属和过孔层分布图；
图2(b)为本发明具体实施方式中开关切换感值可调的电感的二维视图；
图3为本发明具体实施方式中电感值LB及其品质因数随开关电压变化的仿真结果；
图4为本发明具体实施方式中振荡器工作频率的测试结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器，如图1所示，包括驱动放大器，驱动放大器的输入端连接电容CB1的一端，电容CB1的另一端分别连接电感L1的一端、电感LC1的一端和电感LC2的一端，电感LC1的另一端连接三极管Q1的集电极，电感LC2的另一端连接三极管Q2的集电极，三极管Q1的基极连接电容C1的一端，三极管Q2的基极连接电容C2的一端，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极之间还连接有开关切换感值可调的电感1，电容C1的另一端分别连接三极管Q1的发射极和电感LE1的一端，电容C2的另一端分别连接三极管Q2的发射极和电感LE2的一端，电感LE1的另一端分别连接变容管B1的一端和电感LE3的一端，变容管B1的另一端连接变容管B2的一端，变容管B2的另一端分别连接电感LE2的另一端和电感LE4的一端，电感LE3的另一端和电感LE4的另一端均通过电阻R1接地，变容管B1的另一端还输入调谐电压。
开关切换感值可调的电感1的一种实施例为：包括初级线圈11和次级线圈12，初级线圈11的两端分别连接三极管Q1的基极和三极管Q2的基极，初级线圈11的中间连接电阻RB1的一端，电阻RB1的另一端输入偏置电压，次级线圈12的一端接地，次级线圈12的另一端连接三极管Q3的发射极，三极管Q3的集电极接地，三极管Q3的基极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端输入开关电压。
开关切换感值可调的电感1的另一种实施例为：包括初级线圈11和次级线圈12，初级线圈11的两端分别连接三极管Q1的基极和三极管Q2的基极，初级线圈11的中间连接电阻RB1的一端，电阻RB1的另一端输入偏置电压，次级线圈12的一端接地，次级线圈12的另一端连接场效应管的源极，场效应管的漏极接地，场效应管的栅极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端输入开关电压。
电感LC1的感值和电感LC2的感值相等，电容C1的容值和电容C2的容值相等，电感LE1的感值和电感LE2的感值相等，电感LE3和电感LE4的感值相等，三极管Q1和三极管Q2是同样尺寸的三极管。
宽带毫米波振荡器采用硅基双极型金属氧化物半导体集成电路工艺实现。如图2(a)所示，是所使用硅基工艺的金属和过孔层分布图，包括M1到M5的薄金属层和位于顶部的TM1和TM2厚金属层。图2(b)是本发明中开关切换感值可调基极电感的二维视图，连接在三极管Q1的基极和三极管Q2的基极之间的开关切换感值可调电感1的初级线圈11由顶层金属TM2构成，其金属宽度为6μm。此开关切换感值可调电感1的次级线圈12由位于最底层的薄金属层M1中的两圈线圈构成，其宽度均为6μm，且两圈线圈之间通过由M1构成的宽度为1μm的均匀分布的栅状金属条连接。初级线圈11和两圈次级线圈12的间距均为6μm。
图3为本发明具体实施方式中电感值LB及其品质因数随开关电压变化的仿真结果。通过改变开关电压，可以发现感值LB在35GHz时，从190pH变化到160pH随着开关电压从0V变化到1V，而对应的电感的品质因素变化较小。
图4为本发明具体实施方式中振荡器工作频率的测试结果。没有采用该开关切换感值可调的电感1之前，即基极电感为一个固定值，该振荡器的频率调谐范围为6.5GHz，采用该开关切换感值可调的电感1以后，振荡器的频率调谐范围为10.3GHz，调谐范围提升了56.92％。

Claims (3)

1.中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器，其特征在于：包括驱动放大器，驱动放大器的输入端连接电容CB1的一端，电容CB1的另一端分别连接电感L1的一端、电感LC1的一端和电感LC2的一端，电感LC1的另一端连接三极管Q1的集电极，电感LC2的另一端连接三极管Q2的集电极，三极管Q1的基极连接电容C1的一端，三极管Q2的基极连接电容C2的一端，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极之间还连接有开关切换感值可调的电感(1)，电容C1的另一端分别连接三极管Q1的发射极和电感LE1的一端，电容C2的另一端分别连接三极管Q2的发射极和电感LE2的一端，电感LE1的另一端分别连接变容管B1的一端和电感LE3的一端，变容管B1的另一端连接变容管B2的一端，变容管B2的另一端分别连接电感LE2的另一端和电感LE4的一端，电感LE3的另一端和电感LE4的另一端均通过电阻R1接地，变容管B1的另一端还输入调谐电压，
所述开关切换感值可调的电感(1)包括初级线圈(11)和次级线圈(12)，初级线圈(11)的两端分别连接三极管Q1的基极和三极管Q2的基极，初级线圈(11)的中间连接电阻RB1的一端，电阻RB1的另一端输入偏置电压，次级线圈(12)的一端接地，次级线圈(12)的另一端连接三极管Q3的发射极，三极管Q3的集电极接地，三极管Q3的基极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端输入开关电压；
所述开关切换感值可调的电感(1)包括初级线圈(11)和次级线圈(12)，初级线圈(11)的两端分别连接三极管Q1的基极和三极管Q2的基极，初级线圈(11)的中间连接电阻RB1的一端，电阻RB1的另一端输入偏置电压，次级线圈(12)的一端接地，次级线圈(12)的另一端连接场效应管的源极，场效应管的漏极接地，场效应管的栅极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端输入开关电压。
2.根据权利要求1所述的中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器，其特征在于：所述电感LC1的感值和电感LC2的感值相等，电容C1的容值和电容C2的容值相等，电感LE1的感值和电感LE2的感值相等，电感LE3和电感LE4的感值相等，三极管Q1和三极管Q2是同样尺寸的三极管。
3.根据权利要求1所述的中心谐振频率可调的宽带毫米波振荡器，其特征在于：所述宽带毫米波振荡器采用硅基双极型金属氧化物半导体集成电路工艺实现。
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