CN111181490A - 一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，谐振模块为呈长距形形状的谐振梁，由两个固支模块形成两端固定支撑，谐振梁下端悬空设置于单晶硅基底；谐振梁一侧中部位置设置有激励模块，另一侧中部位置对应设置有检测模块，激励模块和检测模块均固定于单晶硅基底上，激励模块与信号输入模块连接，检测模块与振荡模块连接，谐振梁的两端分别与压阻调频模块连接产生电势差谐振梁本体，通过焦耳热效应调节振荡器振荡频率，实现不同阶数的超谐同步现象。本发明可实现超高阶数的倍频放大，突破了现有倍频器倍频次数的极限。

Description

一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器

技术领域

本发明属于微机械系统及频率处理技术领域，具体涉及一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器。

背景技术

随着计算机系统，通信系统、导航、航空航天、数字电视、卫星定位的不断发展，对频率源的低杂散、低噪声、频谱纯度、频率范围和频率稳定度的要求越来越高。频率倍频器多用于微波和毫米波发射机和接收机电路，产生在基频振荡器上无法获得的高频率本证信号源。如在手持移动电话中，倍频器可以作为提升载波信号频率的重要元件。信号经过倍频处理后，调频信号的频偏能力成倍提升，降低了系统对调制信号的方法要求，提升了调频调制的灵敏度。同时，倍频器可以使载波主振荡器与高频放大器产生隔离，减小高频寄生耦合，有助于减小自激现象的产生，提高整机的工作稳定度。

目前的倍频器按照倍频次数可分为低次倍频器和高次倍频器。低次倍频器是指单次倍频次数不会超过5的倍频器，其倍频效率高，输出功率大。高次倍频器是单次倍频次数可达10～20次以上的倍频器，倍频次数越高，其效率越低，输出功率较小。目前报道的倍频器均无法实现超高阶的单次倍频技术，其局限在于倍频次数越高，效率越低，输出功率越小。商业化的倍频器的工作原理是把输入频率的正弦波能量通过非线性器件，使其输出波形发生畸变，产生各次谐波，再用滤波电路把所需的谐波能量取出送至负载。现有的商业化倍频器将信号进行倍频处理后，其输出的倍频信号的相位噪声随着倍频次数n的增加而至少增加n2倍，大大降低了倍频信号的质量。输出信号的效率决定了单次倍频次数的极限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，首次利用同步技术来实现频率信号的成倍数放大，完成了超高放大倍数的低频信号倍频过程，N≥121，N为倍频次数。同时，由于硅基振荡器作为最终的频率输出元件，高频率稳定性、低噪声的特性保证了放大信号的质量。输出的倍频信号的稳定性不会随着倍频阶数的增加而显著的衰减。

本发明采用以下技术方案：

一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，包括谐振模块，谐振模块为呈长距形形状的谐振梁，由两个固支模块形成两端固定支撑，谐振梁下端悬空设置于单晶硅基底；谐振梁一侧中部位置设置有激励模块，另一侧中部位置对应设置有检测模块，激励模块和检测模块均固定于单晶硅基底上，激励模块与信号输入模块连接，检测模块与振荡模块连接，谐振梁的两端分别与压阻调频模块连接产生电势差谐振梁本体，通过焦耳热效应调节振荡器振荡频率，实现不同阶数的超谐同步现象。

具体的，固支模块包括位于单晶硅基底上的第一固定支撑端和第二固定支撑端；第一固定支撑端和第二固定支撑端上分别均匀溅射有第一金属电极层和第二金属电极层。

具体的，激励模块包括位于单晶硅基底上的激励端，激励端上均匀溅射有第三金属电极层，激励端与谐振梁之间存在间隙并形成电容。

具体的，检测模块包括位于单晶硅基底上的检测端，检测端上均匀溅射有第四金属电极层，检测端与谐振梁之间存在间隙并形成电容。

进一步的，其特征在于，第一固定支撑、第二固定支撑、激励端和检测端均为正方形，边长为100～300um。

进一步的，第一金属电极层、第二金属电极层、第三金属电极层和第四金属电极层均为正方形，边长为80～250um。

进一步的，激励端和检测端与谐振梁之间的间距为1～20um。

具体的，振荡模块包括放大器，放大器依次经带通、移相器和比较器后分别与信号输入模块、频谱分析仪和频率计数器连接。

具体的，信号输入模块包括加法器和方波发生器，输入信号进入方波发生器后，通过加法器进行信号叠加后发送至激励模块。

具体的，压阻调频模块包括第一直流电压源V₁、第二直流电压源V₂，包括第一直流电压源V₁、第二直流电压源V₂分别第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂与谐振梁连接，第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂的阻值为0～100KΩ，压阻的电流小于等于10mA。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，首次将超谐同步现象中的频率放大效应运用于倍频器设计，低频信号以扰动力的形式注入硅微振荡器实现同步效应并完成频率放大的过程，通过调整谐振器的焦耳热电流，改变硅基振荡器的振荡器频率，实现不同阶数的超谐同步效应，最终高频信号由硅基振荡器稳定输出；硅微谐振式振荡器具有频率稳定、噪声低的特点，可以保证输出的倍频信号即便在超高倍频次数的情况下，依然具有较高的频率稳定性；硅微谐振式振荡器具有易集成、体积小等优势，有利于缩小倍频器的体积尺寸，进而实现倍频设备的小型化、集成化。

进一步的，固支模块和固支模块对悬空的谐振梁形成双端固定支撑，保证谐振元件在激振力的作用下能稳定可持续的振动。

进一步的，激振模块位于谐振梁的一侧并与其构成平行极板电容，当平行板电容两侧具有电势差及交流信号共同作用时，由此产生的静电力将驱动谐振梁快速起振并持续振动达到稳定状态。

进一步的，检测模块位于谐振梁的另一侧并与激励模块对称，谐振梁在激振力的作用下振动的状态被检测平行极板电容读取并输出动态电流信号，通过连续地信号采集及分析即可获知谐振元件的振动情况。

进一步的，检测模块与激励模块分别与谐振梁之间形成检测和激励的平行极板电容。平行极板电容的间隙大小决定了激振力和检测信号的强度。设置间隙尺寸为1～20um可以保证谐振元件可以稳定振动，同时振动信号可以精确输出。

进一步的，振动信号经由振荡模块通过放大器、带通、移相器及比较器的共同调节作用，最终保证反馈回路的相位满足闭环振荡的相位要求，谐振器可以自激振荡器于谐振频率附近。

进一步的，压阻调频模块通过利用谐振器的焦耳热效应，通过温度的不平均分布来精确调节振荡器频率的大小，最终完成外界输入信号与谐振梁的频率之间的相互匹配，实现不同阶数的超谐同步现象。

综上所述，本发明可实现超高阶数的倍频放大，突破了现有倍频器倍频次数的极限。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的测量电路原理图；

图3为本发明的倍频器的频率输出结果图；

图4为本发明的同步带宽增强的实验结果图。

其中：1.谐振模块；2-1.第一固定支撑端；2-2.第一金属电极层；3-1.第二固定支撑端；3-2.第二金属电极层；4-1.激励端；4-2.第三金属电极层；5-1.检测端；5-2.第四金属电极层；6-1.放大器；6-2.带通；6-3.移相器；6-4.比较器；6-5.频谱分析仪；6-6.频率计数器；7-1.方波发生器；7-2.加法器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，谐振器中的谐振梁两侧分别布置激励极板和检测极板，检测极板所获得振动信号经由振荡回路反馈至激励极板，实现了谐振器的自激振荡，待处理的信号由加法器输入至谐振器的激励极板，以扰动力的形式对闭环振荡系统产生影响；通过调节谐振梁两端的电势差，改变流经谐振梁两端的通电电流大小，借助焦耳热效应实现振荡器的振荡频率可调，完成输入信号与硅基振荡器之间的超谐同步现象；利用同步现象中频率放大和稳定性提升等效应，最终实现基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器超高阶的倍频处理技术，高达121倍，同时保证输出的倍频信号具有高稳定度、低噪声的特性。

请参阅图1和图2，本发明一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，包括谐振模块1，固支模块，激励模块，检测模块，振荡模块和信号输入模块。谐振模块1为呈长距形形状的谐振梁，由两个固支模块形成两端固定支撑，谐振梁下端悬空于单晶硅基底；激励模块放置于谐振梁左侧中部位置，为谐振梁提供振动所需的激振力，检测模块放置于谐振梁右侧中部位置，检测谐振梁1的振动信号；激励模块、检测模块均固定于单晶硅基底上。

固支模块包括位于单晶硅基底上的第一固定支撑端2-1和第二固定支撑端3-1；第一固定支撑端2-1和第二固定支撑端3-1上均匀溅射金属电极层，形成第一金属电极层2-2和第二金属电极层3-2；

激励模块包括位于单晶硅基底上的激励端4-1和均匀溅射的第三金属电极层4-2，激励端4-1与谐振梁1之间存在间隙并形成电容。

检测模块包括位于单晶硅基底上的检测端5-1和均匀溅射的第四金属电极层5-2，检测端5-1与谐振梁1之间存在间隙并形成电容。

第一固定支撑2-1、第二固定支撑3-1、激励端4-1和检测端5-1均为正方形，边长范围为100～300um，第一金属电极层2-2、第二金属电极层3-2、第三金属电极层4-2和第四金属电极层5-2均为正方形，边长范围为80～250um，激励端4-1和检测端5-1与谐振梁之间的间距范围为1～20um。

请参阅图2，振荡模块主要由以下几个部分构成：

检测端5-1所获信号依次通过放大器6-1、带通6-2、移相器6-3和比较器6-4；通过调节反馈电路的参数，保证放大器6-1、带通6-2的增益满足建立闭环振荡的增益要求；通过调节移相器6-3的参数，使得反馈回路的相位满足闭环振荡的相位要求，最终保证谐振器1自激振荡于谐振频率附近，振荡回路频率信息用频谱分析仪6-5和频率计数器6-6来读取。

信号输入模块包括加法器7-1和方波发生器7-2，输入信号进入方波发生器7-2后，产生频率相等、幅值可调的方波信号，通过加法器7-1进行信号的叠加，共同作为激励信号输入至谐振元件的激励端4-1，加法器7-1经电容C₁和电阻R3后与V_d连接。

压阻调频模块包括第一直流电压源V₁、第二直流电压源V₂、第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂；通过对第一直流电压源V₁和第二直流电压源V₂设置不同的电压值，使谐振梁两端获得电势差；经第一分压电阻值谐振梁本体，通过焦耳热效应调节振荡器振荡频率的大小，最终实现不同阶数的超谐同步现象。

第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂的阻值为0～100KΩ，压阻的电流小于等于10mA。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器的工作原理为：

当谐振器与闭环反馈回路构成振荡器并稳定振荡时，由频谱分析仪和频率计数器可读取硅基振荡器的频率信息。待处理信号由加法器输入振荡系统后，将被转化为带有扰动信号的激振力，以激振力的形式对振荡系统产生影响。当输入信号的频率与振荡器的振荡频率相匹配时，输入信号将与硅基振荡系统产生同步现象。由同步现象导致的频率放大效应将用于输入信号的倍频处理，在同步状态下，低频信号的频率和振荡器频率满足以下关系：

f₁＝N·f₀

其中，f₁为硅基振荡器振荡，f₀为低频信号频率，N为倍频次数。由公式可知，低频信号的频率被放大N倍并由硅基振荡器输出。

为了实现不同次数的频率放大，通过调节谐振梁1两端电势差，改变流经谐振梁的通电电流I_d的大小。由焦耳热效应可知，谐振器的谐振频率f_1随通电电流的变化而变化。如需进行不同次数的单次倍频，只需调节谐振器1两端直流电压源8-1和8-2，通过改变通电电流进而调整振荡器的振荡频率的大小，使其与输入信号产生不同阶数的超谐同步现象。倍频信号由振荡系统输出，频谱分析仪和频率计数器读取频率信息，最终完成信号的倍频过程。直流电压源的电压大小与倍频次数N之间存在以下关系：

其中，ΔV为谐振梁1两端电势差大小，V₁为第一直流电压源的电压值，V₂为第二直流电压源的电压值，R₁为第一分压电阻阻值，R₂为第二分压电阻阻值，R₀为谐振梁1本体阻值，a为三阶电流频率系数，b为二阶电流频率系数，c为一阶电流频率系数。

本发明倍频器的输入信号与输出信号对比结果显示于图3中。左侧外部输入的低频信号的频率为3.3KHz，其在频谱分析仪上的信噪比为92.98dB。经过本发明的倍频器后，信号由MEMS振荡器输出，其右侧频谱信号频率为403.13KHz，信噪比为111.65dB。利用传统的高阶谐波倍频方法，其频谱信号如右侧频谱响应所示，其响应频率为403.13KHz，信噪比为75.88dB。由此可知：低频信号进入本发明的倍频器后，信号频率被扩大121倍，其输出信噪比提升18.67dB。传统的高阶谐波倍频技术，信号在经过若干阶倍频后，其能量显著衰减，信噪比急剧下降。但采用本发明的倍频器技术，不但实现低频信号的超高阶倍频，同时，输入信号的能量没有衰减，信噪比提升了18.67dB。

为了解决超高阶同步倍频器的工作带宽窄小的问题，本发明设计并提出了上述的频率自动跟踪系统。其实验结果如图4所示。图4为MEMS振荡器(高频信号输出)的输出响应，在刚进入同步状态时，MEMS振荡器的频率可以紧紧跟随外界低频信号的变化而呈现出台阶式的递增。但当外界频率超出同步带宽后，MEMS振荡器频率与外界频率发生失锁，其频率发生瞬间跳跃，此时，两种频率的频率差值大于频率自动跟踪系统的设定阈值，频率跟踪系统自动进入工作状态，输出相应的单位补偿电压，使得MEMS振荡器频率逐渐一步一步地靠近外界频率，直到再次同步。整个自动控制过程所需时间12.5s，在图4的演示时间范围内，超高阶同步倍频器的工作带宽由起始的20Hz扩大值48Hz，提升了2倍。理论上，利用频率自动跟踪系统，可以使倍频器的同步带宽范围得到无限地拓展，足以覆盖实际环境下所需的工作带宽。

本发明采用的基于同步技术的硅微谐振式倍频器采用单向电信号同步的方式实施，输入信号与硅基振荡器形成超谐同步后，由硅基振荡器输出的倍频信号的质量将有一定程度的提升，这使得输出倍频信号的信噪比不随倍频次数的增加而显著恶化，因此基于同步技术的硅微谐振式倍频器不仅可以实现信号的超高次数的倍频处理，同时保证输出的倍频信号具有高稳定度、低噪声的特性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，其特征在于，包括谐振模块(1)，谐振模块(1)为呈长距形形状的谐振梁，由两个固支模块形成两端固定支撑，谐振梁下端悬空设置于单晶硅基底；谐振梁一侧中部位置设置有激励模块，另一侧中部位置对应设置有检测模块，激励模块和检测模块均固定于单晶硅基底上，激励模块与信号输入模块连接，检测模块与振荡模块连接，谐振梁的两端分别与压阻调频模块连接产生电势差谐振梁本体，通过焦耳热效应调节振荡器振荡频率，实现不同阶数的超谐同步现象。

2.根据权利要求1所述的基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，其特征在于，固支模块包括位于单晶硅基底上的第一固定支撑端(2-1)和第二固定支撑端(3-1)；第一固定支撑端(2-1)和第二固定支撑端(3-1)上分别均匀溅射有第一金属电极层(2-2)和第二金属电极层(3-2)。

3.根据权利要求1所述的基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，其特征在于，激励模块包括位于单晶硅基底上的激励端(4-1)，激励端(4-1)上均匀溅射有第三金属电极层(4-2)，激励端(4-1)与谐振梁(1)之间存在间隙并形成电容。

4.根据权利要求1所述的基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，其特征在于，检测模块包括位于单晶硅基底上的检测端(5-1)，检测端(5-1)上均匀溅射有第四金属电极层(5-2)，检测端(5-1)与谐振梁(1)之间存在间隙并形成电容。

5.根据权利要求2或3或4所述的基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，其特征在于，第一固定支撑(2-1)、第二固定支撑(3-1)、激励端(4-1)和检测端(5-1)均为正方形，边长为100～300um。

6.根据权利要求2或3或4所述的基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，其特征在于，第一金属电极层(2-2)、第二金属电极层(3-2)、第三金属电极层(4-2)和第四金属电极层(5-2)均为正方形，边长为80～250um。

7.根据权利要求3或4所述的基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，其特征在于，激励端(4-1)和检测端(5-1)与谐振梁之间的间距为1～20um。

8.根据权利要求1所述的基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，其特征在于，振荡模块包括放大器(6-1)，放大器(6-1)依次经带通(6-2)、移相器(6-3)和比较器(6-4)后分别与信号输入模块、频谱分析仪(6-5)和频率计数器(6-6)连接。

9.根据权利要求1所述的基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，其特征在于，信号输入模块包括加法器(7-1)和方波发生器(7-2)，输入信号进入方波发生器(7-2)后，通过加法器(7-1)进行信号叠加后发送至激励模块。

10.根据权利要求1所述的基于超谐同步技术的硅微谐振式倍频器，其特征在于，压阻调频模块包括第一直流电压源V₁、第二直流电压源V₂，包括第一直流电压源V₁、第二直流电压源V₂分别第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂与谐振梁连接，第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂的阻值为0～100KΩ，压阻的电流小于等于10mA。

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