高功率大調諧範圍的旋轉行波壓控振蕩器的製作方法

2023-07-03 07:51:46

專利名稱：高功率大調諧範圍的旋轉行波壓控振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明屬於射頻微波集成電路技術領域，具體涉及一種可以實現高功率輸出的大調諧範圍的旋轉行波壓控振蕩器。
背景技術：
隨著人們對通信速度的要求越來越高，目前擁擠的頻段已經不能滿足這個需求。為了解決這個矛盾，毫米波通信技術變的越來的越重要，因為這個頻段不僅可以提供大的 頻帶寬度，也就是高的傳輸速率，同時在某些頻段是免費的，因此利用毫米波通信成為一種趨勢。電壓控制的振蕩器一般用在頻率綜合器中為整個系統提供本振信號。在通信電路中，本振信號通過混頻器可以實現對信號上變頻或是下變頻。信號的上變頻主要是方便信號從天線傳播，信號的下變頻主要是方便對信號進行處理。所以通信電路中最為重要的模塊就是產生本振信號的頻率綜合器，頻率綜合器中最重要的電路就是壓控振蕩器。隨著頻率的升高，電感和電容的寄生電阻變得越來越大，能量的損耗變得越來的越大。電晶體的本徵增益也變得越來越小，所以實現高功率輸出的振蕩器變得很困難。同時為了滿足相位噪聲的要求，振蕩器的調諧範圍也不能做的很寬。在雷達通信領域和毫米波成像領域中，高功率的壓控振蕩器也是很重要的模塊。在高頻率振蕩電路中，寄生參數對於頻率的改變影響很大。隨著器件幾何尺寸的減小，雖然帶來了本徵增益的提高，但是器件的耐壓值也變得很小，所以很難實現高功率的輸出。

發明內容
本發明的目的在於提出一種能夠實現高功率輸出的大調諧範圍的旋轉行波壓控振蕩器。本發明提出的旋轉行波壓控振蕩器，採用分布式結構，其包括至少一個旋轉行波振蕩器電路，至少一個負阻抗網絡，至少一個電壓控制的變容器，至少一個電壓控制的相移網絡；其中，所述的旋轉行波振蕩器電路，至少包括兩根傳輸線，通過交叉的連接形成反饋迴路；所述的負阻抗網絡耦合在所述傳輸線上，所述的電壓控制的電容器耦合在所述傳輸線上，所述的相移網絡中相移器耦合在所述傳輸線上，所有的相移器最後耦合在一起。本發明中，所述負阻抗網絡至少由兩個交叉耦合的電晶體組成。本發明中，所述的電壓控制的變容器，有一個電壓控制的埠，有兩個電容的輸出埠。本發明採用分布式的旋轉行波振蕩器，可以減小寄生參數對振蕩器影響。具體而言，旋轉行波振蕩器，採用兩根傳輸線，通過採用交叉耦合的方式形成反饋，通過負阻抗網絡補充振蕩器在振蕩過程中損失的能量。根據下面的公式可以知道旋轉行波振蕩器的振蕩頻率和傳輸線間的電容有著直接的關係
1 = 士 ⑴在式(1)中L為傳輸線的電感，C為傳輸線之間的總電容。本發明通過引入電壓控制的變容器，改變傳輸線間的電容，從而改變振蕩器的頻率。由於旋轉行波振蕩器採用分布式結構，波在傳輸線上傳播，其相位沿著傳播的方向有滯後；又由於旋轉行波振蕩器通過交叉耦合形成正反饋，這要求波在傳播過程中滯後的相位是的整數倍。因此在旋轉行波振蕩器的傳輸線上可以得到相位差從O到360度的波。這些波的功率和一個簡單的電感電容振蕩器發出的功率是一個數量級。如果把這些波的能量疊加在一起就可以實現高功率輸出，但是因為這些波的相位不是相同的，不能直接疊加這些波。如直接疊加這些波，有可能還會減小輸出功率，比如相位相反的波，經過疊加後信號的輸出功率反而為零。因此，本發明引入相移網絡，使得這些波的相位一致後再疊加，那麼輸出的功率就會得到提高。這就像凸透鏡對太陽光的匯聚一樣，旋轉行波振蕩器中不同相位的波，通過電壓控制的相移網絡後相位一致,經過疊加實現能量的匯聚。例如附圖I中，在旋轉行波振蕩器的四個不同的位置連接有四個電壓控制的相移網絡。假如這四個相移器網絡的位置分別在圓的四等分處，那麼每個相移網絡需要提供90度相移。雖然是90度的相位改變，但是不同的頻率相移網絡引入的相移是不一樣的。因此隨著振蕩器輸出頻率的改變，需要調節電壓控制變容器的控制電壓，使得不論什麼頻率的輸入，相移網絡引入的相移都是90度。最後這四個相同相位的波疊加在一起，能量比單個波的能量增加了 16倍。如果引入的相移網絡是45度，那麼匯聚後的能量就是單個波的能量64倍，如果引入的相移網絡是22. 5度，匯聚後能量是單個波的能量是256倍。當然不能無限的遞推下去，因為引入相移網絡會對旋轉行波振蕩器的原有波產生影響。當引入的相移網絡的個數為1-32的時候會有很好的效果。發明的效果
實現了大的調諧範圍和高功率的能量輸出，能量的輸出和引入的相移網絡的數目成平方的關係，具體的關係式為
P=P0N2 (2)
上式/ 是單個波的功率，#是引入相移網絡的個數。可見輸出的功率是相移網絡的平方倍數。


圖I為本發明的旋轉行波壓控振蕩器。圖2為本發明的傳輸線微分後的等效電路圖。圖3為本發明的電壓控制的變容器和電容數值隨電壓變化的關係圖。圖4為本發明的負阻網絡。圖5為本發明的電壓控制的相移網絡。圖6為本發明的相移網絡的相移隨電壓控制的電容變化的關係圖。圖7為本發明的壓控振蕩器的波形變化和最後輸出的波形。圖8為本發明的壓控振蕩器的輸出功率隨相移網絡的個數的變化。
具體實施例方式傳統的旋轉行波振蕩器是兩根傳輸線通過交叉耦合在一起的，通過負阻網絡耦合在傳輸線上可以補充在振蕩損失的能量。旋轉行波振蕩器可以看做是分布式的放大器，把輸出和輸入連在一起形成一個反饋。信號經過360的相位變化後輸出的信號又連接到了輸入，這樣形成了反饋迴路。兩根傳輸線上的信號是差分，可以把差分的傳輸線微分後建模為圖2的電感和電容的網絡。為了研究的方便，首先把傳輸線分為N段，因為每段的長度都很
短，所以每段的電感和電容都可以認為是集總式的。L呵和表不第N段的電感和電容。傳輸線上的相位速度為4和€；表示的傳輸線上單位長度的電感和電
容。因為旋轉行波振蕩器通過交叉互耦把輸出和輸入連接在一起形成了 180度相移。為了滿足振蕩器的振蕩條件，傳輸線至少要引入180度的相位變化，所以滿足的傳輸線滿足的條件為
21 = Ah (3 )
其中7為傳輸的長度力波長，/7為正的奇數。因為振蕩器在基頻模式有最大的環路增益，所以振蕩器的振蕩頻率可以表示為
權利要求
1.一種高功率大調諧範圍的旋轉行波壓控振蕩器，其特徵在於採用分布式結構，其包括至少一個旋轉行波振蕩器電路，至少一個負阻抗網絡，至少一個電壓控制的變容器，至少一個電壓控制的相移網絡；其中，所述的旋轉行波振蕩器電路，至少包括兩根傳輸線，通過交叉的連接形成反饋迴路；所述的負阻抗網絡耦合在所述傳輸線上，所述的電壓控制的電容器耦合在所述傳輸線上，所述的相移網絡中相移器耦合在所述傳輸線上，所有的相移器最後稱合在一起。
2.根據權利要求I所述的高功率大調諧範圍的旋轉行波壓控振蕩器，其特徵在於所述負阻抗網絡至少由兩個交叉耦合的電晶體組成。
3.根據權利要求I所述的高功率大調諧範圍的旋轉行波壓控振蕩器，其特徵在於所述的電壓控制的變容器，有一個電壓控制的埠，有兩個電容的輸出埠。
4.根據權利要求I所述的高功率大調諧範圍的旋轉行波壓控振蕩器，其特徵在於所述的電壓控制的相移網絡的個數為I一32個。
全文摘要
本發明屬於毫米波集成電路技術領域，具體是一種高功率大調諧範圍的旋轉行波壓控振蕩器。該旋轉行波壓控振蕩器主要由旋轉行波振蕩器、負阻網絡、電壓控制的變容器和電壓控制的相移網絡組成。本發明採用旋轉行波振蕩器振蕩器，可以減少寄生的效應對振蕩器影響。同時通過在振蕩器中耦合電壓控制的變容器，增大壓控振蕩器的輸出頻率的調諧範圍；通過在振蕩器中耦合電壓控制的相移網絡，使得不同相位的波通過電壓控制的移相網絡後相位一致，從而把這些相位相同的波疊加在一起實現高功率的輸出。
文檔編號H03B5/32GK102624334SQ201210107808
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月13日 優先權日2012年4月13日
發明者任俊彥, 李寧, 許俊, 馬順利 申請人:復旦大學