差分推-推壓控振蕩器及信號產生裝置製造方法
2023-04-23 04:47:06
差分推-推壓控振蕩器及信號產生裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種差分推-推壓控振蕩器及信號產生裝置，包括一個正交振蕩器、兩個諧波選擇元件、兩個倍頻電路和一個功率合成元件。正交振蕩器產生正交兩路及各次諧波信號，兩個諧波選擇元件用於提取振蕩器兩路輸出信號中的二次諧波，生成差分的推-推信號輸出；兩路倍頻電路用於對該信號進行倍頻，生成同相的二倍頻信號；功率合成元件實現兩路同相信號功率的合成，形成單端信號源輸出。該信號源利用諧波抽取和倍頻的方式實現了差分的推-推壓控振蕩器輸出，提高了信號的輸出頻率，利用正交兩路震蕩信號結合功率合成的方式提高了信號的輸出功率。
【專利說明】差分推-推壓控振蕩器及信號產生裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於微電子學【技術領域】，涉及一種差分推-推壓控振蕩器及信號產生
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術】
[0002]太赫茲(TeraHertz，THz)波是指頻率在0.1?1THz (波長0.03_3mm)範圍內的電磁波，其波段介於微波與遠紅外光之間，是電磁波頻譜中有待研究的最後一個頻譜窗口。太赫茲波結合了微波和紅外光波的諸多優點，具有很多特殊的性質，如瞬態性、寬帶性、相干性和很好的穿透性等，因此太赫茲頻段在醫學成像、高速無線通信、雷達遙感探測、反恐緝毒等領域具有重大的應用前景和獨特的優勢。
[0003]太赫茲源是實現太赫茲應用的瓶頸，基於光子學和真空電子學的太赫茲源具有輸出波長短、輻射功率高等優點，在遠距離成像和非破壞高穿透波普研究等領域得到應用；但存在所需設備的體積龐大、能耗高、輸出穩定性差等缺點，應用領域受到限制。隨著半導體工藝的進步和器件性能的快速提高，太赫茲固態分立電路或固態單片集成電路成為實現高穩定、可調諧、小型化太赫茲源的有效方式。但受現有工藝和器件特性的限制，固態太赫茲源中壓控振蕩器的輸出頻率受限，其頻率由有源器件的截止頻率fT決定。為了在特定工藝下實現更高的輸出頻率，可以採用推-推結構的壓控振蕩器形式，該結構中輸出信號為振蕩器震蕩信號的二次諧波，振蕩器中的有源器件工作在輸出信號頻率的1/2處，因此輸出信號的頻率得以大大提高；但該結構的輸出輸出信號為單端信號，實際的應用如作為接收機中混頻器的本振信號或鎖相環中預分頻器的輸入信號都需要差分信號；另外，由於輸出信號為震蕩信號中的二次諧波，器功率較小，無法滿足實際的應用要求。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的是針對現有技術的不足，提出一種差分推-推壓控振蕩器及信號產生裝置。利用正交振蕩器結合諧波抽取、倍頻和功率合成技術，在現有工藝條件下實現差分形式和更高頻率、更高功率輸出的信號源。
[0005]本實用新型包括一個正交振蕩器、兩個諧波選擇元件、兩個倍頻電路和一個功率合成元件，正交振蕩器和諧波選擇元件構成差分推-推壓控振蕩器，正交振蕩器產生兩路正交信號(0°、180°和90°、270°)及各次諧波信號，兩個諧波選擇元件分別連接正交振蕩器的輸出，用於提取振蕩器輸出信號中的二次諧波，生成差分輸出信號，分別輸出到差分推-推壓控振蕩器的同相輸出端和反相輸出端；兩個倍頻電路和功率合成元件構成倍頻器，第一倍頻電路的輸入端作為倍頻器的同相輸入端，與差分推-推壓控振蕩器的同相輸出端連接，作為信號源差分輸出的同相輸出端；第二倍頻電路的輸入端作為倍頻器的反相輸入端，與差分推-推壓控振蕩器的反相輸出端連接，同時作為信號源差分輸出的反相輸出端；兩路倍頻電路用於對輸入信號進行倍頻，生成同相的二倍頻信號；功率合成元件的第一信號輸入端與第一倍頻電路的信號輸出端連接，功率合成元件的第二信號輸入端與第二倍頻電路的信號輸出端連接；功率合成元件的信號輸出端作為倍頻器和信號源的單端信號輸出端;
[0006]所述差分推-推壓控振蕩器包括一個正交振蕩器和兩個諧波選擇元件；所述的正交振蕩器包括第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一耦合管、第二耦合管、第三耦合管、第四耦合管、第一電感、第二電感、第三電感、第四電感、第一耦合管、第二耦合管、第三耦合管、第四耦合管、第一變容管、第二變容管、第三變容管和第四變容管，所述的第一 NMOS管的柵極、第二 NMOS管的漏極、第二耦合管的漏極、第二變容管的一端和第二電感的一端連接，作為第一電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端；第二 NMOS管的柵極、第一 NMOS管的漏極、第一耦合管的漏極、第一變容管的一端和第一電感的一端連接，作為第一電容電感型壓控振蕩器的第二輸出端；第一變容管的另一端與第二變容管的另一端連接，作為外部電壓控制端；第一 NMOS管、第二 NMOS管、第一耦合管和第二耦合管的源極接地；第一耦合管的柵極接第二電容電感型壓控振蕩器的第二輸出端；第二耦合管的柵極接第二電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端；第一諧波選擇兀件的一端接電源VDD ;第一電感的另一端、第二電感的另一端與第一諧波選擇元件的另一端連接，作為差分推-推壓控振蕩器電路的同相輸出端；
[0007]第三NMOS管的柵極、第四NMOS管的漏極、第四耦合管的漏極、第四變容管的一端和第四電感的一端連接，作為第二電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端；第四NMOS管的柵極、第三NMOS管的漏極、第三耦合管的漏極、第三變容管的一端和第三電感的一端連接，作為第二電容電感型壓控振蕩器的第二輸出端；第三變容管的另一端與第四變容管的另一端連接，作為外部電壓控制端；第三NMOS管、第四NMOS管、第三耦合管和第四耦合管的源極接地；第三耦合管的柵極接第一電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端；第四耦合管的柵極接第一電容電感型壓控振蕩器的第二輸出；第二諧波選擇兀件的一端連接電源VDD ;第三電感的另一端、第四電感的另一端與第二諧波選擇元件的另一端連接，作為差分推-推壓控振蕩器電路的反相輸出端。
[0008]所述倍頻電路包括兩條金屬條和兩個變容管；第一金屬條的一埠作為倍頻電路的信號輸入端，第一金屬條的另一埠接地；第二金屬條的第一埠與第五變容管的一端連接，第二金屬條的第二埠與第六變容管的一端連接；第二金屬條的第三埠作為倍頻電路的信號輸出端；第五變容管的另一端、第六變容管的另一端接地。
[0009]所述功率合成元件為一三埠金屬條；該金屬條第一埠、第二埠分別作為功率合成元件的第一信號輸入端和第二信號輸入端；該金屬條第三埠作為功率合成元件的信號輸出端。
[0010]該信號源採用諧波抽取作為壓控振蕩器的輸出方式，使振蕩器的輸出頻率遠遠高於有源器件的工作頻率；同時，利用正交振蕩器正交兩路輸出信號的相位關係並結合諧波選擇元件，實現了差分的推-推壓控振蕩器輸出；在差分推-推壓控振蕩器的基礎上，利用無源倍頻電路進一步提高輸出信號的頻率；結合倍頻後兩路信號同相的特點，利用功率合成技術提高輸出信號的功率；最終使特定工藝下信號源輸出信號的頻率和功率得到提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本實用新型的結構示意圖；
[0012]圖2為圖1中差分推-推壓控振蕩器I的結構示意圖；
[0013]圖3為圖1中倍頻電路的結構示意圖；
[0014]圖4為圖1中功率合成元件的結構示意圖；
[0015]圖5為圖1中倍頻器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0017]本實用新型提供一種差分推-推壓控振蕩器及信號產生裝置，利用正交振蕩器結合諧波抽取、無源倍頻和功率合成技術，在現有工藝條件下實現更高頻率和更高功率輸出的信號源。如圖1所示，本實用新型包括一個正交振蕩器3、兩個諧波選擇元件4/5、兩個倍頻電路6/7和一個功率合成元件8。根據本實用新型，正交振蕩器3和諧波選擇元件4/5構成差分推-推壓控振蕩器I，正交振蕩器3產生兩路正交信號(0°、180°和90°、270°)及各次諧波信號，兩個諧波選擇元件4/5分別連接正交振蕩器3的兩路輸出，用於提取振蕩器3兩路輸出信號中的二次諧波，生成差分輸出信號，分別輸出到差分推-推壓控振蕩器I的同相輸出端Vout+和反相輸出端Vout-;倍頻電路和功率合成元件構成倍頻器，第一倍頻電路6的輸入端RFin作為倍頻器2的同相輸入端RFin+，與差分推-推壓控振蕩器I的同相輸出端Vout+連接，同時作為信號源差分輸出的同相輸出端Vout_f ;第二倍頻電路7的輸入端RFin+作為倍頻器2的反相輸入端RFin-，與差分推-推壓控振蕩器I的反相輸出端連接Vout-,同時作為信號源差分輸出的反相輸出端Voutb_f ;兩路倍頻電路用於對輸入信號進行倍頻，生成同相的二倍頻輸出信號；功率合成元件8的第一信號輸入端Vl與第一倍頻電路6的信號輸出端RFout連接，功率合成元件8的第二信號輸入端V2與第二倍頻電路7的信號輸出端RFout連接；功率合成元件8的信號輸出端V3作為倍頻器和信號源的單端信號輸出端Vout_2f ；
[0018]所述差分推-推壓控振蕩器I包括一個正交壓控振蕩器和兩個諧波選擇元件，如圖2所示；所述的第一 NMOS管MNl的柵極、第二 NMOS管MN2的漏極、第二耦合管MNC2的漏極、第二變容管Cvar2的一端和第二電感L2的一端連接,作為第一電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端I+ ;第二 NMOS管MN2的柵極、第一 NMOS管MNl的漏極、第一耦合管MNCl的漏極、第一變容管Cvarl的一端和第一電感LI的一端連接,作為第一電容電感型壓控振蕩器的第二輸出端1-;第一變容管Cvarl的另一端與第二變容管Cvar2的另一端連接,作為外部電壓控制端Vtune ;第一 NMOS管麗1、第二 NMOS管麗2、第一耦合管MNCl和第二耦合管MNC2的源極接地；第一耦合管MNCl的柵極接第二電容電感型壓控振蕩器的第二輸出端Q-;第二耦合管MNC2的柵極接第二電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端Q+ ;第一諧波選擇兀件Tl的一端連接電源VDD ;第一電感LI的另一端、第二電感L2的另一端與第一諧波選擇元件Tl的另一端連接，作為差分推-推壓控振蕩器電路I的同相輸出端Vout+。
[0019]第三NMOS管MN3的柵極、第四NMOS管MN4的漏極、第四耦合管MNC4的漏極、第四變容管Cvar4的一端和第四電感L4的一端連接,作為第二電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端Q+ ;第四NMOS管MN4的柵極、第三NMOS管MN3的漏極、第三耦合管MNC3的漏極、第三變容管Cvar3的一端和第三電感L3的一端連接,作為第二電容電感型壓控振蕩器的第二輸出端Q-;第三變容管Cvar3的另一端與第四變容管Cvar4的另一端連接,作為外部電壓控制端Vtune ;第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第三耦合管MNC3和第四耦合管MNC4的源極接地；第三耦合管MNC3的柵極接第一電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端I+ ;第四耦合管MNC4的柵極接一電容電感型壓控振蕩器的第二輸出端1-;第二諧波選擇元件Tl的一端連接電源VDD ;第三電感L3的另一端、第四電感L4的另一端與第二諧波選擇元件T2的另一端連接，作為差分推-推壓控振蕩器電路I的反相輸出端Vout-。
[0020]所述倍頻電路6/7包括兩條金屬條T3/T4和兩個變容管Cvar5/Cvar6，如圖3所 ;第一金屬條T3的一埠作為倍頻電路的信號輸入端RFin,第一金屬條T3的另一埠接地；第二金屬條T4的第一埠與第五變容管Cvar5的一端連接，第二金屬條T4的第二埠與第六變容管Cvar6的一端連接；第二金屬條T4的第三埠作為倍頻電路的信號輸出端RFout ;第五變容管Cvar5的另一端、第六變容管Cvar6的另一端接地。
[0021]所述功率合成兀件8為一三埠金屬條T5,如圖4所不；該金屬條第一埠 V1、第二埠 V2作為功率合成元件的信號輸入端；該金屬條第三埠 V3作為功率合成元件的信號輸出端。
[0022]上述倍頻電路6/7和功率合成元件8構成倍頻器2，如圖5所示。
[0023]上述差分推-推壓控振蕩器電路I中，由於正交壓控振蕩器3兩路的基頻信號相位為0°、180°和90°、270°，相應的二次諧波相位為0°和180°，形成差分推-推輸出；諧波選擇元件Tl和T2採用傳輸線實現，其長度依據信號源輸出信號Vout的頻率來選取，假設信號源輸出信號Vout的頻率為f，則正交壓控振蕩器3的震蕩頻率為f/4，二次諧波的頻率為f/2 ;相應的諧波選擇元件Tl和T2的長度為m頻率處信號波長的1/4，使二次諧波在諧波選擇元件Tl和T2的一端看到到地的阻抗為無窮大，實現二次諧波的有效輸出。
[0024]上述倍頻電路2中，變容管Cvar5/Cvar6/Cvar7/Cvar8採用積累型變容管(A-MOS)，由於載流子為多子，其截止頻率相比少子作載流子的MOS管要高2?3倍，因此基於A-MOS變容管的無源倍頻電路可以工作在更高的頻率。金屬條T3的長度為輸入信號RFin波長的1/2，使輸入端看進去的阻抗為零，實現輸入信號的有效傳輸；輸入信號RFin通過巴倫耦合生成兩路差分信號注入到金屬條T4中，由於結構的對稱性，A點對差分信號來說為虛地點；如圖3所示，選擇TL3的長度為輸入信號RFin波長的1/4，通過長度為輸入信號頻率處波長的1/4的TL3的阻抗變換，使差分信號全部注入到變容管，實現了輸入信號的有效注入、輸入端和輸出端的有效隔離。對倍頻輸出信號來說，由於輸入信號為差分信號，倍頻輸出信號為同相信號，其信號流向如圖3所示。兩路同相倍頻信號在B端相遇後被返回，只有極少的能量通過TLO和輸入線間的寄生電容耦合洩漏出去，在A點相遇的倍頻信號通過輸出埠輸出。兩路倍頻電路的輸出信號再通過T形傳輸線結構金屬條T5功率合成後輸出Vout,實現了輸出信號的有效傳輸、輸出端和輸入端的有效隔離。
[0025]儘管本實用新型的內容已經通過上述優選實施例做了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應該被認為是對本實用新型的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本實用新型的多種修改和替換都將是顯而易見的。
【權利要求】
1.差分推-推壓控振蕩器及信號產生裝置，包括一個正交振蕩器、兩個諧波選擇元件、兩個倍頻電路和一個功率合成元件，其特徵在於:所述正交振蕩器和諧波選擇元件構成差分推-推壓控振蕩器，正交振蕩器產生兩路正交信號及各次諧波信號，兩個諧波選擇元件分別連接正交振蕩器的輸出，用於提取振蕩器輸出信號中的二次諧波，生成差分輸出信號，分別輸出到差分推-推壓控振蕩器的同相輸出端和反相輸出端； 所述兩個倍頻電路和功率合成元件構成差分輸入、單端輸出的倍頻器，第一倍頻電路的輸入端作為倍頻器的同相輸入端，與差分推-推壓控振蕩器的同相輸出端連接，同時作為信號源差分輸出的同相輸出端；第二倍頻電路的輸入端作為倍頻器的反相輸入端，與差分推-推壓控振蕩器的反相輸出端連接，同時作為信號源差分輸出的同相輸出端；兩路倍頻電路用於對輸入信號進行倍頻，生成同相的二倍頻信號；功率合成元件的第一信號輸入端與第一倍頻電路的信號輸出端連接，功率合成元件的第二信號輸入端與第二倍頻電路的信號輸出端連接；功率合成元件的信號輸出端作為倍頻器和信號源的單端信號輸出端。
2.如權利要求1所述的差分推-推壓控振蕩器及信號產生裝置，其特徵在於:包括一個正交振蕩器和兩個諧波選擇元件；所述的正交振蕩器包括第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一耦合管、第二耦合管、第三耦合管、第四耦合管、第一電感、第二電感、第三電感、第四電感、第一耦合管、第二耦合管、第三耦合管、第四耦合管、第一變容管、第二變容管、第三變容管和第四變容管，所述的第一 NMOS管的柵極、第二 NMOS管的漏極、第二耦合管的漏極、第二變容管的一端和第二電感的一端連接，作為第一電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端；第二NMOS管的柵極、第一NMOS管的漏極、第一稱合管的漏極、第一變容管的一端和第一電感的一端連接，作為第一電容電感型壓控振蕩器的第二輸出端；第一變容管的另一端與第二變容管的另一端連接，作為外部電壓控制端；第一 NMOS管、第二NMOS管、第一耦合管和第二耦合管的源極接地；第一耦合管的柵極接第二電容電感型壓控振蕩器的第二輸出端；第二耦合管的柵極接第二電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端；第一諧波選擇元件的一端接電源VDD ;第一電感的另一端、第二電感的另一端與第一諧波選擇元件的另一端連接，作為差分推-推壓控振蕩器電路的同相輸出端； 第三NMOS管的柵極、第四NMOS管的漏極、第四耦合管的漏極、第四變容管的一端和第四電感的一端連接，作為第二電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端；第四NMOS管的柵極、第三NMOS管的漏極、第三耦合管的漏極、第三變容管的一端和第三電感的一端連接，作為第二電容電感型壓控振蕩器的第二輸出端；第三變容管的另一端與第四變容管的另一端連接，作為外部電壓控制端；第三NMOS管、第四NMOS管、第三耦合管和第四耦合管的源極接地；第三耦合管的柵極接第一電容電感型壓控振蕩器的第一輸出端；第四耦合管的柵極接第一電容電感型壓控振蕩器的第二輸出；第二諧波選擇兀件的一端連接電源VDD ;第三電感的另一端、第四電感的另一端與第二諧波選擇元件的另一端連接，作為差分推-推壓控振蕩器電路的反相輸出端。
【文檔編號】H03L7/099GK203984395SQ201420442302
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】高海軍, 孫玲玲 申請人:杭州電子科技大學