一種毫米波基頻振蕩電路及毫米波振蕩器的製作方法
2023-05-06 22:51:26
本發明屬於射頻通信領域，尤其涉及一種毫米波基頻振蕩電路及毫米波振蕩器。
背景技術：
隨著新興無線通信和毫米波雷達的快速發展，作為通信與雷達系統的關鍵部件振蕩器，也隨之要求具有更低的相位噪聲、更高的輸出頻率和更大的輸出功率，來提高其性能。
高頻周期信號通常可以直接從基頻振蕩器或者超諧波振蕩器獲得，由於CMOS工藝的發展，隨著MOS器件尺寸的減少，其ft和fmax都得到了較大的提升，但是目前的振蕩器還無法直接提供毫米波頻段的基頻振蕩信號，目前毫米波頻段的基頻振蕩信號通常是利用器件的非線性，提取偶次諧波或者更高次諧波的振蕩器來獲得。
而現有推挽結構的毫米波振蕩器的輸出功率較小，功耗較大，無法滿足高品質毫米波雷達的要求。
技術實現要素：
本發明實施例的目的在於提供一種毫米波基頻振蕩電路，旨在解決現有毫米波振蕩器的輸出功率小、功耗大的問題。
本發明實施例是這樣實現的，一種毫米波基頻振蕩電路，所述電路包括：
旁路電容C1，所述旁路電容C1的一端連接電源電壓，所述旁路電容C1的另一端接地；
輸出匹配單元，用於使振蕩器的二次諧波輸出能量最大，所述輸出匹配單元的電源端與所述旁路電容C1的一端連接，所述輸出匹配單元的輸出端輸出毫米波振蕩信號；
負阻效應產生單元，用於利用交叉耦合的對管產生負阻效應來補償諧振迴路的損耗；
緩衝單元，用於利用開關管生成緩衝級輸出信號；
電感變壓單元，用於利用電感形成變壓器結構來降低開關管的寄生電容，並將所述緩衝級輸出信號反饋回給諧振迴路，以提高振蕩器的工作頻率及輸出功率，所述電感變壓單元的第一組第一端、第二組第一端分別與所述負阻效應產生單元的第二控制端、第一控制端連接，所述電感變壓單元的第一組第二端、第二組第二端分別與所述負阻效應產生單元的第一輸入端、第二輸入端連接，所述電感變壓單元的第一組第一端、第二組第一端還分別與所述緩衝單元的第二控制端、第一控制端連接，所述電感變壓單元的第一組第三端、第二組第三端分別與所述緩衝單元的第一輸入端、第二輸入端連接，所述電感變壓單元的輸出端與所述輸出匹配單元的輸入端連接。
本發明實施例的另一目的在於，提供一種採用上述毫米波基頻振蕩電路的毫米波振蕩器。
本發明實施例利用交叉耦合的對管產生負阻效應來補償諧振迴路的損耗，利用電感形成變壓器結構來降低開關管的寄生電容，並將所述緩衝級輸出信號反饋回給諧振迴路，以提高振蕩器的工作頻率及輸出功率，從而提高毫米波振蕩器的效率，降低毫米波振蕩器的功耗，並且適於低電壓應用，能夠滿足高品質毫米波雷達的要求。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的毫米波基頻振蕩電路的結構圖；
圖2為本發明實施例提供的毫米波基頻振蕩電路中電感變壓單元的結構圖；
圖3為本發明實施例提供的毫米波振蕩器的輸出頻譜圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
本發明實施例利用交叉耦合的對管產生負阻效應來補償諧振迴路的損耗，利用電感形成變壓器結構來降低開關管的寄生電容，並將所述緩衝級輸出信號反饋回給諧振迴路，以提高振蕩器的工作頻率及輸出功率，從而提高毫米波振蕩器的效率，降低毫米波振蕩器的功耗，並且適於低電壓應用，能夠滿足高品質毫米波雷達的要求。
以下結合具體實施例對本發明的實現進行詳細描述：
圖1示出了本發明實施例提供的毫米波基頻振蕩電路的結構，為了便於說明，僅示出了與本發明相關的部分。
作為本發明一實施例，該毫米波基頻振蕩電路可以應用於任何毫米波振蕩器中，包括：
旁路電容C1，旁路電容C1的一端連接電源電壓，旁路電容C1的另一端接地；
輸出匹配單元11，用於使振蕩器的二次諧波輸出能量最大，輸出二次諧波2f0，其中f0為基波頻率，輸出匹配單元的電源端與旁路電容C1的一端連接，輸出匹配單元的輸出端輸出毫米波振蕩信號；
負阻效應產生單元12，用於利用交叉耦合的對管產生負阻效應來補償諧振迴路的損耗；
緩衝單元13，用於利用開關管生成緩衝級輸出信號；
電感變壓單元14，用於利用電感形成變壓器結構來降低開關管的寄生電容，並將緩衝級輸出信號反饋回給諧振迴路，以提高振蕩器的工作頻率及輸出功率，電感變壓單元的第一組第一端、第二組第一端分別與負阻效應產生單元的第二控制端、第一控制端連接，電感變壓單元的第一組第二端、第二組第二端分別與負阻效應產生單元的第一輸入端、第二輸入端連接，電感變壓單元的第一組第一端、第二組第一端還分別與緩衝單元的第二控制端、第一控制端連接，電感變壓單元的第一組第三端、第二組第三端分別與緩衝單元的第一輸入端、第二輸入端連接，電感變壓單元的輸出端與輸出匹配單元的輸入端連接。
作為本發明一實施例，輸出匹配單元11包括：共面波導CPW和電容C2；
共面波導CPW的一端為輸出匹配單元的電源端，共面波導CPW的另一端為輸出匹配單元的輸入端與電容C2的一端連接，電容C2的另一端為輸出匹配單元的輸出端。
當然，輸出匹配單元11中的共面波導CPW還可以用微帶線來代替，輸出匹配單元11包括：微帶線和電容C2；
微帶線的一端為輸出匹配單元的電源端，微帶線的另一端為輸出匹配單元的輸入端與電容C2的一端連接，電容C2的另一端為輸出匹配單元的輸出端。
作為本發明一實施例，負阻效應產生單元12包括：
第一開關管M1和第二開關管M2；
第一開關管M1的控制端和第二開關管M2的控制端分別為負阻效應產生單元第一控制端和第二控制端；
第一開關管M1的電流輸入端和第二開關管M2的電流輸入端分別為負阻效應產生單元第一輸入端和第二輸入端；
第一開關管M1的電流輸出端和第二開關管M2的電流輸出端同時接地。
優選地，第一開關管M1和第二開關管M2為有源開關器件，例如NMOS、PMOS等。
作為本發明一實施例，緩衝單元13包括：
第三開關管M3、第四開關管M4；
第三開關管M3的控制端和第四開關管M4的控制端分別為緩衝單元第一控制端和第二控制端；
第三開關管M3的電流輸入端和第四開關管M4的電流輸入端分別為緩衝單元第一輸入端和第二輸入端；
第三開關管M3的電流輸出端和第四開關管M4的電流輸出端同時接地。
優選地，第三開關管M3和第四開關管M4為有源開關器件。
作為本發明一實施例，電感變壓單元14包括：
電感L1、電感L2、電感L3、電感L1＇、電感L2＇、電感L3＇；
其中，所述電感L1與所述電感L2形成耦合，所述電感L1＇與所述電感L2＇形成耦合，耦合係數均為K2；
所述電感L2與所述電感L3形成耦合，所述電感L2＇與電感L3＇形成耦合，耦合係數均為K1；
電感L1、電感L2、電感L3的同名端分別為電感變壓單元的第一組第一端、第一組第二端、第一組第三端，電感L1、電感L2、電感L3的異名端分別與電感L1＇、電感L2＇、電感L3＇的異名端對應連接，電感L1＇、電感L2＇、電感L3＇的同名端分別為電感變壓單元的第二組第一端、第二組第二端、第二組第三端，電感L1、電感L2、電感L3、電感L1＇、電感L2＇、電感L3＇的異名端同時為電感變壓單元的輸出端。
在本發明實施例中，電感L1與電感L1＇形成耦合，電感L2與電感L2＇形成耦合，電感L3與電感L3＇形成耦合，電感L1、電感L2、電感L3、電感L1＇、電感L2＇、電感L3＇的異名端為電感的共模結點。並且，電感的耦合形式並不限定，既可以在版圖的同一層通過平面耦合結構實現，也可以在版圖的不同層的相近位置實現耦合。
結合圖2，以同層平面耦合為例，電感L1、電感L2、電感L3、電感L1＇、電感L2＇、電感L3＇形成了一個八角形的平面耦合結構，當然為了提高耦合效果可以提高多角形的數量，例如16角形、32角形，但提高多角形數量的同時會導致工藝的難度增加，從而增加工藝成本，因此優選八角形結構。
在本發明實施例中，MOS管M1、M2構成交叉耦合對管，M3、M4為輸出緩衝級的MOS管。電感L1、電感L1＇，電感L2、電感L2＇與MOS器件的寄生電容構成諧振網絡，電感L3、電感L3＇為輸出緩衝級的負載，信號從電感的共模結點引出，共面波導CPW和電容C2用來作為電路的輸出匹配，使得振蕩器的二次諧波輸出能量最大，電容C1為電源的旁路電容。
電路的工作原理如下：MOS器件M1、M2構成交叉耦合對管，產生負阻效應，用於補償諧振迴路的損耗；電感L1、電感L1＇，電感L2、電感L2＇形成變壓器結構，有效降低MOS器件寄生電容影響，提高振蕩器的工作頻率；電感L2、電感L2＇電感L3、電感L3＇形成變壓器結構，將緩衝級的輸出信號反饋回諧振迴路，有利於增加信號的輸出功率；共面波導CPW和電容C2作為振蕩器的輸出匹配電路結構，使得振蕩器的二次諧波輸出能量最大；電容C1為電源電壓的旁路電容。
經測試，本申請提供的推挽結構的毫米波振蕩器，電源電壓0.6V，電流消耗16mA，輸出頻率202GHz，校準後輸出功率大於-10dBm。
測試結果如圖3所示，其中標記點Marker顯示出，經測試的輸出端功率為-74.51dBm，輸出頻率為202.33GHz，晶片工作在0.6V電源電壓下，消耗電流為16mA，輸出頻率為202GHz，測試路徑損耗為65dB，則計算得到的晶片的輸出功率為-9.51dBm，本振蕩器的功率效率為1.166％。
本發明結合新型電感器件，實現了三組電感構成的變壓器結構，利用了輸出緩衝級電感與諧振迴路電感的耦合效應；還利用了有源開關器件的柵端和漏端電感的耦合效應，提高了振蕩器的輸出頻率和功率。輸出信號從電路的共模結點引出，由共面波導結構實現輸出匹配，將電路的二次諧波提取出來，實現了一種新的輸出頻率高、輸出功率高、效率高、功耗低的毫米波振蕩器電路。
本發明實施例利用交叉耦合的對管產生負阻效應來補償諧振迴路的損耗，利用電感形成變壓器結構來降低開關管的寄生電容，並將所述緩衝級輸出信號反饋回給諧振迴路來降低諧振迴路的寄生電容，以提高振蕩器的工作頻率，從而提高毫米波振蕩器的輸出功率、輸出頻率和效率，降低毫米波振蕩器的功耗，並且適於低電壓應用，能夠滿足高品質毫米波雷達的要求。
本發明實施例的另一目的在於，提供一種採用上述毫米波基頻振蕩電路的毫米波振蕩器。
以上僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。