專利名稱：高功率大調(diào)諧范圍的旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻微波集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以實(shí)現(xiàn)高功率輸出的大調(diào)諧范圍的旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器。
背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)通信速度的要求越來(lái)越高，目前擁擠的頻段已經(jīng)不能滿足這個(gè)需求。為了解決這個(gè)矛盾，毫米波通信技術(shù)變的越來(lái)的越重要，因?yàn)檫@個(gè)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(shí)在某些頻段是免費(fèi)的，因此利用毫米波通信成為一種趨勢(shì)。電壓控制的振蕩器一般用在頻率綜合器中為整個(gè)系統(tǒng)提供本振信號(hào)。在通信電路中，本振信號(hào)通過(guò)混頻器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)上變頻或是下變頻。信號(hào)的上變頻主要是方便信號(hào)從天線傳播，信號(hào)的下變頻主要是方便對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。所以通信電路中最為重要的模塊就是產(chǎn)生本振信號(hào)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(lái)越大，能量的損耗變得越來(lái)的越大。晶體管的本征增益也變得越來(lái)越小，所以實(shí)現(xiàn)高功率輸出的振蕩器變得很困難。同時(shí)為了滿足相位噪聲的要求，振蕩器的調(diào)諧范圍也不能做的很寬。在雷達(dá)通信領(lǐng)域和毫米波成像領(lǐng)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(shù)對(duì)于頻率的改變影響很大。隨著器件幾何尺寸的減小，雖然帶來(lái)了本征增益的提高，但是器件的耐壓值也變得很小，所以很難實(shí)現(xiàn)高功率的輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)高功率輸出的大調(diào)諧范圍的旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器。本發(fā)明提出的旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器，采用分布式結(jié)構(gòu)，其包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)行波振蕩器電路，至少一個(gè)負(fù)阻抗網(wǎng)絡(luò)，至少一個(gè)電壓控制的變?nèi)萜?，至少一個(gè)電壓控制的相移網(wǎng)絡(luò)；其中，所述的旋轉(zhuǎn)行波振蕩器電路，至少包括兩根傳輸線，通過(guò)交叉的連接形成反饋回路；所述的負(fù)阻抗網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中相移器耦合在所述傳輸線上，所有的相移器最后耦合在一起。本發(fā)明中，所述負(fù)阻抗網(wǎng)絡(luò)至少由兩個(gè)交叉耦合的晶體管組成。本發(fā)明中，所述的電壓控制的變?nèi)萜?，有一個(gè)電壓控制的端口，有兩個(gè)電容的輸出端口。本發(fā)明采用分布式的旋轉(zhuǎn)行波振蕩器，可以減小寄生參數(shù)對(duì)振蕩器影響。具體而言，旋轉(zhuǎn)行波振蕩器，采用兩根傳輸線，通過(guò)采用交叉耦合的方式形成反饋，通過(guò)負(fù)阻抗網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充振蕩器在振蕩過(guò)程中損失的能量。根據(jù)下面的公式可以知道旋轉(zhuǎn)行波振蕩器的振蕩頻率和傳輸線間的電容有著直接的關(guān)系
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(fā)明通過(guò)引入電壓控制的變?nèi)萜鳎淖儌鬏斁€間的電容，從而改變振蕩器的頻率。由于旋轉(zhuǎn)行波振蕩器采用分布式結(jié)構(gòu)，波在傳輸線上傳播，其相位沿著傳播的方向有滯后；又由于旋轉(zhuǎn)行波振蕩器通過(guò)交叉耦合形成正反饋，這要求波在傳播過(guò)程中滯后的相位是的整數(shù)倍。因此在旋轉(zhuǎn)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(gè)簡(jiǎn)單的電感電容振蕩器發(fā)出的功率是一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果把這些波的能量疊加在一起就可以實(shí)現(xiàn)高功率輸出，但是因?yàn)檫@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(huì)減小輸出功率，比如相位相反的波，經(jīng)過(guò)疊加后信號(hào)的輸出功率反而為零。因此，本發(fā)明引入相移網(wǎng)絡(luò)，使得這些波的相位一致后再疊加，那么輸出的功率就會(huì)得到提高。這就像凸透鏡對(duì)太陽(yáng)光的匯聚一樣，旋轉(zhuǎn)行波振蕩器中不同相位的波，通過(guò)電壓控制的相移網(wǎng)絡(luò)后相位一致,經(jīng)過(guò)疊加實(shí)現(xiàn)能量的匯聚。例如附圖I中，在旋轉(zhuǎn)行波振蕩器的四個(gè)不同的位置連接有四個(gè)電壓控制的相移網(wǎng)絡(luò)。假如這四個(gè)相移器網(wǎng)絡(luò)的位置分別在圓的四等分處，那么每個(gè)相移網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(diào)節(jié)電壓控制變?nèi)萜鞯目刂齐妷?，使得不論什么頻率的輸入，相移網(wǎng)絡(luò)引入的相移都是90度。最后這四個(gè)相同相位的波疊加在一起，能量比單個(gè)波的能量增加了 16倍。如果引入的相移網(wǎng)絡(luò)是45度，那么匯聚后的能量就是單個(gè)波的能量64倍，如果引入的相移網(wǎng)絡(luò)是22. 5度，匯聚后能量是單個(gè)波的能量是256倍。當(dāng)然不能無(wú)限的遞推下去，因?yàn)橐胂嘁凭W(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)行波振蕩器的原有波產(chǎn)生影響。當(dāng)引入的相移網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)為1-32的時(shí)候會(huì)有很好的效果。發(fā)明的效果
實(shí)現(xiàn)了大的調(diào)諧范圍和高功率的能量輸出，能量的輸出和引入的相移網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目成平方的關(guān)系，具體的關(guān)系式為
P=P0N2 (2)
上式/ 是單個(gè)波的功率，#是引入相移網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)?？梢?jiàn)輸出的功率是相移網(wǎng)絡(luò)的平方倍數(shù)。


圖I為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器。圖2為本發(fā)明的傳輸線微分后的等效電路圖。圖3為本發(fā)明的電壓控制的變?nèi)萜骱碗娙輸?shù)值隨電壓變化的關(guān)系圖。圖4為本發(fā)明的負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)。圖5為本發(fā)明的電壓控制的相移網(wǎng)絡(luò)。圖6為本發(fā)明的相移網(wǎng)絡(luò)的相移隨電壓控制的電容變化的關(guān)系圖。圖7為本發(fā)明的壓控振蕩器的波形變化和最后輸出的波形。圖8為本發(fā)明的壓控振蕩器的輸出功率隨相移網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)的變化。
具體實(shí)施例方式傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)行波振蕩器是兩根傳輸線通過(guò)交叉耦合在一起的，通過(guò)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)耦合在傳輸線上可以補(bǔ)充在振蕩損失的能量。旋轉(zhuǎn)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(gè)反饋。信號(hào)經(jīng)過(guò)360的相位變化后輸出的信號(hào)又連接到了輸入，這樣形成了反饋回路。兩根傳輸線上的信號(hào)是差分，可以把差分的傳輸線微分后建模為圖2的電感和電容的網(wǎng)絡(luò)。為了研究的方便，首先把傳輸線分為N段，因?yàn)槊慷蔚拈L(zhǎng)度都很
短，所以每段的電感和電容都可以認(rèn)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(zhǎng)度的電感和電
容。因?yàn)樾D(zhuǎn)行波振蕩器通過(guò)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?shù)拈L(zhǎng)度力波長(zhǎng)，/7為正的奇數(shù)。因?yàn)檎袷幤髟诨l模式有最大的環(huán)路增益，所以振蕩器的振蕩頻率可以表示為
權(quán)利要求
1.一種高功率大調(diào)諧范圍的旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器，其特征在于采用分布式結(jié)構(gòu)，其包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)行波振蕩器電路，至少一個(gè)負(fù)阻抗網(wǎng)絡(luò)，至少一個(gè)電壓控制的變?nèi)萜?，至少一個(gè)電壓控制的相移網(wǎng)絡(luò)；其中，所述的旋轉(zhuǎn)行波振蕩器電路，至少包括兩根傳輸線，通過(guò)交叉的連接形成反饋回路；所述的負(fù)阻抗網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中相移器耦合在所述傳輸線上，所有的相移器最后稱合在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高功率大調(diào)諧范圍的旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器，其特征在于所述負(fù)阻抗網(wǎng)絡(luò)至少由兩個(gè)交叉耦合的晶體管組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高功率大調(diào)諧范圍的旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器，其特征在于所述的電壓控制的變?nèi)萜?，有一個(gè)電壓控制的端口，有兩個(gè)電容的輸出端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高功率大調(diào)諧范圍的旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器，其特征在于所述的電壓控制的相移網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)為I一32個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明屬于毫米波集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種高功率大調(diào)諧范圍的旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器。該旋轉(zhuǎn)行波壓控振蕩器主要由旋轉(zhuǎn)行波振蕩器、負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)、電壓控制的變?nèi)萜骱碗妷嚎刂频南嘁凭W(wǎng)絡(luò)組成。本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)行波振蕩器振蕩器，可以減少寄生的效應(yīng)對(duì)振蕩器影響。同時(shí)通過(guò)在振蕩器中耦合電壓控制的變?nèi)萜?，增大壓控振蕩器的輸出頻率的調(diào)諧范圍；通過(guò)在振蕩器中耦合電壓控制的相移網(wǎng)絡(luò)，使得不同相位的波通過(guò)電壓控制的移相網(wǎng)絡(luò)后相位一致，從而把這些相位相同的波疊加在一起實(shí)現(xiàn)高功率的輸出。
文檔編號(hào)H03B5/32GK102624334SQ201210107808
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者任俊彥, 李寧, 許俊, 馬順利 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)