[发明专利]高功率大调谐范围的旋转行波压控振荡器

说明书

技术领域

本发明属于射频微波集成电路技术领域，具体涉及一种可以实现高功率输出的大调谐范围的旋转行波压控振荡器。

背景技术

随着人们对通信速度的要求越来越高，目前拥挤的频段已经不能满足这个需求。为了解决这个矛盾，毫米波通信技术变的越来的越重要，因为这个频段不仅可以提供大的频带宽度，也就是高的传输速率，同时在某些频段是免费的，因此利用毫米波通信成为一种趋势。电压控制的振荡器一般用在频率综合器中为整个系统提供本振信号。在通信电路中，本振信号通过混频器可以实现对信号上变频或是下变频。信号的上变频主要是方便信号从天线传播，信号的下变频主要是方便对信号进行处理。所以通信电路中最为重要的模块就是产生本振信号的频率综合器，频率综合器中最重要的电路就是压控振荡器。随着频率的升高，电感和电容的寄生电阻变得越来越大，能量的损耗变得越来的越大。晶体管的本征增益也变得越来越小，所以实现高功率输出的振荡器变得很困难。同时为了满足相位噪声的要求，振荡器的调谐范围也不能做的很宽。在雷达通信领域和毫米波成像领域中，高功率的压控振荡器也是很重要的模块。在高频率振荡电路中，寄生参数对于频率的改变影响很大。随着器件几何尺寸的减小，虽然带来了本征增益的提高，但是器件的耐压值也变得很小，所以很难实现高功率的输出。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够实现高功率输出的大调谐范围的旋转行波压控振荡器。

本发明提出的旋转行波压控振荡器，采用分布式结构，其包括：至少一个旋转行波振荡器电路，至少一个负阻抗网络，至少一个电压控制的变容器，至少一个电压控制的相移网络；其中，所述的旋转行波振荡器电路，至少包括两根传输线，通过交叉的连接形成反馈回路；所述的负阻抗网络耦合在所述传输线上，所述的电压控制的电容器耦合在所述传输线上，所述的相移网络中相移器耦合在所述传输线上，所有的相移器最后耦合在一起。

本发明中，所述负阻抗网络至少由两个交叉耦合的晶体管组成。

本发明中，所述的电压控制的变容器，有一个电压控制的端口，有两个电容的输出端口。

本发明采用分布式的旋转行波振荡器,可以减小寄生参数对振荡器影响。具体而言，旋转行波振荡器,采用两根传输线，通过采用交叉耦合的方式形成反馈,通过负阻抗网络补充振荡器在振荡过程中损失的能量。根据下面的公式可以知道旋转行波振荡器的振荡频率和传输线间的电容有着直接的关系：

                （1）

在式（1）中L为传输线的电感，C为传输线之间的总电容。本发明通过引入电压控制的变容器，改变传输线间的电容，从而改变振荡器的频率。由于旋转行波振荡器采用分布式结构，波在传输线上传播，其相位沿着传播的方向有滞后；又由于旋转行波振荡器通过交叉耦合形成正反馈,这要求波在传播过程中滞后的相位是的整数倍。因此在旋转行波振荡器的传输线上可以得到相位差从0到360度的波。这些波的功率和一个简单的电感电容振荡器发出的功率是一个数量级。如果把这些波的能量叠加在一起就可以实现高功率输出，但是因为这些波的相位不是相同的，不能直接叠加这些波。如直接叠加这些波，有可能还会减小输出功率，比如相位相反的波，经过叠加后信号的输出功率反而为零。因此，本发明引入相移网络，使得这些波的相位一致后再叠加，那么输出的功率就会得到提高。这就像凸透镜对太阳光的汇聚一样，旋转行波振荡器中不同相位的波，通过电压控制的相移网络后相位一致，经过叠加实现能量的汇聚。

例如附图1中，在旋转行波振荡器的四个不同的位置连接有四个电压控制的相移网络。假如这四个相移器网络的位置分别在圆的四等分处，那么每个相移网络需要提供90度相移。虽然是90度的相位改变，但是不同的频率相移网络引入的相移是不一样的。因此随着振荡器输出频率的改变，需要调节电压控制变容器的控制电压，使得不论什么频率的输入，相移网络引入的相移都是90度。最后这四个相同相位的波叠加在一起，能量比单个波的能量增加了16倍。如果引入的相移网络是45度，那么汇聚后的能量就是单个波的能量64倍，如果引入的相移网络是22.5度，汇聚后能量是单个波的能量是256倍。当然不能无限的递推下去，因为引入相移网络会对旋转行波振荡器的原有波产生影响。当引入的相移网络的个数为1-32的时候会有很好的效果。

发明的效果

实现了大的调谐范围和高功率的能量输出，能量的输出和引入的相移网络的数目成平方的关系，具体的关系式为：

 （2）