[发明专利]多能量注入锁定的高功率输出旋转行波振荡器

说明书

技术领域

本发明属于射频微波集成电路技术领域，具体涉及到一种多能量注入锁定的旋转行波振荡器。

背景技术

随着集成电路工艺技术的进步，晶体管的特征尺寸按照摩尔定律在不断的缩小。晶体管的缩小使得晶体管的本征增益的频率也在不断的提高，从而使得基于硅材料的电路在微波领域也有了较大的发展。以前的微波集成电路都是由砷化镓材料制成的，但是这种材料的价格比较昂贵，所以微波集成电路在民用领域没有得到较大的应用。硅材料在价格和集成度上都有很大的优势，所以如果用硅材料能够实现性能良好的微波电路，一定可以带来巨大的经济效益。

毫米波集成电路有着较大应用范围，比如毫米波成像，毫米波通信等。这些应用里面最为重要的电路模块就是毫米波的振荡器。基于硅材料要实现毫米波频率的振荡器是一个困难的事情。主要有以下几个问题，第一：硅材料工艺的衬底电导率大，导致高频率信号的损耗比较大，信号的功率比较低。第二：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。第三：振荡器的频率随寄生参数的改变比较大。在微波频率范围，寄生的电容和电感对振荡器的频率改变影响很大。为了减少寄生的电容和电感对振荡器的影响，同时提高振荡器的频率调谐范围，本发明采用分布式旋转行波振荡器。

本发明采用的分布式旋转行波振荡器，其结构是两根传输线，传输线通过交叉耦合的方式形成环路。在两根传输线上耦合了负阻网络，补充振荡过程中损失的能量。其振荡的频率为：

                                                  。

其中L为传输线上的总电感，C为传输线上的总电容。在本发明中为了得到更高频率的振荡器，采用多能量注入锁定的分布式振荡器。首先由一个高频的旋转行波振荡器中可以得到相位从0到360度的波形。选择合适相位的波通过谐波产生电路，把产生的高次谐波注入到另一个旋转行波振荡器中，使得第二个旋转行波振荡器在更高的频率振荡。为了提高注入锁定的范围，采用多个能量注入的方式，同时多个能量注入的相位也需要合理的选择。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实现多能量注入锁定的旋转行波振荡器。

本发明提出的多能量注入锁定的旋转行波振荡器，包括：至少一个产生基频的旋转行波振荡器，至少一个注入锁定旋转行波振荡器，至少一个谐波生成网络，至少一个负阻抗网络，至少一个电压控制的变容器；所述产生基频的旋转行波振荡器分布于外圈，其具有两根传输线，所述两根传输线通过交叉连接的方式形成反馈回路；注入锁定旋转行波振荡器设置于内圈，其具有两根传输线，所述两根传输线通过交叉连接的方式形成反馈回路；具体的电路是：负阻抗网络1耦合在外圈的两根传输线上；电压控制变容器2耦合在外圈的两根传输线上；谐波生成网络3的输入端耦合在产生基频的旋转行波振荡器的两个外圈的传输线上，其输出端耦合在注入锁定旋转行波振荡器4的能量注入的负阻产生网络上。 

本发明中，所述负阻抗网络由至少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至少有一个电压控制的端口，至少有两个电容的输出端口。

本发明是为了解决高振荡频率的问题，同时实现高功率的输出。外围的旋转行波振荡器首先振荡在微波频段，但是这个振荡的输出频率还不能满足需求。为了实现更高频率的振荡的，在这个旋转行波振荡器的不同位置耦合谐波生成网络。在不同位置耦合的谐波生成网络通过输入的差分信号产生需要的高次谐波。不同的谐波生成网络可以生成不同的谐波，产生的谐波注入到内圈的某个旋转行波振荡器中。例如利用最简单的二次谐波产生电路，把产生的二次谐波的能量注入到另一个旋转行波振荡器中，那么第二个旋转行波振荡器的振荡频率就是第一个的两倍。

对于注入锁定的振荡器，重要的是振荡器的锁定范围。对于单个能量注入的振荡器其锁定的范围为：

 。

其中是振荡器的在没有注入能量的情况下自由振荡的频率。Q是振荡器的振荡品质因子，表示一个周期内振荡器存储的能量和消耗能量的比值。是注入到谐振腔的电流，是谐振腔内的电流。从这个式子中可以看到增加注入谐振腔电流越大，锁定的范围就越大，振荡器的品质因数越低，振荡器自由振荡的频率越高，得到锁定范围就比较大。虽然振荡器的品质因数减小可以提高锁定范围。但是对于振荡器，振荡信号的相位噪声为：

   。