CN106059576B - 一种双频振荡器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种单频锁相环实现双频振荡器的设计方法，涉及微波技术领域。所述单频锁相环实现的双频振荡器包括两个单频振荡器、一个锁相环、一个环路滤波器，结合锁相环和注入锁定技术同时实现两个频率的锁定以获得稳定的双频振荡信号，实现简便。所述双频振荡器设计方案的特点在于使用单频锁相环实现多频锁定，降低模块复杂度、简化***结构。所述双频振荡器***具有频率灵活性，适用于复杂通信***，为其提供高质量的载波。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种单频锁相环实现双频振荡器的设计方法。
背景技术
随着现代通信***的高速发展，频谱资源愈发拥挤，现代无线通信***需要具有频率灵活性，对于复杂通信***而言，开发能同时工作在两个乃至多个频段的微波器件能够缩小其电路面积，降低电路成本，有利于***集成，适应于小型化轻型化高性能的***发展趋势。因此，微波器件的双频工作成为当前微波领域的热点课题之一。振荡器是微波通信***的关键部件，在现代通信***的多模/多频模式下，双频振荡器的研制对***整体性能起着至关重要的作用。
文献“Design of a dual frequency oscillator for simultaneous multi-band radio communication on a multi-layer liquid crystalline polymersubstrate(Bavisi A,Sundaram V,Swaminathan M,et al.，2006IEEE Radio andWireless Symposium.2006:431-434.)”报道了一个共基型负阻振荡器，采用一个二阶谐振器和一个四阶谐振器产生两个谐振频率，利用多层液晶聚合物基片研制的无源器件对振荡器进行双频稳频，由于依靠液晶聚合物材料以及薄片工艺实现的有限Q值进行稳频，其相噪性能较差，成本较高。
文献“Concurrent dual-frequency oscillators and phase-locked loops(Goel,A.,Hashemi,H.,IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2008,56(8):1846-1860.)”将有源器件与四阶谐振回路并联设计的双频振荡器，并通过双环锁相环将双频振荡器振荡频率分别锁定。该结构在设计双频振荡器的同时还需要设计双环锁相环，在两个外部参考信号下实现双频的锁定，实现方法较复杂。
文献“A distributed dual-band LC oscillator based on mode switching(LiG,Afshari E.,IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2011,59(1):99-107.)”报道了一种低相噪、分布式、可切换的双频LC振荡器，通过切换两个耦合式LC振荡器中的耦合电容来实现奇模和偶模的切换。虽然振荡器的调谐范围可达几个倍频程，但是该振荡器使用开关来实现两个频率的切换，不能同时提供两个频率的输出信号。
国外方面对于双频振荡器的研究主要集中在探讨双频输出的可能性，分析有源器件非线性特性以及谐振电路阶数对双频振荡器的稳定性影响等方面，国内方面对于双频振荡器的研究还较少，因此在现代通信***多模/多频需求下，对结构简单、输出频率灵活、具有高度稳定性的双频振荡器的研制具有重要意义。
发明内容
针对现有技术，本发明的目的在于提供一种单频锁相环实现双频振荡器的设计方法。通过适当设置单频振荡器的工作频率，使之能够满足所需双频输出；通过适当设计锁相环结构，将其中一个振荡器的输出利用注入锁定技术将另一个振荡器锁定，使该振荡器的频谱体现前者的频谱变化规律，进一步将该输出信号输入锁相环，再用锁相环产生的控制信号锁定前者振荡器，进而使两个振荡器的相位锁住，从而提供稳定的双频信号。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种单频锁相环实现双频振荡器的设计方法，所述双频振荡器的原理拓扑如图1所示，所述设计方法包括以下步骤：
步骤1、确定所需双频信号的工作频率fo1，fo2；
步骤2、确定第一振荡器1和第二振荡器2的工作频率f1与f2，使其满足mf1≈nf2,其中m，n为谐波阶数，与有源器件的非线性有关；且所述双频振荡器的工作频率fo1，fo2均为所述第一振荡器的工作频率f1和第二振荡器的工作频率f2的线性组合；
步骤3、将第一振荡器1的输出信号部分耦合并注入到第二振荡器2中，由注入锁定理论，第一振荡器1的m阶谐波对第二振荡器2的n阶谐波会产生频率牵引，从而使第二振荡器2的工作频率随第一振荡器1的变化而变化，即体现第一振荡器1的频率变化特性；
步骤4、将第二振荡器2的输出信号部分耦合到锁相环中，利用锁相环产生的控制信号锁定第一振荡器1；
步骤5、将第一振荡器1锁定后的部分输出信号注入到第二振荡器2中，由于第一振荡器1已被锁定，故第二振荡器2也会被锁定；
步骤6、经锁定后的第一振荡器1和第二振荡器2，在非线性作用下产生混频，进而可得所需的双频信号fo1、fo2；
步骤7、通过谐波调控原理控制谐波功率的大小，在所需谐波频率fo1、fo2处获得所需的功率输出；
经过上述七个步骤，所述方法完成单频锁相环实现双频振荡器的锁定。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述单频锁相环实现双频振荡器的设计方法，采用两个单频振荡器即可获得任意双频高质量信号，设计简单，灵活性高，适用于现代微波通信***的本振设计。
(2)本发明所述单频锁相环实现双频振荡器的设计方法中，单频振荡器的工作频率选取具有灵活性。
(3)本发明所述单频锁相环实现双频振荡器的设计方法中，用单频锁相环结合注入锁定理论实现多频锁定，降低了模块复杂度、简化了***结构，方法简单，同时易于控制调节。
附图说明
图1本发明所述单频锁相环实现双频振荡器的原理拓扑图。
图2本发明所述单频锁相环实现双频振荡器的实施例原理拓扑图
具体实施方式
实施例
本实施例提供的基于本发明所述设计方法而得的双频振荡器的原理拓扑如图2所示，两个单频振荡器的自由振荡频率分别为f1≈2.4GHz与f2≈1.8GHz，振荡器1的信号部分注入到振荡器2中，根据注入锁定理论，振荡器1的三次谐波波对振荡器2的四次谐波产生频率牵引，使振荡器2的工作频率随振荡器1的工作频率变化，进一步将振荡器2的部分信号耦合到锁相环中，由于振荡器2在频率牵引作用下能反映振荡器1的工作状态，因此振荡器2耦合到锁相环的信号能够产生相应的控制信号，经环路滤波后输入到振荡器1中将其振荡频率锁定在2.4GHz处。此时振荡器1的振荡频率为f1-locked＝2.4GHz。根据注入锁定理论，振荡器1的输出信号部分注入到振荡器2中，在有源器件的非线性作用下，振荡器1的三次谐波波将会对振荡器2的四次谐波产生频率牵引并最终将振荡器2的四次谐波频率锁定在振荡器1的三次谐波频率处，即4f2-locked＝7.2GHz，相应地，振荡器2被锁定，即有f2-locked＝1.8GHz。在振荡器的非线性作用下，所述双频振荡器的混频信号中包含有频率为f1-locked以及f1-locked+2f2-locked的频谱分量，通过谐波调控原理控制其功率大小，在所需谐波频率f1-locked、f1-locked+2f2-locked处获得适当的功率输出，从而得到稳定的双频信号fo1＝f1-locked＝2.4GHz、fo2＝f1-locked+2f2-locked＝6GHz。
需要说明的是，本实施例中所输出双频信号为fo1＝2.4GHz、fo2＝6GHz，该实施例同样可实现mf1-locked±nf2-locked的频率输出，即经过有源器件非线性混频后的任意谐波分量。同时，在能满足所需谐波输出的前提下，单频振荡器的自由振荡频率只要满足mf1≈nf2也能实现所需双频信号。单频振荡器的振荡频率选择具有灵活性，同样双频输出信号也具有灵活性。
Claims (2)
1.一种双频振荡器的设计方法，具体包括以下步骤：
步骤1、确定所需双频信号的工作频率fo1，fo2；
步骤2、确定第一振荡器(1)和第二振荡器(2)的工作频率f1与f2，使其满足mf1≈nf2,其中m，n为谐波阶数；且所述双频振荡器的工作频率fo1，fo2均为所述第一振荡器的工作频率f1和第二振荡器的工作频率f2的线性组合；
步骤3、将第一振荡器(1)的输出信号部分耦合并注入到第二振荡器(2)中，由注入锁定理论，第一振荡器(1)的m阶谐波对第二振荡器(2)的n阶谐波会产生频率牵引；
步骤4、将第二振荡器(2)的输出信号部分耦合到锁相环中，利用锁相环产生的控制信号锁定第一振荡器(1)；
步骤5、将第一振荡器(1)锁定后的部分输出信号注入到第二振荡器(2)中，实现第二振荡器(2)的锁定；
步骤6、经锁定后的第一振荡器(1)和第二振荡器(2)，在非线性作用下产生的混频信号中即包含所需的双频信号fo1、fo2；
步骤7、通过谐波调控原理控制谐波功率的大小，在所需谐波频率fo1、fo2处获得所需的功率输出。
2.根据权利要求1所述的双频振荡器的设计方法，还包括以下步骤：所述锁相环与第一振荡器(1)之间通过一个环路滤波器连接。
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