CN115051650B - S波段倍频带低相噪的压控振荡器及信号发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种S波段倍频带低相噪的压控振荡器及信号发生装置，属于电路设计技术领域，耦合谐振腔网络，包括第一耦合谐振器、第二耦合谐振器，第一耦合谐振器、第二耦合谐振器在调谐电压控制下产生不同谐振频率信号；晶体管，晶体管的发射极分别连接至第一耦合谐振器、第二耦合谐振器的输出端，用于放大谐振频率信号；宽带负阻网络，与晶体管基极连接，用于在调谐频带上产生均匀或恒定的负阻。本发明耦合谐振腔网络提供需要的振荡频率，负阻网络与晶体管的基级耦合，提供了在整个通频带内均匀变化的负阻阻值，从而保证VCO能够在整个S波段都能维持稳定振荡的同时保持良好的噪声性能。

Description

S波段倍频带低相噪的压控振荡器及信号发生装置

技术领域

本发明涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种S波段倍频带低相噪的压控振荡器及信号发生装置。

背景技术

压控振荡器(VCO)指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，输出信号的大小取决于压控振荡器电路的设计，工作频率由提供输入信号的谐振器决定；时钟产生和时钟恢复电路通常使用锁相环(PLL)内的VCO作为外部参考生成时钟，因此，VCO对锁相环的性能至关重要。锁相环在无线网络中尤为重要，因为其使通信设备能够快速锁定通信所传输的载波频率。

压控振荡器的动态工作范围和噪声性能可能会限制或影响锁相环本身的性能，进而影响具备锁相环的器件的性能，例如射频收发器、手机、调制解调器卡等设备性能均会受压控振荡器性能的影响。VCO的宽带可调性是VCO设计中要考虑的最基本的性能之一，与所使用的技术和拓扑结构有关。谐振腔的动态时间平均品质因子(Q因子，一般与VCO的工作频率范围成反比)以及调谐二极管的噪声影响压控振荡器的噪声性能。

当前射频技术的发展对VCO设计提出了更高的要求：低相位噪声、低功耗和宽频率调谐范围尽管VCO技术不断改进，但低相位噪声通常仍然是一个瓶颈，现有技术主要存在以下缺陷和不足：

1.从调谐带宽来看，现有基于LC谐振器的VCO还未有调谐范围覆盖整个S 波段的，而基于YIG谐振器的VCO虽然能达到较宽的调谐范围，但成本高且体积大，对于当今小型化的需求存在一定弊端；

2.从相噪来看，如今工作在S波段附近，带宽较宽的VCO的相噪水平普遍在-80dBc/Hz@10kHz左右，相噪水平仍待提高。

综上，一种倍频带、低相噪的压控振荡器的发明就显得很有必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供了一种S波段倍频带低相噪的压控振荡器及信号发生装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种S波段倍频带低相噪的压控振荡器，所述压控振荡器包括耦合谐振腔网络、石英晶体即晶体管和宽带负阻网络。

其中，耦合谐振腔网络包括第一耦合谐振器、第二耦合谐振器，第一耦合谐振器、第二耦合谐振器在调谐电压控制下产生不同谐振频率信号。具体地，调谐电压由输出电压可调的电源模块或装置提供，其取值为0V-20V。两个耦合谐振器用于产生谐振频率，可以为LC振荡器、RC振荡器等，且在不同调谐电压激励下会产生不同的谐振频率。优选地，第一耦合谐振器、第二耦合谐振器采用相同谐振器，在相同调谐电压激励下产生相同的谐振频率。

晶体管的发射极分别连接至第一耦合谐振器、第二耦合谐振器的输出端，用于放大谐振频率信号，VCO工作频率由晶体管的集电极输出。具体地，本发明VCO选用并行发射极晶体管进行放大，两个完全一致的调谐网络(耦合谐振器)耦合到并行发射极晶体管的两个发射极，两个等幅反相的振荡频率对奇数模进行抑制，偶次模进行叠加，可以实现输出频率在基频的两倍范围内可调，增加了调谐频率的范围。

宽带负阻网络，与晶体管基极连接，用于在谐振腔的整个通频带保持恒定的电阻，具体地，在通过调谐电压改变耦合谐振腔网络的振荡频率从而改变VCO 工作频率的同时，负阻网络在调谐频带上产生均匀或恒定的负阻，从而保证VCO 能够在整个S波段都能维持稳定振荡的同时保持良好的噪声性能。

在一示例中，根据负阻电路(宽带负阻网络)的振荡原理，该电路的起振条件为：

R_IN+R_L＜0

其中，R_IN表示输入阻抗实部；R_L表示负载阻抗实部；振荡平衡的条件为：

R_IN＝-R_L，且X_IN＝-X_L

其中，X_IN表示输入阻抗虚部；X_L表示负载阻抗虚部。而在实际应用中，通常需要满足：

R_L＝-R_IN/3

而要在一个较宽的通频带内使电路的负阻满足起振条件，是当下宽带VCO 设计的一个难点。本发明1.6G-4.1G频段的阻抗计算公式为：

Zin＝Vin/Iin

其中，Vin表示输入电压；Iin表示输入电流；将三极管电路进行交流等效后得到：

Zin＝[(1+β)X_cX_vr+h_ie(X_c+X_vr)]/X_c+h_ie

其中，β为表征三极管电流放大能力的参数；Xc为负阻电路的等效容抗； X_vr为变容二极管的等效容抗；h_ie为晶体管输出端交流短路时的输入电阻，用于反映输出电压Uce不变时，基极电压对基极电流的控制能力。当X_c＜＜h_ie时有：

Zin≈(1+β)/h_ie*X_cX_vr+(X_c+X_vr)＝-gm/ω2C*C_vr+1/jω(C*C_vr/(C+C_vr))

R_IN＝-gm/ω²C*C_vr,X_IN＝1/jω(C*C_vr/(C+C_vr))

其中，gm表示晶体管输入电压对输出电流的控制能力即放大作用；C为负阻电路的等效电容；C_vr为变容二极管的等效电容。通过计算得到满足1.6G-4.1G 频段的阻抗后，使负载阻抗和输入阻抗满足起振条件，进而基于电容、电感构建满足1.6G-4.1G频段所需阻抗的负阻电路。作为一优选，宽带负阻网络电感 L9，电感L9一端连接有接地电容C10，另一端连接有接地电容C11，且电感L9、接地电容C10之间连接有电感L10，电感L10另一端连接有接地电容C12，L9、 L10、C10、C11、C12的取值具体以满足1.6G-4.1G频段所需阻抗为准，并在能够满足阻抗需求的条件下，尽量加大电容的取值，降低相位噪声。

在一示例中，所述压控振荡器还包括滤波网络，用于对调谐电压进行滤波处理，以滤除调谐电压中的杂波信号，提高了VCO的抗干扰能力。

在一示例中，所述滤波网络为LC滤波电路。作为一优选项，LC滤波电路包括第一LC滤波子电路和第二LC滤波子电路，调谐电压分别经第一LC滤波子电路、第二LC滤波子电路进行滤波处理后对应输入至第一耦合谐振器、第二耦合谐振器。具体地，第一LC滤波子电路包括顺次连接的电感L6和电感L5，电感L6和电感L5之间连接有接地电容C7，电感L5另一端(远离电感L6的一端)连接有接地电容C6。第二LC滤波子电路包括顺次连接的电感L8和电感L7，电感L8和电感L7之间连接有接地电容C9，电感L7另一端(远离电感L8 的一端)连接有接地电容C8。

在一示例中，所述第一耦合谐振器、第二耦合谐振器均为LC振荡器，谐振频率f满足：

其中，L表示振荡器的电感值；C表示振荡器的电容值。

在一示例中，所述LC振荡器包括两个并联连接的变容二极管，两个变容二极管间设有微带线，微带线与一变容二极管之间引出LC振荡器的输出端。本示例中，采用并联连接的两个变容二极管，能够提高变容二极管的容值变化范围，进而拓宽VCO的调谐频率范围，覆盖整个S波段。

在一示例中，所述LC振荡器中两个变容二极管的规格相同，此处规格即表示变容二极管的性能参数，包括二极管的容值等。本示例中，采用两个相同变容二极管并联之后的Q值与单个变容二极管的Q值相同，不会恶化相位噪声，实现低噪输出。

在一示例中，所述微带线为弧形微带线。此时，由两个并联连接的变容二极管及微带线构成的LC振荡器的模型表达式为：

此时F因子表示为：

上述两式中，Δω表示角频率变化量；T表示温度；R表示LC振荡器中的损耗电阻；V₀表示输出电压；Q表示谐振腔的动态时间平均品质因子；ω₀表示初始角频率；I_T表示尾电流；g_m,tail表示尾电流源晶体管跨导；γ表示晶体管噪声系数。在谐振网络中，电感的Q值比MIM电容和变容二极管的Q值要低的多，所以谐振网络(耦合谐振腔网络)中的Q值大小主要由螺旋电感决定，因此要提高谐振网络的Q值，就要尽可能的选取高Q值的电感，本示例中通过一段弧形微带线得到的等效电感进行谐振，有效提高了电感的Q值。

在一示例中，第一耦合谐振器、第二耦合谐振器采用相同规格的变容二极管和微带线，此时调谐电压到两个谐振器再到晶体管发射极的电路完全镜像，所以在Vt变化过程中两个谐振器的输出完成相同，保证了信号耦合的效率。

在一示例中，所述压控振荡器还包括输出匹配网络，与晶体管集电极连接，进而在输出匹配网络的输出端得到稳定的工作频率。

在一示例中，所述输出匹配网络包括用于使晶体管输出端与后级匹配的第一电容，以及与压控振荡器输出端阻抗匹配的电容和电感。作为一优选，输出匹配网络包括顺次连接的电容C3、电阻R1、电容C2、电容C1，电阻R1、电容C2之间设有接地电感L2，电容C2、电容C1之间设有接地电感L1。其中， C3用于晶体管输出端与后级的匹配，同时用于隔直。C1、C2、L1、L2为了考虑到实际工程中的误差，对输出端阻抗线进行匹配。

在一示例中，所述压控振荡器还包括直流供电网络，与宽带负阻网络、晶体管的基极连接。作为一优选，直流供电网络的电压VCC顺次连接有电阻R2、电阻R3，电阻R3另一端与宽带负阻网络连接；电阻R2、电阻R3之间还连接有接地电容C4，同时电阻R2、电阻R3还连接有电感L3，电感L3的一端连接至接地电容C4一侧，电感L3另一端连接有接地电容C5，电感L3与电容C5 之间连接至晶体管集电极。

本发明还包括一种信号发生装置，所述装置包括上述任一示例或多个示例组成形成的压控振荡器，用于生成特定频率信号。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

1.在一示例中，本发明耦合谐振腔网络提供需要的振荡频率，负阻网络与晶体管的基级耦合，提供了在整个通频带内均匀变化的负阻阻值，从而保证VCO 能够在整个S波段都能维持稳定振荡的同时保持良好的噪声性能。

2.在一示例中，通过滤波网络滤除调谐电压中的杂波信号，提高了VCO的抗干扰能力。

3.在一示例中，采用并联连接的两个变容二极管，能够提高变容二极管的容值变化范围，进而拓宽VCO的调谐频率范围，覆盖整个S波段。

4.在一示例中，采用两个相同变容二极管并联之后的Q值与单个变容二极管的Q值相同，不会恶化相位噪声，实现低噪输出。

5.在一示例中，基于弧形微带线得到的等效电感进行谐振，有效提高了电感的Q值。

6.在一示例中，采用相同规格的谐振器，能够在调谐电压变化时输出完成相同谐振频率至晶体管发射极，保证了信号耦合效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一示例中的***框图；

图2为本发明一示例中的耦合谐振腔网络及滤波网络的电路原理图；

图3为本发明一示例中的宽带负阻网络及直流供电网络的电路原理图；

图4为本发明一示例中的输出匹配网络的电路原理图；

图5为本发明一示例中的噪声测试图；

图6为本发明另一示例中的噪声测试图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用序数词(例如，“第一和第二”、“第一至第四”等)是为了对物体进行区分，并不限于该顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

一种S波段倍频带低相噪的压控振荡器，其优选示例如图1所示，包括耦合谐振腔网络、NPN型晶体管、宽带负阻网络、滤波网络、输出匹配网络和直流供电网络。

如图2所示，耦合谐振腔网络包括电路结构相同的第一耦合谐振器、第二耦合谐振器。第一耦合谐振器包括并联连接的第一变容二极管VR1、第二变容二极管VR2，且第一变容二极管VR1的阴极与第二变容二极管VR2的阴极间设有第一弧形微带线，第一弧形微带线与第二变容二极管VR2的阴极之间连接至晶体管的发射极；第二耦合谐振器包括并联连接的第三变容二极管VR3、第四变容二极管VR4，且第三变容二极管VR3的阴极与第四变容二极管VR4的阴极间设有第二弧形微带线，第二弧形微带线与第四变容二极管VR4的阴极之间连接至晶体管的发射极。

进一步地，如图2所示，滤波网络为LC滤波电路，包括第一LC滤波子电路和第二LC滤波子电路。第一LC滤波子电路包括顺次连接的电感L6和电感 L5，电感L6和电感L5之间连接有接地电容C7，电感L5另一端(远离电感L6 的一端)连接有接地电容C6；第二LC滤波子电路包括顺次连接的电感L8和电感L7，电感L8和电感L7之间连接有接地电容C9，电感L7另一端(远离电感 L8的一端)连接有接地电容C8。调谐电压Vt分别经第一LC滤波子电路、第二LC滤波子电路进行滤波处理后加载至四个变容二极管上，四个变容二极管规格参数相同。

进一步地，如图3所示，宽带负阻网络电感L9，电感L9一端连接有接地电容C10，电感L9另一端连接有接地电容C11，且电感L9、接地电容C10之间连接有电感L10，电感L10另一端连接有接地电容C12，且电容L9、接地电容C11之间连接至晶体管的基极。

进一步地，如图3所示，直流供电网络的电压VCC顺次连接有电阻R2、电阻R3，电阻R3另一端与接地电容C10连接；电阻R2、电阻R3之间还连接有接地电容C4，同时电阻R2、电阻R3还连接有电感L3，电感L3的一端连接至接地电容C4一侧，电感L3另一端连接有接地电容C5，电感L3与电容C5 之间连接至晶体管的集电极。

进一步地，如图4所示，输出匹配网络包括顺次连接的电容C3、电阻R1、电容C2、电容C1，电容C3另一端与晶体管的集电极连接，电阻R1、电容C2 之间设有接地电感L2，电容C2、电容C1之间设有接地电感L1，从电容C1端输出VCO的工作频率。其中，C3用于晶体管输出端与后级的匹配，同时用于隔直。C1、C2、L1、L2为了考虑到实际工程中的误差，对输出端50Ω阻抗线进行匹配。

本示例中，通过改变调谐电压Vt改变变容二极管的容值，从而改变谐振器的谐振频率，进而改变VCO工作频率的同时，负阻网络在调谐频带上产生均匀或恒定的负阻，搭配上述马蹄型谐振腔结构，设计了一款1.6G-4.1G即覆盖整个 S波段，并且相噪能够达到-90dBc/Hz@10kHz的压控振荡器。

采用rogers5880印制板制备上述VCO，印制板的厚度0.8mm。根据上述原理和布局，设计出的实际电路测试结果如下：

当Vt电压为0V时，输出1.599GHz的频率，谐波抑制＜15，输出功率4.1dBm；当Vt电压为18V时，输出频率4.195GHz，谐波抑制＜40，输出功率2.1dBm。在电压增加过程中，频率逐步提高，谐波抑制逐步提高，输出功率逐渐降低。根据噪声测试图图5可以看出，该压控振荡器在10KHz偏移处的相位噪声可达到-92.67dBc/Hz，100KHz偏移处的相位噪声可达到-109.50dBc/Hz，1MHz偏移处的相位噪声可达到-128.91dBc/Hz。

在另一示例中，采用与上述示例相同的电路原理，根据

计算出所需输出频率下谐振腔中的变容二极管取值，即振荡器的电感器；根据R_L＝-R_IN/3， X_IN＝-X_L计算出负阻网络中电容和电感的取值，以此实现其他频段输出的压控振荡器。例如一款3GHz-6GHz的压控振荡器。此时当Vt电压为0V时，输出 2.760GHz的频率，谐波抑制＜15，输出功率3.44dBm；当Vt电压为18V时，输出频率6.300GHz，谐波抑制＜20，输出功率-0.9dBm。在电压增加过程中，频率逐步提高，谐波抑制逐步提高，输出功率逐渐降低。基于噪声测试图图6中可以看出，根据相噪计算公式计算压控振荡器在10KHz偏移处的相噪，具体计算公式为：

L(Δω)＝(Pn)dBm-(Psig)dBm-10lg(Δf)

其中，L(Δω)表示输出频率的相位噪声；Pn表示信号的有效功率；Psig 表示频谱仪底噪的有效功率，由图6可知，本示例中(Pn)dBm-(Psig)dBm 的值为54.47dB；Δf表示分辨率带宽，即RES BW，本示例中为1KHz。基于该相噪计算公式可以得出本示例中该压控振荡器在10KHz偏移处的相位噪经计算为-84.47dBc/Hz。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种S波段倍频带低相噪的压控振荡器，其特征在于：所述压控振荡器包括：

耦合谐振腔网络，包括第一耦合谐振器、第二耦合谐振器，第一耦合谐振器、第二耦合谐振器在调谐电压控制下产生不同谐振频率信号；调谐电压为0V-20V；第一耦合谐振器、第二耦合谐振器采用相同谐振器，在相同调谐电压激励下产生相同的谐振频率；

晶体管，晶体管的发射极分别连接至第一耦合谐振器、第二耦合谐振器的输出端，用于放大谐振频率信号；所述晶体管为三极管；

宽带负阻网络，与晶体管基极连接，用于在调谐频带上产生均匀或恒定的负阻；1.6G-4.1G频段的阻抗计算公式为：

Zin≈(1+β)/h_ie*X_cX_vr+(X_c+X_vr)＝-gm/ω2C*C_vr+1/jω(C*C_vr/(C+C_vr))

R_IN＝-gm/ω²C*C_vr,X_IN＝1/jω(C*C_vr/(C+C_vr))

其中，β为表征三极管电流放大能力的参数；h_ie为晶体管输出端交流短路时的输入电阻，用于反映输出电压Uce不变时，基极电压对基极电流的控制能力；Xc为宽带负阻网络的等效容抗；X_vr为变容二极管的等效容抗；gm表示晶体管输入电压对输出电流的控制能力即放大作用；C为宽带负阻网络的等效电容；C_vr为变容二极管的等效电容；R_IN表示输入阻抗实部；X_IN表示输入阻抗虚部；

使负载阻抗和输入阻抗满足起振条件，进而基于电容、电感构建满足1.6G-4.1G频段所需阻抗的宽带负阻网络；

直流供电网络，与宽带负阻网络、晶体管的基极连接；

所述第一耦合谐振器、第二耦合谐振器均为LC振荡器；

所述LC振荡器包括两个并联连接的变容二极管，两个变容二极管间设有微带线；并联连接的变容二极管用于提高变容二极管的容值变化范围，通过微带线得到等效电感；

所述LC振荡器中两个变容二极管的规格相同。

2.根据权利要求1所述的S波段倍频带低相噪的压控振荡器，其特征在于：所述压控振荡器还包括滤波网络，用于对调谐电压进行滤波处理。

3.根据权利要求2所述的S波段倍频带低相噪的压控振荡器，其特征在于：所述滤波网络为LC滤波电路。

4.根据权利要求1所述的S波段倍频带低相噪的压控振荡器，其特征在于：所述微带线为弧形微带线。

5.根据权利要求1所述的S波段倍频带低相噪的压控振荡器，其特征在于：所述第一耦合谐振器、第二耦合谐振器采用相同规格的变容二极管和微带线。

6.根据权利要求1所述的S波段倍频带低相噪的压控振荡器，其特征在于：所述压控振荡器还包括输出匹配网络，与晶体管集电极连接。

7.一种信号发生装置，其特征在于：所述装置包括权利要求1-6任一项所述压控振荡器。

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