一种毫米波注入锁定二倍频器

1.本发明涉及射频集成技术领域，尤其涉及一种应用于频率综合器的毫米波注入锁定二倍频器。


背景技术：

2.倍频器在锁相环(phase locked loop，pll)中，扮演着极为重要的角色，且在无线通讯系统中亦是关键电路。目前毫米波锁相环大部分都采用低频的锁相环级联一个倍频器。这样可以使本振的相噪和功耗有一个很好的折中，同时用倍频器还能避免振荡器谐振腔的注入牵引现象。传统倍频器锁定范围比较窄，一般在8％左右，致使其应用范围很有限。实现宽锁定范围的方法主要有减小lc谐振腔的q值和增加二次谐波的注入效率，但减小lc谐振腔的q值，会降低谐振腔的并联电阻值，从而需要增加负阻管尺寸，增加功耗。而增加二次谐波的注入效率需要单独优化注入级电路，使得电路结构变得复杂。因此，拓展注入锁定二倍频器的分频范围是设计出优质高频倍频器的重要条件之一。
3.文献“m.c.chen and c.y.wu.design and analysis of cmos subharmonic injection-locked frequency triplers.ieee transactions on microwave theory and techniques[j],2008,56(8):1869
–
1878.”采用mos直接注入的结构，由mos管直接注入到谐振腔，其漏极产生高次谐波牵引并锁定谐振腔频率。这种使用mos管直接注入的方式虽然结构简单，但需要极大的功耗，并且无法优化注入管，使得注入信号无法增大，从而无法增大锁定范围。
[0004]
文献“h.jia and l.kuang."a w-band injection-locked frequency doubler based on top-injected coupled resonator[j].in:2016ieee transactions on microwave theory and techniques.210
–
218.”采用基于顶部注入耦合谐振器的方式实现w波段注入锁定倍频器。将二次谐波电流从顶部注入，虽然避免了源级退化问题，但是该电路设计较为复杂且对q值要求很高，这在一定程度上增加了电路功耗且无法进一步增大电路的锁定范围。


技术实现要素：

[0005]
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种具有宽范围的毫米波注入锁定二倍频器，以解决现有技术的注入锁定二倍频器结构的锁定范围较小的问题。
[0006]
技术方案：为实现上述发明目的，本发明的一种具有宽范围的毫米波注入锁定二倍频器包括互补推-推二倍频产生电路和注入锁定振荡器两个部分，互补推-推二倍频产生电路与注入锁定振荡器直接耦合；注入基波信号通过互补推-推二倍频产生电路和注入锁定振荡器的正极输入端和负极输入端注入，注入基波信号通过互补推-推二倍频产生电路产生谐波分量，然后直接耦合到注入锁定振荡器，注入锁定振荡器锁定互补推-推二倍频产生电路产生的谐波信号，产生倍频输出信号。
[0007]
所述互补推-推二倍频产生电路包括第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos
管、第五mos管和第六mos管；第一mos管和第二mos管的栅极接负极输入端,第三mos管和第四mos管的栅极接正极输入端；第一mos管和第四mos管的漏极接第一电感的一端，第二mos管和第三mos管的漏极接第一电感的另一端；第一mos管和第四mos管的源极接第六mos管的栅极，第二mos管和第三mos管的源极接第五mos管的栅极。
[0008]
所述互补推-推二倍频产生电路采样完全对称的结构，因此能使第一mos管的源、漏极的信号电压摆幅大致相等。
[0009]
所述注入锁定振荡器由第一电感、第一可调电容、第二可调电容、调谐电压、第七mos管和第八mos管构成；第七mos管的漏极和第八mos管的漏极分别与第一可调电容和第二可调电容连接；第八mos管的栅极与第七mos管的漏极连接，第七mos管的栅极与第八mos管的漏极连接；第七mos管和第八mos管的源极都与地连接，其中第七mos管和第八mos管用于负阻补偿。
[0010]
所述注入锁定振荡器，当注入锁定振荡器锁定而该频点处注入锁定振荡器相位不为零时，外部电路的互补推-推二倍频产生电路必须提供足够的相位来补偿流入注入锁定振荡器总电流与注入锁定振荡器自由电流之间的相位差，使锁定发生；流入注入锁定振荡器总电流与注入锁定振荡器自由电流之间的相位差与注入锁定振荡器阻抗的相位有关，所以调节注入锁定振荡器使得注入锁定振荡器阻抗足够平坦能够加宽注入锁定二倍频器的锁定范围。
[0011]
所述注入锁定振荡器，流入注入锁定振荡器中的总电流可视为由注入锁定振荡器的自由振荡电流与注入电流矢量相加得到的，矢量总电流与注入锁定振荡器自由电流间的角度即注入锁定振荡器输入阻抗的相位；在固定功率的注入信号下，互补推-推二倍频电路产生的电流为固定数值，注入锁定振荡器自由电流与互补推-推二倍频电路产生的电流合成的总电流的最大角度决定了锁定范围；增大注入锁定振荡器的外部注入信号功率可以加宽注入锁定振荡器的工作带宽，通过直接耦合的方式增大注入信号功率。
[0012]
所述输出的信号频率为注入基波信号频率的2倍。
[0013]
有益效果：本发明具有宽范围的毫米波注入锁定二倍频器与现有技术相比，其有益效果是：
[0014]
1、解决了传统的注入锁定倍频器在输入功率较小时锁定范围较窄的问题，提供一种低输入灵敏度的毫米波注入锁定倍频器，使得在输入功率较小时，倍频器仍具有较宽的锁定范围；
[0015]
2、本发明利用mos管提供额外相位补偿，在给定的频率偏移量下，注入锁定二倍频器会在远离锁定边缘的地方工作，并且通过直接耦合的方式增加了注入信号的功率，从而扩大锁定范围，可以实现超宽范围的锁定。
附图说明
[0016]
图1是基本注入锁定电路原理图；
[0017]
图2是lc谐振腔的电流矢量合成图；
[0018]
图3是本发明的互补推-推二倍频电路原理图；
[0019]
图4是本发明的具有宽锁定范围的毫米波注入锁定倍频器。
[0020]
图中有：第一电感l1，第一mos管m1，第二mos管m2，第一可调电容c1；第二电感l2，
第二电感l3、第二可调电容c2、第三mos管m3、第四mos管m4、、第五mos管m5、第六mos管m6、第七mos管m7、第八mos管m8、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电容c3、第四电容c4、正极输入端f
in
，负极输入端f
in-，正极输出端f
out
，负极输出端f
out-，电源电压vdd。
具体实施方式
[0021]
下面结合具体实施方式和附图对本发明技术方案进行详细说明。
[0022]
如图1所示，基本注入锁定电路原理图，其电路结构包括：l1、c1代表谐振腔的电感和电容，r
p
为l1的寄生电阻，电流源i
inj
代表外部注入到谐振腔的信号(二倍频信号)，i
osc
代表自由谐振电流，i
t
为i
inj
和i
osc
的矢量叠加，ω
inj
为外部注入到谐振腔的信号频率。
[0023]
如图2所示，lc谐振腔的电流矢量合成图，其电路结构包括：外部注入到谐振腔的信号i
inj
、自由谐振电流i
osc
，i
t
为上述两个电流的矢量叠加，为矢量i
t
与矢量i
osc
间的角度，θ为矢量i
inj
与矢量i
osc
间的角度。在固定功率的注入信号下，||i
inj
||为固定数值，i
osc
与i
inj
合成的i
t
的最大角度决定了锁定范围。因此，增大注入信号功率可以加宽注入锁定二倍频器工作带宽。锁定范围表达式如下：
[0024][0025]
其中ω0为注入锁定振荡器的自由振荡频率，q为其对应lrc网络的q值，其中q值可以反映相频特性。
[0026]
如图3、4所示，本发明的一种宽锁定范围的毫米波注入锁定二倍频器，其电路结构包括：一个互补推-推二倍频产生电路1、一个注入锁定振荡器2以及输出缓冲级3。
[0027]
互补推-推二倍频产生电路1与注入锁定振荡器2直接耦合；注入基波信号通过互补推-推二倍频产生电路1和注入锁定振荡器2的正极输入端f
in
和负极输入端f
in-注入，注入基波信号通过互补推-推二倍频产生电路1产生谐波分量，然后直接耦合到注入锁定振荡器2，注入锁定振荡器2锁定互补推-推二倍频产生电路1产生的谐波信号，产生倍频输出信号。互补推-推二倍频电路1用于产生二倍频谐波信号，注入锁定振荡器用于锁定谐波发生器产生的谐波信号。注入的互补推-推二倍频电路1产生谐波分量，然后通过直接耦合到注入锁定振荡器2，实现倍频。互补推-推二倍频产生电路1包括第一mos管m1、第二mos管m2、第三mos管m3和第四mos管m4、第一mos管m1的栅极和第三mos管m3的栅极接负极输入端f
in-，第二mos管m2的栅极和第四mos管m4的栅极接正极输入端f
in
。第一mos管m1与第四mos管m4的漏极输出所述预设频率的二次谐波分量。
[0028]
注入锁定振荡器2，包括第一耦合电感l1、第一电容c1、第二电容c2、第七mos管m7、第八mos管m8。其中第七mos管m7和第八mos管m8是负阻补偿作用。当谐振腔锁定而该频点谐振腔相位不为零时，外部电路(即互补推-推二倍频产生电路)必须提供足够的相位来补偿流入谐振腔总电流与自由谐振腔电流之间的相位差，使锁定发生。根据矢量分析，易知流入谐振腔总电流与自由谐振腔电流之间的相位差与谐振腔阻抗的相位有关，所以调节谐振腔使得谐振腔阻抗足够平坦能够加宽注入锁定二倍频器的锁定范围。
[0029]
流入谐振腔中的总电流可视为由振荡器的自由振荡电流与注入电流矢量相加得到的，矢量总电流与自由谐振腔电流间的角度即为lc谐振腔输入阻抗的相位。在固定功率
的注入信号下，互补推-推二倍频电路产生的电流为固定数值，自由谐振腔电流与，互补推-推二倍频电路产生的电流合成的总电流的最大角度决定了锁定范围。因此，增大注入信号功率可以加宽注入锁定二倍频器工作带宽。因此该设计也是基于此思想，通过直接耦合的方式增大注入信号功率。
[0030]
本实施例的互补推-推二倍频产生电路1包括：第一mos管m1、第二mos管m2、第三mos管m3、第四mos管m4。谐波产生电路将输入的基频信号利用第一mos管m1和第四mos管m4的非线性在第一mos管m1、第四mos管m4的漏极产生二次谐波信号，经过电容的隔直作用，第一mos管m1的漏极电流id(t)可表示成如下形式
[0031][0032]
其中，ω
inj
为注入信号的频率,kn＝μ
ncox
wn/ln和k
p
＝μ
pcoxwp
/l
p
，c
ox
为单位面积的栅极电容，wn/ln和w
p
/l
p
分别为nmos和pmos管对应沟道的宽长比，μn和μ
p
分别为电子和空穴的迁移率，a为差分输入信号的幅度。
[0033]
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。