基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的信号源的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的信号源，包括:一个锁相环、一个注入锁定振荡器阵列和一个功率合成单元。通过锁相环产生稳定的初始信号，再利用注入锁定压控振荡器中输出信号相位与注入信号相位之间的关系，以锁相环初始信号为注入信号，实现注入锁定振荡器阵列中各输出信号相位的同步，最后利用功率合成单元实现各相位同步信号的功率合成，实现高功率的信号源输出。在本实用新型中，信号源的输出功率不再受单个振荡器输出功率的限制，而是与注入锁定振荡器的个数密切相关，使信号源的输出功率大大提高，为固态太赫兹源的实用化和太赫兹波的研究和推广应用打下坚实基础。
【专利说明】基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的信号源
【技术领域】
[0001]本实用新型属于微电子学【技术领域】，涉及一种基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的信号源。
【背景技术】
[0002]太赫兹(TeraHertz，THz)波是指频率在0.1?1THz (波长0.03_3mm)范围内的电磁波，其波段介于微波与远红外光之间，是电磁波频谱中有待研究的最后一个频谱窗口。太赫兹波结合了微波和红外光波的诸多优点，具有很多特殊的性质，如瞬态性、宽带性、相干性和很好的穿透性等，因此太赫兹频段在医学成像、高速无线通信、雷达遥感探测、反恐缉毒等领域具有重大的应用前景和独特的优势。
[0003]太赫兹源是实现太赫兹应用的瓶颈，基于光子学和真空电子学的太赫兹源具有输出波长短、辐射功率高等优点，在远距离成像和非破坏高穿透波普研究等领域得到应用；但存在所需设备的体积庞大、能耗高、输出稳定性差等缺点，应用领域受到限制。随着半导体工艺的进步和器件性能的快速提高，太赫兹固态分立电路或固态单片集成电路成为实现高稳定、可调谐、小型化太赫兹源的有效方式。但受有源器件击穿电压、最高震荡频率fmax及互连线和衬底损耗等的限制，固态太赫兹源的输出功率较低，通常硅基太赫兹信号源的功率在微瓦级别，已报道的最大功率为lmW，极低的输出功率使固态太赫兹源的应用和推广受到了严重的限制。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的高功率信号源。
[0005]本实用新型包括一个锁相环、一个注入锁定振荡器阵列和一个功率合成单元；锁相环的参考信号输入端作为信号源的参考信号输入端，锁相环的同相输出端接注入锁定振荡器阵列的同相注入端，锁相环的反相输出端接注入锁定振荡器阵列的反相注入端；注入锁定振荡器阵列的各同相输出端接功率合成单元的同相输入端，注入锁定振荡器阵列的各反相输出端接功率合成单元的反相输入端；功率合成单元的同相输出端作为信号源的同相输出端，功率合成单元的反相输出端作为信号源的反相输出端。
[0006]所述注入锁定振荡器阵列包括两个以上注入锁定压控振荡器；各注入锁定振荡器的同相注入端连接作为注入锁定振荡器阵列的同相注入端，各注入锁定振荡器的反相注入端连接作为注入锁定振荡器阵列的反相相注入端；第一注入锁定振荡器的同相输出端作为注入锁定振荡器阵列的第一同相输出端，第一注入锁定振荡器的反相输出端作为注入锁定振荡器阵列的第一反相输出端；第二注入锁定振荡器的同相输出端作为注入锁定振荡器阵列的第二同相输出端，第二注入锁定振荡器的反相输出端作为注入锁定振荡器阵列的第二反相输出端；以此类推；
[0007]所述注入锁定振荡器包括六个NMOS管、四个电感、两个变容管及四根传输线；第一 NMOS管的栅极、第二 NMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极、第六NMOS管的源极、第二变容管的一端及第二电感的一端连接;第二 NMOS管的栅极、第一 NMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极、第五NMOS管的源极、第一变容管的一端及第一电感的一端连接；第三NMOS管的栅极接注入锁定振荡器的同相注入端，第四NMOS管的栅极接注入锁定振荡器的反相注入端；第一 NMOS管的源极与第二 NMOS管的源极、第三NMOS管的源极、第四NMOS管的源极连接并接地；第一电感的另一端与第二电感的另一端相连；第一变容管的另一端与第二变容管的另一端连接，作为注入锁定振荡器的外部电压控制端；第五NMOS管的栅极与第三电感的一端连接，第六NMOS管的栅极与第四电感的一端连接；第三电感的另一端与第四电感的另一端连接，作为注入锁定振荡器的电压偏置端；第五NMOS管的漏极与第一传输线的一端连接，第六NMOS管的漏极与第三传输线的一端连接；第一传输线的另一端与第二传输线的一端连接，作为注入锁定振荡器的同相输出端，第三传输线的另一端与第四传输线的一端连接，作为注入锁定振荡器的反相输出端；第二传输线的另一端与第四传输线的另一端连接，作为注入锁定振荡器的电源输入端；
[0008]所述第一传输线和第三传输线的长度为注入信号波长的二分之一；第二传输线和第四传输线的长度为注入信号波长的四分之一；
[0009]所述功率合成单元包括四根传输线；第五传输线的一端作为功率合成单元的同相输入端；第五传输线的另一端与第六传输线的一端连接，作为功率合成单元的同相输出端；第七传输线的一端作为功率合成单元的反相输入端；第七传输线的另一端与第八传输线的一端连接，作为功率合成单元的反相输出端；第六传输线的另一端、第八传输线的另一端接地；
[0010]所述的第五传输线、第六传输线、第七传输线和第八传输线的长度为输入信号波长的四分之一；
[0011]本实用新型通过锁相环产生稳定的初始信号，再利用注入锁定压控振荡器中输出信号相位与注入信号相位之间的关系，以锁相环初始信号为注入信号，实现注入锁定振荡器阵列中各输出信号相位的同步，最后利用功率合成单元实现各相位同步信号的功率合成，实现高功率的信号源输出。在本实用新型中，信号源的输出功率不再受单个振荡器输出功率的限制，而是与注入锁定振荡器的个数密切相关，使信号源的输出功率大大提高，为固态太赫兹源的实用化和太赫兹波的研究和推广应用打下坚实基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的结构示意图；
[0013]图2为图1中注入锁定振荡器阵列的结构示意图；
[0014]图3为图2中注入锁定振荡器的结构示意图；
[0015]图4为图1中功率合成单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0017]本实用新型包括一个锁相环1、一个注入锁定振荡器阵列2和一个功率合成单元3，如图1所示；锁相环I的参考信号输入端VMf作为信号源的参考信号输入端Vf，锁相环I的同相输出端ν_+接注入锁定振荡器阵列2的同相注入端Viiu.，锁相环I的反相输出端接注入锁定振荡器阵列2的反相注入端ViIU_b ;注入锁定振荡器阵列2的各同相输出端^^^接功率合成单元3的同相输入端Vin+，注入锁定振荡器阵列2的各反相输出端Vwtb，n接功率合成单元3的反相输入端Vin_ ;功率合成单元3的同相输出端Vrat+作为信号源的同相输出端功率合成单兀的反相输出端ν__作为信号源的反相输出端v_TCe;b。
[0018]所述注入锁定振荡器阵列2包括两个以上注入锁定压控振荡器(IL0)4，如图2所示；各注入锁定振荡器ILOn的同相注入端Viiu.+连接作为注入锁定振荡器阵列2的同相注入端Viiy.，各注入锁定振荡器ILOn的反相注入端Viiy__连接作为注入锁定振荡器阵列2的反相相注入端ViIU_b ;第一注入锁定振荡器ILO1的同相输出端Vwt+作为注入锁定振荡器阵列2的第一同相输出端Vrat, i,第一注入锁定振荡器ILO1的反相输出端VOTt_作为注入锁定振荡器阵列2的第一反相输出端Vwtbil ;第二注入锁定振荡器ILO2的同相输出端Vwt+作为注入锁定振荡器阵列2的第二同相输出端Vrat,第二注入锁定振荡器ILO2的反相输出端V。*作为注入锁定振荡器阵列2的第二反相输出端Vtjutbi2 ;以此类推；
[0019]所述注入锁定振荡器4包括六个NMOS管、四个电感、两个变容管及四根传输线，如图3所示；第一 NMOS管MNl的栅极、第二 NMOS管ΜΝ2的漏极、第四NMOS管ΜΝ4的漏极、第六NMOS管ΜΝ6的源极、第二变容管Cvm2的一端与第二电感L2的一端连接；第二 NMOS管丽2的栅极、第一 NMOS丽I管的漏极、第三NMOS管丽3的漏极、第五NMOS管的丽5源极、第一变容管Cvml的一端及第一电感L1的一端连接；第三NMOS管ΜΝ3的栅极接注入锁定振荡器4的同相注入端Vinj+，第四NMOS管MN4的栅极接注入锁定振荡器4的反相注入端Vinj_ ；第一电感L1的另一端与第二电感L2的另一端相连；第一变容管Cvart的另一端与第二变容管Cvarf的另一端连接，作为注入锁定振荡器4的外部电压控制端Vtune ;第五NMOS管MN5的栅极与第三电感L3的一端连接，第六NMOS管MN6的栅极与第四电感L4的一端连接；第三电感L3的另一端与第四电感L4的另一端连接，作为注入锁定振荡器的电压偏置端Vbias ；第五匪OS管MN5的漏极与第一传输线Tl的一端连接，第六NMOS管MN6的漏极与第三传输线T3的一端连接；第一传输线Tl的另一端与第二传输线T2的一端连接，作为注入锁定振荡器4的同相输出端Vtjut+,第三传输线T3的另一端与第四传输线T4的一端连接,作为注入锁定振荡器4的反相输出端Vrat-;第二传输线T2的另一端与第四传输线T4的另一端连接，作为注入锁定振荡器4的电源输入端VDD ；
[0020]所述功率合成单兀3包括四根传输线，如图4所不；第一传输线T5的一端作为功率合成单兀3的同相输入端Vin+ ;第一传输线T5的另一端与第二传输线T6的一端连接，作为功率合成单兀3的同相输出端Vout+ ;第三传输线T7的一端作为功率合成单兀3的反相输入端Vin-;第三传输线T7的另一端与第四传输线T8的一端连接,作为功率合成单兀的反相输出端Vout-;第二传输线T6的另一端、第四传输线T8的另一端接地；
[0021]在进行上述信号源的设计过程中，锁相环的输出频率范围由信号的输出频率范围决定；注入锁定振荡器的锁定频率范围应该与锁相环的输出频率范围匹配；为了实现稳定的注入锁定，注入锁定振荡器的锁定频率范围要大于锁相环的输出频率范围；同时，锁相环输出信号的幅度要满足注入锁定振荡器对输入信号幅度的要求；注入锁定振荡器的级数由信号源输出功率的要求、单个注入锁定振荡器的输出功率、信号的传输损耗、注入锁定振荡器对锁相环中压控振荡器的负载效应等共同决定；注入锁定振荡器的级数越多，输出信号的功率越大，但对锁相环中振荡器的负载效应越强，导致锁相环输出信号的频率和功率下降；
[0022]根据注入锁定振荡器输出信号、输入信号的相位关系:
[0023]
θ=?,ιηι[^wuJ]ωη I,
U ΙΨ?]
[0024]其中，Q为注入锁定振荡器谐振回路的品质因数，1sc为振荡器的震荡电流，Iinj为注入信号电流，Oci为注入锁定振荡器的自由震荡频率，Oinj为注入信号的频率。对多个相同的注入锁定振荡器来说，其自由震荡的频率相同，由谐振网络的电感电容值决定；相位不尽相同，由每个注入锁定振荡器自由震荡的初始相位决定；但在同一个注入信号的驱动下达到稳定的注入锁定时，根据上述公式其输出信号同相，实现注入锁定相位同步的功能。
[0025]注入锁定震荡器中的传输线Tl和Τ3的长度为注入信号波长的二分之一，传输线Τ2和Τ4的长度为注入信号波长的四分之一；功率合成单元中，传输线Τ5、Τ6、Τ7及Τ8的长度为输入信号波长的四分之一；结合图3和图4来分析，假设功率合成单元输出负载端的阻抗为无穷大，传输线Τ5、Τ6、Τ7及Τ8长度的选取使得功率合成单元输入端到地的阻抗为零，实现信号的有效输入；同时使传输线Τ6从输出端看进去的阻抗为无穷大，实现信号的有效输出；对注入锁定振荡器来说，传输线Τ2和Τ4长度的选取使得传输线Τ2从输出端看进去的阻抗为无穷大，而功率合成单元输入端到地的阻抗为零，实现信号的有效输出；同时，Τ2和Τ4长度的选取使得第五NMOS管ΜΝ5的漏端、第六NMOS管ΜΝ6的漏端到地的阻抗为零，实现信号的有效传输；
[0026]尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替换都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的信号源，包括一个锁相环、一个注入锁定振荡器阵列和一个功率合成单元，其特征在于:锁相环的参考信号输入端作为信号源的参考信号输入端，锁相环的同相输出端接注入锁定振荡器阵列的同相注入端，锁相环的反相输出端接注入锁定振荡器阵列的反相注入端；注入锁定振荡器阵列的各同相输出端接功率合成单元的同相输入端，注入锁定振荡器阵列的各反相输出端接功率合成单元的反相输入端；功率合成单元的同相输出端作为信号源的同相输出端，功率合成单元的反相输出端作为信号源的反相输出端。
2.如权利要求1所述的基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的信号源，其特征在于:所述的注入锁定振荡器阵列包括两个以上注入锁定压控振荡器；各注入锁定振荡器的同相注入端连接作为注入锁定振荡器阵列的同相注入端，各注入锁定振荡器的反相注入端连接作为注入锁定振荡器阵列的反相相注入端。
3.如权利要求1所述的基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的信号源，其特征在于:所述的功率合成单兀包括四根传输线；第五传输线的一端作为功率合成单兀的同相输入端；第五传输线的另一端与第六传输线的一端连接，作为功率合成单元的同相输出端；第七传输线的一端作为功率合成单元的反相输入端；第七传输线的另一端与第八传输线的一端连接，作为功率合成单元的反相输出端；第六传输线的另一端、第八传输线的另一端接地。
4.如权利要求2所述的基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的信号源，其特征在于:所述的注入锁定振荡器包括六个NMOS管、四个电感、两个变容管及四根传输线；第一NMOS管的栅极、第二 NMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极、第六NMOS管的源极、第二变容管的一端及第二电感的一端连接;第二 NMOS管的栅极、第一 NMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极、第五NMOS管的源极、第一变容管的一端及第一电感的一端连接；第三NMOS管的栅极接注入锁定振荡器的同相注入端，第四NMOS管的栅极接注入锁定振荡器的反相注入端；第一 NMOS管的源极与第二 NMOS管的源极、第三NMOS管的源极、第四NMOS管的源极连接并接地；第一电感的另一端与第二电感的另一端相连；第一变容管的另一端与第二变容管的另一端连接，作为注入锁定振荡器的外部电压控制端；第五NMOS管的栅极与第三电感的一端连接，第六NMOS管的栅极与第四电感的一端连接；第三电感的另一端与第四电感的另一端连接，作为注入锁定振荡器的电压偏置端；第五NMOS管的漏极与第一传输线的一端连接，第六NMOS管的漏极与第三传输线的一端连接；第一传输线的另一端与第二传输线的一端连接，作为注入锁定振荡器的同相输出端，第三传输线的另一端与第四传输线的一端连接，作为注入锁定振荡器的反相输出端；第二传输线的另一端与第四传输线的另一端连接，作为注入锁定振荡器的电源输入端。
5.如权利要求3所述的基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的信号源，其特征在于:第五传输线、第六传输线、第七传输线和第八传输线的长度为输入信号波长的四分之
O
6.如权利要求4所述的基于锁相、注入相位同步和功率合成技术的信号源，其特征在于:第一传输线和第三传输线的长度为注入信号波长的二分之一；第二传输线和第四传输线的长度为注入信号波长的四分之一。
【文档编号】H03B5/04GK204013483SQ201420487664
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】高海军, 孙玲玲 申请人:杭州电子科技大学