一种应用于5G毫米波基站的高精度频率源的制作方法

本发明属于电子电路领域，更具体地，涉及频率源。

背景技术：

频率源，又被称作频率合成器或者频率综合器，它是由系统元件组成，其原理是根据外部一个或多个参考频率源产生一个或多个频率。频率源是电子系统的重要组成部分，是决定电子系统性能的关键设备，随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，对频率源频率稳定度、频谱纯度、频率范围和分辨率提出越来越高的要求。频率合成理论目前主要有四种技术：直接频率合成技术，锁相频率合成技术，直接数字式频率合成技术和混合式频率合成技术。

在这几种频率合成器中，锁相环频率源具有电路设计简单、功耗低、可灵活编程控制分频比来调整锁相环路的工作频率等优点。锁相环频率源是这样的一个电路，这个电路不仅在频率上而且在相位上使一个由振荡器产生的输出信号和输入参考信号相同步。锁相环频率源包括由晶体振荡器产生的参考时钟信号、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器。鉴频鉴相器比较两个信号的相位与频率差，并且产生控制信号给电荷泵，电荷泵相应地给环路滤波器充放电，压控振荡器的输出频率正比于环路滤波器上的控制电压，最终使参考时钟与分频器输出信号同频同相，从而压控振荡器输出信号频率为参考时钟信号频率的n倍。

在无线通信中尤其是在手机的射频收发器中相位噪声的要求是非常苛刻的，因此，期待一个更高精度的频率源。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种5g毫米波基站的高精度频率源，其电路结构包括：鉴频鉴相器，电荷泵，环路滤波器，耦合振荡器及反馈分频器。初始频率的信号及反馈分频器的输出信号输入至鉴频鉴相器，鉴频鉴相器对两个信号比较后，输出信号至电荷泵。电荷泵的输出经过环路滤波器的滤波，然后控制耦合振荡器。耦合振荡器输出一个频率信号，并作为反馈分频器的输入反馈给鉴频鉴相器。

根据本发明的第一方面，提供一种耦合振荡器网络。所述耦合振荡器网络包括编号1至n一共n个压控振荡器单元和n-1个耦合单元，压控振荡器单元1输出两路反相的两路输出信号经过第一个耦合单元输出至压控振荡器2，以此类推，耦合网络n输出反相的两路输出信号经过第n个耦合单元输出至压控振荡器n+1。

优选地，所述耦合单元种类有4种：电阻耦合网络、电感耦合网络、电容耦合网络、混合型耦合网络。

优选地，所述电阻/电感/电容耦合网络包括一个同相输入端和一个同相输出端，输入输出端中间串联一个电阻/电感/电容进行耦合；电阻/电感/电容耦合网络还包括一个反相输入端和一个反相输出端，输入输出端中间串联一个电阻进行耦合。

优选地，所述混合型耦合网络一对同相输入、输出端，还有一对反相输入、输出端。各个输入输出端都串联一个电感和一个电容，同相通路和反相通路之间用并联的一个电感和电容连接。

根据本发明的第一方面，提供一种压控振荡器单元。所述压控振荡器单元含有一个晶体管做尾电流管，一对交叉耦合晶体管作为负阻管，交叉耦合晶体管之间用一个中心抽头接电源的电感连接。

前述内容大致叙述了本发明的特征和技术优点，任何本领域普通技术人员应可了解的是，可根据本发明所揭示的观念及特定实施例修改或设计出实现本发明相同目的的架构，此类同等架构并不超出本发明后附的权利要求所定义的精神和范围。

附图说明

图1为高精度频率源结构示意图。

图2为本发明及传统结构的相位噪声与频率偏移关系示意图。

图3为振荡器耦合级联结构示意图。

图4为电阻耦合网络的电路示意图。

图5为电感耦合网络的电路示意图。

图6为电容耦合网络的电路示意图。

图7为混合型耦合网络的电路示意图。

图8为单个振荡器的电路示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

图1示出本发明高精度频率源的结构示意图。

如图1所示，本发明中的高精度频率源100包括鉴频鉴相器101，电荷泵102，环路滤波器103，耦合振荡器104及反馈分频器105。初始频率的信号及反馈分频器的输出信号作为鉴频鉴相器的输入信号，鉴频鉴相器的输出信号qa、qb耦合在电荷泵的输入。电荷泵的输出v0耦合在环路滤波器的输入，环路滤波器的输出vc耦合在耦合振荡器的输入。耦合振荡器输出一个频率不同于输入频率的信号作为系统的输出，并作为反馈分频器的输入反馈给鉴频鉴相器。

图2示出本发明及传统结构的频率源的相位噪声与频率偏移关系示意图。

如图2所示，上方为传统结构的关系曲线，下方为本发明的关系曲线。可见，两者曲线中相位噪声随频率偏移的趋势相同，但本发明中频率源的相位噪声较低，较传统结构的相位噪声低20log(n)。

图3示出耦合振荡器中振荡器耦合级联结构示意图。

如图3所示，耦合振荡器200采用振荡器耦合级联的方式。压控振荡器201输出vop与von，通过耦合单元耦合给压控振荡器2，压控振荡器2的输出再通过耦合单元202耦合给压控振荡器3，以此类推直至压控振荡器n。多个振荡器的输出可以应用于相控阵的频率源，同时也可以降低相位噪声，从而实现高精度的频率源。

图4示出电阻耦合网络的电路示意图。

如图4所示，电阻耦合网络作为耦合单元，将前级压控振荡器的输出信号耦合给下一级压控振荡器。电阻耦合网络有两个输入端及两个输出端，分别为同相输入端与反相输入端、同相输出端与反相输出端。同相输入端与同相输出端及反相输入端与反相输出端之间均用电阻连接。

图5示出电感耦合网络的电路示意图。

如图5所示，电感耦合网络作为耦合单元，将前级压控振荡器的输出信号耦合给下一级压控振荡器。电感耦合网络有两个输入端及两个输出端，分别为同相输入端与反相输入端、同相输出端与反相输出端。同相输入端与同相输出端及反相输入端与反相输出端之间均用电感连接。

图6示出电感耦合网络的电路示意图。

如图6所示，电容耦合网络作为耦合单元，将前级压控振荡器的输出信号耦合给下一级压控振荡器。电容耦合网络有两个输入端及两个输出端，分别为同相输入端与反相输入端、同相输出端与反相输出端。同相输入端与同相输出端及反相输入端与反相输出端之间均用电容连接。

图7示出混合型耦合网络的电路示意图。

如图7所示，混合型耦合网络有两个输入端及两个输出端，分别为同相输入端与反相输入端、同相输出端与反相输出端。同相输入端串联lr1、cl1，反相输入端串联lr3、cl3。同相输出端串联lr2、cl2，反相输出端串联lr4、cl4。cl1与cl2在节点1相连，cl3与cl4在节点2相连，节点1与节点2之间并联一个电感lr5及一个电容cl5。

图8示出单个振荡器的电路示意图。

如图8所示，受控振荡器3001部为一个电流镜，m3栅极接控制电压，源极接地，漏极与交叉耦合nmos管对源极相连。电流镜用来控制偏置电流的大小，控制振荡幅度。又由于电流镜的输出电阻要远高于振荡器内核的动态电阻，相当于在振荡器和电源地线间串联了一个大电阻，从而减少振荡器内核受电源或地线、衬底噪声的影响。两个晶体管m1与m2组成交叉耦合的nmos管对。m1的栅极与m2的漏极相连，m2的栅极与m1的漏极相连。m1与m2的源极相连，连到m3的漏极上。m1与m2的漏极分别接电压vop与von，并通过电容相连。电压vdd加在电容上。

应当说明的是，在本文中，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。