一种注入锁定倍频电路及注入锁定倍频器的制作方法

本申请实施例属于射频技术领域，尤其涉及一种注入锁定倍频电路、及注入锁定倍频器。

背景技术：

目前，伴随着毫米波、太赫兹技术的发展，毫米波、太赫兹在通信、电子对抗、雷达、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、环境监测及安全检查等领域存在着广泛的应用前景。片上频率源芯片作为无线通信系统中的核心模块，通常有许多种实现方法，例如，可以通过倍频器利用较低频率实现较高频率输出。

然而，现有的注入锁定倍频器结构的锁定范围较小，极大的限制了倍频器的应用范围。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种注入锁定倍频电路及注入锁定倍频器，旨在解决现有的注入锁定倍频器结构的锁定范围较小，极大的限制了倍频器的应用范围的问题。

本申请实施例提出了一种注入锁定倍频电路，与调谐电压源和基波信号源连接，所述注入锁定倍频电路包括：

与所述调谐电压源连接，用于生成振荡信号的振荡器模块；

与所述基波信号源连接，用于提供非线性效应，并根据所述基波信号生成多次谐波信号的谐波发生器模块；

分别与所述谐波发生器模块和所述振荡器模块连接，用于接收所述多次谐波信号，并将所述多次谐波信号中的谐波能量注入至所述振荡器模块的变压器模块；

其中，所述振荡器模块还用于对所述多次谐波信号进行选频处理，从而将所述振荡信号的频率锁定在预设频率范围内。

本申请实施例还提供了一种注入锁定倍频器，包括：

基波信号源端口；

调谐电压源端口；以及

如上述任一项所述的注入锁定倍频电路，所述注入锁定倍频电路分别与所述基波信号源端口和所述调谐电压源端口连接。

本申请实施例提出的一种注入锁定倍频电路及注入锁定倍频器中，通过谐波发生器模块的非线性作用，根据基波信号生成多次谐波信号，多次谐波信号通过变压器模块将谐波能量耦合注入振荡器模块，振荡器模块对所述多次谐波信号进行选频处理，从而将所述振荡信号的频率锁定在预设频率范围内，达到利用频率较低的基波信号输出频率较高的振荡信号的技术效果，并实现了振荡信号的输出频率可调的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的一个实施例提供的注入锁定倍频电路的结构示意图；

图2是本申请的另一个实施例提供的注入锁定倍频电路的结构示意图；

图3为本申请的一个实施例提供的变压器的结构示意图；

图4为本申请的一个实施例提供的注入锁定倍频电路输出的振荡信号仿真示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

本申请实施例中的分立电子元器件是指独立电路功能、构成电路的基本单元的电子器件，例如，电阻、电容、电感器、机电元件(连接器、开关、继电器等)、电声器件、光电器件、敏感元器件、显示器件、压电器件等。

图1为本申请的一个实施例提出的注入锁定倍频电路的结构示意图，参见图1所示，本实施例中的注入锁定倍频电路与调谐电压源10和基波信号源20连接，所述注入锁定倍频电路包括：

与所述调谐电压源10连接，用于生成振荡信号的振荡器模块30；

与所述基波信号源20连接，用于提供非线性效应，并根据所述基波信号生成多次谐波信号的谐波发生器模块40；

分别与所述谐波发生器模块40和所述振荡器模块30连接，用于接收所述多次谐波信号，并将所述多次谐波信号中的谐波能量注入至所述振荡器模块30的变压器模块50；

其中，所述振荡器模块30还用于对所述多次谐波信号进行选频处理，从而将所述振荡信号的频率锁定在预设频率范围内。

在本实施例中，通过利用谐波发生器模块40的非线性特性，使得谐波发生器模块40可以根据基波信号生成对应的多次谐波信号，然后通过变压器模块50将多次谐波信号的谐波能量耦合到振荡器模块30中，使得振荡器模块30生成的振荡信号的频率锁定在基波信号的预设倍数的频率上从而实现振荡信号的频率可调。在本实施例中，谐波发生器模块40中的有源器件的参数可以根据用户需要设置，从而对谐波发生器模块40的非线性效应进行控制，基波信号通过谐波发生器模块40中的c类放大器的非线性作用产生多次谐波信号，振荡器模块30对多次谐波信号中的预设频段的谐波信号进行放大提取，从而使得振荡器模块30生成的振荡信号的振荡频率锁定到基波信号的预设倍数的频率上，例如，若根据用户需要将振荡器模块30中的电感和电容的参数进行设置，使得振荡器模块30生成的振荡信号的振荡频率锁定到基波信号的三次谐波上，则将该注入锁定倍频电路应用于倍频器中，可以设计为一种注入锁定三倍频器。进一步的，还可以通过设置振荡器模块30中的电感和电容的参数使振荡器模块30对多次谐波信号中的二次谐波信号或者四次谐波信号进行放大提取，从而实现振荡信号的输出频率可调。

在一个实施例中，参见图2所示，所述振荡器模块30包括：

用于利用交叉耦合的晶体管对产生负阻效应，以补偿所述振荡器模块30的能量损耗的负阻效应产生单元31；和

与所述负阻效应产生单元31和所述变压器模块50连接，用于根据所述谐波能量对所述振荡信号进行选频处理，并将所述振荡信号的频率锁定在预设频率范围内的选频单元32。

在本实施例中，负阻效应产生单元31通过将一对有源器件设置为交叉耦合对管，从而在振荡电路上电时产生负阻效应，以补偿谐振回路中的能量损耗，从而保持振荡电路的振荡频率的稳定。选频单元32用于接收变压器模块50耦合注入的谐波能量，并对振荡器模块30生成的振荡信号进行选频处理，从而将振荡信号的频率锁定在预设频率范围内，该预设频率范围可以通过设置谐波发生器模块40中的有源器件的参数进行确定，即通过对基波信号中的预设频段的谐波信号进行放大提取处理，从而将振荡信号的频率锁定在该基波信号中的预设频段内。

在一个实施例中，参见图2所示，所述谐波发生器模块40包括：

与所述基波信号源20连接，用于接收所述基波信号，并根据所述基波信号生成多次谐波信号的谐波发生单元41；

与所述谐波发生单元41连接，用于接收所述多次谐波信号，并对所述多次谐波信号进行信号隔离的信号隔离单元42。

在本实施例中，谐波发生单元41用于接收基波信号，并根据基波信号生成多次谐波信号，具体的，谐波发生单元41可以通过将晶体管偏置在c类区域，从而使得晶体管形成c类放大器，以提供非线性作用，此时，基波信号通过c类放大器的非线性作用产生多次谐波信号。多次谐波信号通过信号隔离单元42与变压器模块50进行耦合，从而将多次谐波信号输出至变压器模块50中，通过在谐波发生单元41与变压器模块50之间设置信号隔离单元42对谐波发生单元41生成的多次谐波信号进行信号隔离处理，避免变压器模块50对谐波发生单元41产生信号干扰。

在一个实施例中，多次谐波信号通过变压器模块50将谐波能量注入至振荡器模块30中，变压器模块50中的电感可以作为谐振回路选频电感，变压器模块50中的电感与振荡器模块30中的电容形成选频电路，对多次谐波信号完成选频处理，提取预设频段的谐波信号，从而将振荡信号的频率锁定在预设频率范围内。

在一个实施例中，变压器模块50中的片上变压器以及振荡器模块30将基波信号的三次谐波能量提取，耦合到振荡器模块30中，使得振荡器模块30产生的振荡信号的输出频率锁定到输入的基波信号的三倍频上。在本实施例中，采用注入锁定倍频电路输出的振荡信号的锁定频率范围如下式所示：

其中，δω为振荡器模块30工作的角频率范围，ωo为振荡模块中的振荡电路工作的中心角频率，iinj为注入锁定倍频电路输入的基波信号的电流，iosc为振荡器模块30中的谐振电路静态直流工作电流，q为振荡器模块30中的谐振回路的品质因数。

参见公式(1)可知，要增加注入锁定倍频电路的输出频率的锁定范围，需要降低振荡器模块30中的谐振回路的品质因数q和振荡器模块30中的谐振电路静态直流工作电流iosc，进一步的，也可以提升注入锁定倍频电路输入的基波信号的电流iinj。而振荡器模块30中的谐振回路的品质因数q主要取决于选频单元32中的片上变容管的值，但是片上变容管的值太小会影响到倍频器的相位噪声性能。而注入锁定倍频电路输入的基波信号的电流iinj的尽可能大，则不会影响到振荡器的噪声性能。为了提升注入锁定倍频电路输入的基波信号的电流iinj，可以通过将谐波发生器模块40中的有源器件偏置在c类区域，此时，有源器件的栅电压低于阈值电压，从而最大化有源器件的三阶非线性，该有源器件可以为mos管。

在一个实施例中，参见图2所示，所述变压器模块与注入级电源和振荡器电源连接；

所述变压器模块50包括：

与所述注入级电源和所述谐波发生器模块40连接的初级线圈；

用于与所述振荡器电源和所述振荡器模块30连接的次级线圈；

其中，所述初级线圈与所述次级线圈相互耦合，以将所述多次谐波信号中的谐波能量耦合注入至所述振荡器模块30。

在一个实施例中，图3为本申请的一个实施例提供的变压器的结构示意图，参见图3所示，变压器的中间抽头需要连接到电源上，为了走线的方便，将它们均直接引出到变压器的两边，其中，变压器的初级线圈与变压器的输入端连接，初级线圈的中间抽头连线作为注入级电源端口，用于接收注入级电源提供的注入级电源信号，次级线圈与变压器的输出端连接，次级线圈的中间抽头连线作为振荡器电源端口，用于接收振荡器电源提供的振荡器电源信号。

在一个实施例中，参见图2所示，所述初级线圈包括第一电感l1和第二电感l2，所述第一电感l1与所述第二电感l2串联，所述第一电感l1的第一端与所述第二电感l2的第一端共接于所述注入级电源，所述第一电感l1的第二端与所述谐波发生器模块40的第一信号输出端连接，所述第二电感l2的第二端与所述谐波发生器模块40的第二信号输出端连接；

所述次级线圈包括第三电感l3和第四电感l4，所述第三电感l3与所述第四电感l4串联，所述第三电感l3的第一端与所述第四电感l4的第一端共接于所述振荡器电源，所述第三电感l3的第二端与所述振荡器模块30的第一信号端连接，所述第四电感l4的第二端与所述振荡器模块30的第二信号端连接。

在本实施例中，第一电感l1的第二端与第二电感l2的第二端均作为变压器模块50的输入端，第三电感l3的第二端和第四电感l4的第二端均作为变压器模块50的输出端，其中，第一电感l1和第二电感l2分别与第三电感l3和第四电感l4相互耦合。

在一个实施例中，参见图2所示，所述负阻效应产生单元31包括第一晶体管m1和第二晶体管m2；

所述第一晶体管m1的第三端与所述第二晶体管m2的第一端共接于所述变压器模块50的第一端，所述第二晶体管m2的第三端与所述第一晶体管m1的第一端共接于所述变压器模块50的第二端，所述第一晶体管m1的第二端和所述第二晶体管m2的第二端共接于地。

在本实施例中，变压器模块50的第一端和变压器模块50的第二端分别作为变压器模块50的两个信号输出端，用于将谐波信号耦合注入至振荡器模块30，同时，该变压器模块50的两个信号输出端还可以作为注入锁定倍频电路的信号输出端。第一晶体管m1和第二晶体管m2均为有源器件，例如，该有源器件可以为n型mos管，其中，n型mos管的漏极可以作为第一晶体管m1和第二晶体管m2的第一端，n型mos管的源极可以作为第一晶体管m1和第二晶体管m2的第二端，n型mos管的栅极可以作为第一晶体管m1和第二晶体管m2的第三端。

在一个实施例中，参见图2所示，所述选频单元32包括：调谐电压源10、第一可变电容c1以及第二可变电容c2；

所述第一可变电容c1的第一端和所述第二可变电容c2的第一端共接于所述调谐电压源10，所述第二可变电容c2的第二端与所述变压器模块50的第一端连接，所述第一可变电容c1的第二端与所述变压器模块50的第二端连接。

在一个实施例中，第一可变电容c1和第二可变电容c2均可以为可变电容器。

在本实施例中，调谐电压源10可以根据用户需要进行设置，当调谐电压源10输出的调谐电压信号变化时，振荡器模块30生成的振荡信号的频率根据基波信号的频率发生变化。例如，参见图4所示，注入级电源的电压为1.2v，振荡器电源的电压为0.6v，谐波发生单元41中的有源器件的栅极偏置电压为0.2v，信号隔离单元42中有源器件的栅极偏置电压为0.8v，基波信号的注入电流为8.2ma。当调谐电压源10的电压vc从0变化到1.2v时，振荡信号的频率跟随输入的基波信号的频率发生变化，参见图4中的仿真结果可知，此时，注入锁定倍频电路注入的基波信号的频率锁定范围为26.7～29.7ghz，振荡信号的频率范围为80～89ghz，其中，横坐标为基波信号频率，纵坐标为振荡信号频率。

在一个实施例中，参见图2所示，所述谐波发生单元41包括第三晶体管m3和第四晶体管m4；

所述第三晶体管m3的第一端与所述信号隔离单元42的第一输入端连接，所述第四晶体管m4的第一端与所述信号隔离单元42的第二输入端连接，所述第三晶体管m3的第二端接地，所述第四晶体管m4的第二端接地；

所述第三晶体管m3的第三端与所述基波信号源20连接，用于接收所述基波信号源20输出的正极差分信号；

所述第四晶体管m4的第三端与所述基波信号源20连接，用于接收所述基波信号源20输出的负极差分信号。

在一个实施例中，第三晶体管m3和第四晶体管m4均为有源器件，例如，该有源器件可以为n型mos管，其中，n型mos管的漏极可以作为第三晶体管m3和第四晶体管m4的第一端，n型mos管的源极可以作为第三晶体管m3和第四晶体管m4的第二端，n型mos管的栅极可以作为第三晶体管m3和第四晶体管m4的第三端。

在一个实施例中，参见图2所示，所述信号隔离单元42包括第五晶体管m5和第六晶体管m6；

所述第五晶体管m5的第一端与所述变压器模块50的第四端连接，所述第六晶体管m6的第一端与所述变压器模块50的第三端连接，所述第五晶体管m5的第二端与所述谐波发生单元41的第一信号端连接，所述第六晶体管m6的第二端与所述谐波发生单元41的第二信号端连接，所述第五晶体管m5的第三端和所述第六晶体管m6的第三端均悬空。

在本实施例中，通过设置在变压器模块50和谐波发生单元41之间设置第五晶体管m5和第六晶体管m6，可以通过增加变压器模块50和谐波发生单元41之间的隔离度，从而改善由于第三晶体管m3和第四晶体管m4的开关工作状态对振荡器模块30中的谐振回路的影响。

在本实施例中，第三晶体管m3和第四晶体管m4构成交叉耦合对管，产生负阻效应，用于补充振荡器模块30中的谐振回路中的损耗，其中，第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五晶体管m5以及第六晶体管m6构成共源共栅级，提供非线性效应，从而对所述基波信号中的预设频段的谐波信号进行放大提取处理。

在一个实施例中，第五晶体管m5和第六晶体管m6均为有源器件，例如，该有源器件可以为n型mos管，其中，n型mos管的漏极可以作为第五晶体管m5和第六晶体管m6的第一端，n型mos管的源极可以作为第五晶体管m5和第六晶体管m6的第二端，n型mos管的栅极可以作为第五晶体管m5和第六晶体管m6的第三端。

本申请实施例还提供了一种注入锁定倍频器，包括：

基波信号源端口；

调谐电压源端口；以及

如上述任一项所述的注入锁定倍频电路，所述注入锁定倍频电路分别与所述基波信号源端口和所述调谐电压源端口连接。

本申请实施例提出的一种注入锁定倍频电路及注入锁定倍频器中，通过谐波发生器模块40生成非线性效应，以将所述基波信号转换为对应的谐波信号信号，并通过变压器模块50将所述多次谐波信号中的谐波能量注入至所述振荡器模块30中，振荡器模块30对所述多次谐波信号进行选频处理，从而将所述振荡信号的频率锁定在预设频率范围内，达到利用频率较低的基波信号输出频率较高的振荡信号的技术效果，并实现了振荡信号的输出频率可调的目的。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。