基于环形耦合器的注入锁定振荡电路及注入锁定振荡器的制作方法

本申请实施例属于射频技术领域，尤其涉及一种基于环形耦合器的注入锁定振荡电路及注入锁定振荡器。

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。振荡器作为毫米波和太赫兹应用技术的关键部件也受到研究者的极大关注，由于太赫兹频率源芯片的工作频率很高，注入晶体管引入的寄生电容，往往会大幅度地降低电路的输出频率，因此可以通过注入晶体管将差分的注入信号注入到输出缓冲级，从而避免直接在谐振回路中增加寄生电容，避免了引入注入晶体管带来的寄生电容对电路工作频率的影响，从而实现了输出频率高、输出频率可调、输出效率高的目的，目前，通常采用片上巴伦实现单端信号到差分信号的转换。

然而，当信号的频率超过100ghz时，往往已经超出了片上巴伦的自谐振频率了，片上巴伦输出的差分信号的相位出现失真，幅度也会失真，极大降低了注入锁定太赫兹频率源的锁定范围。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种基于环形耦合器的注入锁定振荡电路及注入锁定振荡器，旨在解决当信号的频率超过100ghz时，往往已经超出了片上巴伦的自谐振频率了，片上巴伦输出的差分信号的相位出现失真，幅度也会失真，极大降低了注入锁定太赫兹频率源的锁定范围的问题。

本申请实施例提出了一种基于环形耦合器的注入锁定振荡电路，与工作电源和参考频率信号源连接，所述注入锁定振荡电路包括：

用于生成初始振荡信号的谐振回路模块；

与所述谐振回路模块连接，用于接收所述初始振荡信号，并对所述初始振荡信号进行缓冲隔离，以输出缓冲隔离振荡信号的缓冲模块；

与所述参考频率信号源连接，用于接收所述参考频率信号源输出的参考频率信号，并将所述参考频率信号转化为对应的正端差分信号和负端差分信号的环形耦合器模块；

与所述缓冲模块和所述环形耦合器模块连接，用于接收所述正端差分信号和所述负端差分信号，并分别将所述正端差分信号和所述负端差分信号注入至所述缓冲模块，以使所述缓冲模块输出对应的振荡反馈信号的信号注入模块；

与所述缓冲模块连接，用于接收所述缓冲隔离振荡信号，并对所述缓冲隔离振荡信号的二次谐波输出进行能量增强处理，以输出对应的振荡输出信号的输出匹配模块；

分别与所述工作电源和所述输出匹配模块连接的旁路电容；

其中，所述振荡反馈信号用于将所述初始振荡信号的频率锁定为所述参考频率信号源设定的频率范围。

本申请实施例还提供了一种基于环形耦合器的注入锁定振荡器，包括：

工作电源端口；

参考频率信号源端口；以及

如上述任一项所述的注入锁定振荡电路，所述注入锁定振荡电路分别与所述工作电源端口和所述参考频率信号源端口连接。

本申请实施例提出的一种基于环形耦合器的注入锁定振荡电路及注入锁定振荡器中，通过环形耦合器模块将单端的参考频率信号转换为对应的正端差分信号和负端差分信号，并通过信号注入模块将参考频率信号注入至所述缓冲模块，以使所述缓冲模块输出对应的振荡反馈信号，该振荡反馈信号用于将谐振回路模块生成初始振荡信号的频率锁定为所述参考频率信号源设定的频率范围，然后利用输出匹配模块接收缓冲模块输出的缓冲隔离振荡信号，并对所述缓冲隔离振荡信号的二次谐波输出进行能量增强处理，以输出对应的振荡输出信号，从而减小信号注入模块注入的两个差分信号的相位误差，降低插入损耗，增加注入锁定振荡电路的频率锁定范围。

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振荡电路的结构示意图；

图2是本申请的另一个实施例提供的注入锁定振荡电路的结构示意图；

图3是本申请的一个实施例提供的环形耦合器的原理示意图；

图4是本申请的一个实施例提供的环形耦合器的结构示意图；

图5是本申请的一个实施例提供的环形耦合器的仿真结果示意图；

图6是本申请的一个实施例提供的环形耦合器的差分输出端的仿真结果示意图；

图7是本申请的一个实施例提供的基于环形耦合器的注入锁定振荡电路的输入频率与输出频率的仿真结构示意图。

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。

在毫米波基频振荡电路中，通过输出缓冲级与谐振回路电感的耦合效应，提高了振荡器的输出频率和输出功率，但是，此时振荡电路的输出频率仅取决于谐振回路和各个节点的寄生电容，因此，通常只能依靠改变振荡电路的电源电压影响各个节点的寄生电容的大小，从而影响振荡电路的输出频率。为了有效改变振荡电路的输出频率，在本申请中，利用环形耦合器将参考频率信号源输出的参考频率信号转化为对应的正端差分信号和负端差分信号，并分别通过注入晶体管将正端差分信号和负端差分信号注入至输出缓冲级，从而将振荡电路产生的振荡信号的频率锁定在预设频率范围内，实现振荡电路的输出频率可调的目的。

图1为本申请的一个实施例提供的注入锁定振荡电路，参见图1所示，本实施例中的注入锁定振荡电路与工作电源10和参考频率信号源20连接，其中，注入锁定振荡电路包括：

用于生成初始振荡信号的谐振回路模块30；

与所述谐振回路模块30连接，用于接收所述初始振荡信号，并对所述初始振荡信号进行缓冲隔离，以输出缓冲隔离振荡信号的缓冲模块40；

与所述参考频率信号源20连接，用于接收所述参考频率信号源输出的参考频率信号，并将所述参考频率信号转化为对应的正端差分信号和负端差分信号的环形耦合器模块41；

与所述缓冲模块40和所述环形耦合器模块41连接，用于接收所述正端差分信号和所述负端差分信号，并分别将所述正端差分信号和所述负端差分信号注入至所述缓冲模块40，以使所述缓冲模块40输出对应的振荡反馈信号的信号注入模块50；

与所述缓冲模块连接，用于接收所述缓冲隔离振荡信号，并对所述缓冲隔离振荡信号的二次谐波输出进行能量增强处理，以输出对应的振荡输出信号的输出匹配模块60；

分别与所述工作电源和所述输出匹配模块连接的旁路电容70；

其中，所述振荡反馈信号用于将所述初始振荡信号的频率锁定为所述参考频率信号源设定的频率范围。

在本实施例中，信号注入模块50的正端和负端分别接收环形耦合器模块41输出的正端差分信号和所述负端差分信号，并将正端差分信号和所述负端差分信号注入至所述缓冲模块40，以使所述缓冲模块40输出对应的振荡反馈信号，此时，谐振回路模块30接收到该振荡反馈信号，并根据该振荡反馈信号将所述初始振荡信号的频率锁定为所述参考频率信号源20设定的频率范围，避免了将参考频率信号直接注入至谐振回路模块30时产生的寄生电容，从而消除了寄生电容对谐振回路模块30的工作频率的影响，进一步的，为了通过信号注入模块50向缓冲模块40注入一对相位误差小的差分信号，采用环形耦合器模块41将所述参考频率信号转化为对应的正端差分信号和负端差分信号，在较高的频段内实现了单端信号到差分信号的转换，并降低了两个差分信号在工作频段范围内的相位误差，降低了插入损耗，不仅实现了注入锁定振荡电路输出频率高、输出频率可调以及输出效率高的目的，还实现了较宽的频率锁定范围。

进一步的，谐振回路模块30将所述初始振荡信号的频率锁定为所述参考频率信号源20设定的频率范围时，输出匹配模块60对所述缓冲隔离振荡信号的二次谐波输出进行能量增强处理，以输出对应的振荡输出信号，此时，振荡输出信号的频率锁定在初始振荡信号的二次谐波上，从而实现更高的输出频率。

在本实施例中，利用了输出缓冲级与谐振回路电感的耦合效应，提高振荡器的输出频率和工作功率，由于太赫兹频率源芯片的工作频率很高，信号注入模块50中的注入晶体管引入的寄生电容，往往会大幅度地降低电路的输出频率，因此，在本实施例中，通过将参考频率信号源输出的参考频率信号直接注入到输出缓冲级，从而避免在谐振回路中增加寄生电容，消除了引入注入晶体管带来的寄生电容对电路工作频率的影响，实现了输出频率高、输出频率可调、输出效率高等特点。但是该通过信号注入模块50注入参考频率信号需要差分的注入信号，且如果想输出的二次谐波在320ghz附近，则注入的差分信号就需要在160ghz。例如，在一种实施方案中，可以采用片上巴伦来实现单端到差分的转化，当信号的频率超过100ghz时，往往已经超出了片上巴伦的自谐振频率了，片上巴伦的差分输出的相位出现失真，幅度往往也会失真，最大的弊端在于其插入损耗往往高达-10db，造成后续注入信号的能量大大降低，极大降低了注入锁定太赫兹频率源的锁定范围。在本实施例中，通过采用环形耦合器实现了单端到差分的转换，且两个差分输出信号的相位误差在工作频段范围内较小，插入损耗低于-5db，有利于实现较宽锁定范围的注入锁定太赫兹频率源芯片。

在一个实施例中，本实施例采用的cpw(共面波导线)形成片上环形耦合器，在160ghz频段在实现了单端信号到差分信号的转换，且两个差分输出信号的相位误差在工作频段范围内较小，插入损耗低于-5db，有利于注入锁定振荡电路实现较宽的频率锁定范围。

在一个实施例中，参见图2所示，所述谐振回路模块30包括：

用于利用交叉耦合的晶体管对产生负阻效应，以补偿谐振回路模块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连接，用于提升所述谐振回路的工作频率的变压器结构单元32。

在本实施例中，负阻效应产生单元31采用交叉耦合的晶体管对结构，从而通过交叉耦合的晶体管对结构在上电时产生负阻效应，以补充谐振回路模块30中的能量损耗，然而，交叉耦合的晶体管对结构中的寄生电容往往会大幅降低谐振回路模块30输出的初始振荡信号的输出频率，因此，通过变压器结构单元32可以有效降低交叉耦合的晶体管对结构中的栅极端寄生电容的影响，从而避免由于交叉耦合的晶体管对结构引入的寄生电容导致谐振回路的工作频率的降低。

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的控制端与所述变压器结构单元32的第一端连接，所述第二晶体管m2的控制端与所述变压器结构单元32的第二端连接，所述第一晶体管m1的电流输入端与所述变压器结构单元32的第三端连接，所述第二晶体管m2的电流输入端与所述变压器结构单元32的第四端连接，所述第一晶体管m1的电流输出端和所述第二晶体管m2的电流输出端共接于地。

在一个实施例中，参见图2所示，所述变压器结构单元32包括：第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3以及第四电感l4；

所述第一电感l1的第一端作为所述变压器结构单元32的第一端，所述第二电感l2的第一端作为所述变压器结构单元32的第二端，所述第三电感l3的第一端作为所述变压器结构单元32的第三端，所述第四电感l4的第一端作为所述变压器结构单元32的第四端，所述第一电感l1的第二端、所述第二电感l2的第二端、所述第三电感l3的第二端以及所述第四电感l4的第二端共接作为所述变压器结构单元32的振荡输出信号输出端；

其中，所述第一电感l1与所述第三电感l3形成第一耦合电感，所述第二电感l2和所述第四电感l4形成第二耦合电感。

在本实施例中，第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4与第一晶体管m1的电流输入端、第一晶体管m1的控制端、第二晶体管m2的电流输入端、第二晶体管m2的控制端可以构成谐振回路，以输出初始振荡信号。具体的，将第一晶体管m1和第二晶体管m2形成交叉耦合的晶体管对，可以产生负阻效应，用于补充谐振回路中的损耗，将第一电感l1和第三电感l3相互耦合，可以形成第一耦合电感，将第二电感l2和第四电感l4相互耦合，可以形成第二耦合电感，其中，第一耦合电感的耦合系数与第二耦合电感的耦合系数可以相同。

在一个实施例中，参见图2所示，第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4可以形成片上变压器结构，有效降低交叉耦合对管的栅端寄生电容的影响，提高谐振回路的工作频率。在本实施例中，通过片上变压器还可以提高振荡电路的紧凑性并提升振荡电路的性能。进一步的，采用差分结构的振荡电路还能利用片上变压器耦合的优点，在相同面积下比单端结构的振荡电路更高的输出功率。

在一个实施例中，第一晶体管m1和第二晶体管m2均为有源器件。例如，第一晶体管m1和第二晶体管m2均可以为n型mos管，其中，n型mos管的漏极可以为第一晶体管m1和第二晶体管m2的电流输入端，n型mos管的源极可以为第一晶体管m1和第二晶体管m2的电流输出端，n型mos管的栅极可以为第一晶体管m1和第二晶体管m2的控制端。

在一个实施例中，参见图2所示，所述缓冲模块40包括：第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五电感l5以及第六电感l6；

所述第三晶体管m3的控制端与所述变压器结构单元32的第一端连接，第四晶体管m4的控制端与所述变压器结构单元32的第二端连接，第三晶体管m3的电流输入端与所述第六电感l6的第一端连接，第四晶体管m4的电流输入端与所述第五电感l5的第一端连接，所述第五电感l5的第二端与所述第六电感l6的第二端共接于所述变压器结构单元32的振荡输出信号输出端，所述第三晶体管m3的电流输出端与所述第四晶体管m4的电流输出端共接于地；

其中，所述第三电感l3与所述第五电感l5形成第三耦合电感，所述第四电感l4与所述第六电感l6形成第四耦合电感。

在本实施例中，第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五电感l5以及第六电感l6构成注入锁定振荡电路的输出缓冲级，用于对谐振回路产生的初始振荡信号进行缓冲隔离处理，其中，第五电感l5以及第六电感l6可以作为输出缓冲级以及信号注入模块50的负载，将缓冲隔离振荡信号从第五电感l5与第六电感l6的共模结点输出。进一步的，第五电感l5与第三电感l3相互耦合，以形成第三耦合电感，第六电感l6与第四电感l4相互耦合，以形成第四耦合电感，不仅可以增强初始振荡信号的能量，也可以将信号注入模块50注入的参考频率信号以及缓冲模块40输出的振荡反馈信号反馈回谐振回路模块30，从而使谐振回路模块30生成的初始振荡信号受到参考频率信号的频率的牵引，将所述初始振荡信号的频率锁定为所述参考频率信号源20设定的频率范围。

在一个实施例中，第三耦合电感和第四耦合电感的耦合系数相同，第五电感l5、第六电感l6、第三电感l3、第四电感l4可以形成片上变压器结构，有效降低晶体管的栅端寄生电容的影响，提高谐振回路的工作频率。

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，第三晶体管m3和第四晶体管m4均可以为n型mos管，其中，n型mos管的漏极可以为第三晶体管m3和第四晶体管m4的电流输入端，n型mos管的源极可以为第三晶体管m3和第四晶体管m4的电流输出端，n型mos管的栅极可以为第三晶体管m3和第四晶体管m4的控制端。

在一个实施例中，参见图2所示，所述信号注入模块50包括：第五晶体管m5和第六晶体管m6；

所述参考频率信号源20包括：用于输出第一参考频率信号的第一参考频率信号源21和用于输出第二参考频率信号的第二参考频率信号源22；

所述第五晶体管m5的控制端与所述第一参考频率信号源21连接，所述第六晶体管m6的控制端与所述第二参考频率信号源22连接，所述第五晶体管m5的电流输入端与所述第三晶体管m3的电流输入端连接，所述第六晶体管m6的电流输入端与所述第四晶体管m4的电流输入端连接，所述第五晶体管m5的电流输出端与所述第六晶体管m6的电流输出端共接于地。

在本实施例中，第五晶体管m5和第六晶体管m6均可以作为注入晶体管，分别将第一参考频率信号源21输出的第一参考频率信号和第二参考频率信号源22输出的第二参考频率信号注入至注入锁定振荡电路的输出缓冲级，使得谐振回路模块30的初始振荡信号受到第一参考频率信号和第二参考频率信号的频率牵引，从而锁定在第一参考频率信号和第二参考频率信号的频率上。

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，第五晶体管m5和第六晶体管m6均可以为n型mos管，其中，n型mos管的漏极可以为第五晶体管m5和第六晶体管m6的电流输入端，第五晶体管m5和第六晶体管m6的电流输出端，n型mos管的栅极可以为第五晶体管m5和第六晶体管m6的控制端。

在一个实施例中，第一参考频率信号和第二参考频率信号可以为一组差分信号，其中，第一参考频率信号和第二参考频率信号的频率幅度相同，且相位差为180度，例如，第一参考频率信号为f0，则第二参考频率信号为-f0，此时，输出匹配模块60对所述缓冲隔离振荡信号的二次谐波输出进行能量增强处理，注入锁定振荡电路的振荡输出信号的频率锁定在2f0，使得注入锁定振荡电路的输出频率锁定在注入信号的二次谐波上，实现更高的输出频率。

在一个实施例中，参见图2所示，所述输出匹配模块60包括：共面波导cpw和波导串联电容c2；

所述共面波导cpw的第一端与所述旁路电容70的第一端共接与所述工作电源10，所述共面波导cpw的第二端与所述波导串联电容c2的第一端共接于所述缓冲模块40，所述波导串联电容c2的第二端用于输出所述振荡输出信号，旁路电容70的第二端接地。

在一个实施例中，旁路电容70可以包括第一电容c1，其中，第一电容c1的第一端作为旁路电容70的第一端，第一电容c1的第二端作为旁路电容70的第二端，进一步的，旁路电容70还可以为有源器件的寄生电容。

在一个实施例中，工作电源10的电压范围可以为0.85v～1.5v，初始振荡信号的频率锁定范围可以为173.14～181.41ghz，谐振回路消耗的电流大小为5ma。

在一个实施例中，参见图2所示，所述环形耦合器模块41包括环形耦合器，其中，所述环形耦合器的信号输入端与所述参考频率信号源20连接，所述环形耦合器的正端差分信号输出端和负端差分信号输出端分别与所述信号注入模块50连接。

在一个实施例中，所述正端差分信号和所述负端差分信号之间的相位差为180度，且所述正端差分信号和所述负端差分信号的幅度相同。

在一个实施例中，图3为本申请的一个实施例提供的环形耦合器的原理示意图，参见图3所示，环形耦合器的两个输出端口之间有180°相移。在本实施例中，环形耦合器的整个周长是1.5个波长(λp0)，由6个四分之一波长的微带组成。当信号从端口3输入时，到达端口1的两路信号等幅反相，因此，此时信号端口1无输出；到达端口2的两路信号等幅同相，相位滞后270°；到达端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后90°，因此端口2和端口4输出幅度相同，相位相差180°。在本实施例中，环形耦合器的端口3可以作为环形耦合器的信号输入端与所述参考频率信号源20连接，用于接收单端的参考频率信号，环形耦合器的端口2和端口4分别作为环形耦合器的正端差分信号输出端和负端差分信号输出端，从而向信号注入模块50输出两个相位相反、幅度相同的差分信号。

图4为本申请的一个实施例提供的一种环形耦合器的结构示意图，参见图4所示，本实施例中的环形耦合器采用折叠工艺制备，通过折叠技术将共面波导进行折叠，不仅可以有效减小环形耦合器的面积，并通过在折叠的共面波导之间设置隔离层，有效避免波导中的信号干扰的问题。

图5和图6为本申请的一个实施例提供的环形耦合器的仿真得到的s参数，其中，横坐标为频率，纵坐标为s参数，参见图5和图6可知，环形耦合器的端口3作为信号输入端口时，端口1、端口2以及端口4输出的s参数匹配性良好，并在81ghz～260ghz，其s参数均低于-10db。差分输出端口的幅度在153.5～193.2ghz，频率范围内小于0.4db，且在该频段内其插入损耗小于-4.6db。

在一个实施例中，图7是本申请的一个实施例提供的基于环形耦合器的注入锁定振荡电路的输入频率与输出频率的仿真结构示意图，其中，横坐标为输入频率，纵坐标为输出频率，参见图7所示，将本实施例中的基于环形耦合器的注入锁定振荡电路应用于注入锁定太赫兹频率源芯片设计中，电源电压设置为1.2v，输入信号设置为-3dbm时，在不改变电源电压情况下，太赫兹频率源芯片输出的振荡输出信号的频率的锁定范围从310～328ghz。

在一个实施例中，本申请实施例还提供了一种注入锁定振荡器，包括：

用于接收工作电源信号的工作电源端口；

用于接收参考频率信号的参考频率信号源端口；以及

如上述任一项所述的注入锁定振荡电路，所述注入锁定振荡电路分别与所述工作电源端口和所述参考频率信号源端口连接。

本申请实施例提出的一种基于环形耦合器的注入锁定振荡电路及注入锁定振荡器中，通过环形耦合器模块将单端的参考频率信号转换为对应的正端差分信号和负端差分信号，并通过信号注入模块将参考频率信号注入至所述缓冲模块，以使所述缓冲模块输出对应的振荡反馈信号，该振荡反馈信号用于将谐振回路模块生成初始振荡信号的频率锁定为所述参考频率信号源设定的频率范围，然后利用输出匹配模块接收缓冲模块输出的缓冲隔离振荡信号，并对所述缓冲隔离振荡信号的二次谐波输出进行能量增强处理，以输出对应的振荡输出信号，从而减小信号注入模块注入的两个差分信号的相位误差，降低插入损耗，增加注入锁定振荡电路的频率锁定范围。

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。