一种高效率太赫兹压控振荡器及基于其的锁相环系统

本发明属于太赫兹通信领域，特别涉及一种压控振荡器。

背景技术：

1、太赫兹波所处的频谱位置位于亚毫米波和远红外线之间，其频率覆盖范围为0.1thz～10thz

2、(1thz＝1012hz)，是到目前为止还没有完全开发和应用的电磁波频段。太赫兹波频段位于光子学范畴与电子学范畴的交叠区域，这导致太赫兹波与其他频段电磁波相比具有许多独特的性质。太赫兹波具有宽带性好、穿透性强、安全性高等特性，因此在高速无线通信系统、公共安全检测、成像、生物医学、天文观测等领域具有十分广阔的应用场景。特别是在通信领域，由于太赫兹通信技术具有频谱资源宽、保密性好、数据传输能力强(>100gbit/s)、方向性好等众多优点，其将在未来高速无线通信中发挥重要作用。

3、压控振荡器(vco)是当代射频收发机的一个重要组成部分，压控振荡器无论是在发射机部分的上变频载波调制还是在接收机部分的下变频解调中都起着非常重要的作用，是整个通信系统的基础模块之一，其性能对于系统的通信质量有着非常重要的影响。因此高性能太赫兹通信系统的实现必定需要具有优良性能的太赫兹压控振荡器来支撑负责产生预期频率的信号以用于上、下变频。对于覆盖数百khz至数百ghz的宽频带的各种无线通信标准而言，开发宽频带调谐和低相位噪声的vco是一项具有挑战性的任务。

4、传统交叉耦合振荡器如图1所示，其由晶体管mp、mn，栅漏电容cgdp、cgdn，漏极电感ldsp、ldsn以及负载电阻rlp、rln构成，各对称位置上的器件具有相同参数值。压控振荡器控制电压vt接晶体管衬底，vt直流电压的变化会引起晶体管漏极寄生电容的变化，从而改变压控振荡器的输出频率。压控振荡器的功率从vop及von端输出至负载rlp及rln。

5、图1所示的传统交叉耦合振荡器在拓扑结构上浅显易懂，但该结构无法使单个晶体管工作在输出最大功率状态，所以不能使得振荡器输出最大功率或最大转换效率。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种高效率太赫兹压控振荡器，本发明的振荡器可以输出最大功率或最大转换效率。

2、本发明采用的技术方案之一为：一种高效率太赫兹压控振荡器，包括：第一晶体管mp、第二晶体管mn、第一电感lgg、第二电感ldsp、第三电感ldsn、第一负载电阻rlp、第二负载电阻rln、第一电容cgdp、第二电容cgdn；

3、第一晶体管mp栅极与第一电感lgg第一端相连，第一电感lgg第二端连接第二晶体管mn栅极；

4、第一晶体管mp栅极还包括依次通过第二电容cgdn、第二负载电阻rln后接地；

5、第一晶体管mp漏极通过第二电感ldsp接电源vdd；第二晶体管mn漏极通过第三电感ldsn接电源vdd；

6、第一晶体管mp源极接地，第二晶体管mn源极接地。

7、压控振荡器控制电压vt分别接第一晶体管mp衬底、第二晶体管mn衬底。

8、本发明提供的技术方案之二为：基于本发明振荡器的锁相环系统，包括：驱动放大器、鉴频鉴相器、低通滤波器、高效率太赫兹压控振荡器、分频器、第三负载、第四负载；驱动放大器的输入为参考输入信号，驱动放大器的输出端接鉴频鉴相器的第一输入端，鉴频鉴相器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接高效率太赫兹压控振荡器的输入端，高效率太赫兹压控振荡器的第一输出端接第三负载的第一端，第三负载的第二端接第四负载的第一端，第四负载的第二端接高效率太赫兹压控振荡器的第二输出端；高效率太赫兹压控振荡器的第一输出端还包括接分频器的第一输入端，高效率太赫兹压控振荡器的第二输出端还包括接分频器的第二输入端，分频器的输出端接鉴频鉴相器的第二输入端。

9、本发明的有益效果：本发明的差分结构高效率压控振荡器电路，由晶体管mp、mn，栅极电感lgg，栅漏电容cgdp、cgdn，漏极电感ldsp、ldsn以及负载电阻rlp、rln构成，各对称位置上的器件具有相同参数值；压控振荡器控制电压vt接晶体管衬底，vt直流电压的变化会引起晶体管漏极寄生电容的变化，从而改变压控振荡器的输出频率。压控振荡器的功率从vop及von端输出至负载rlp及rln。本发明可以使单个晶体管工作在输出最大功率状态，从而使得振荡器输出最大功率或最大转换效率。

技术特征：

1.一种高效率太赫兹压控振荡器，其特征在于，包括：第一晶体管、第二晶体管、第一电感、第二电感、第三电感、第一负载电阻、第二负载电阻、第一电容、第二电容；

2.根据权利要求1所述的一种高效率太赫兹压控振荡器，其特征在于，压控振荡器控制电压vt分别接第一晶体管mp衬底、第二晶体管mn衬底。

3.根据权利要求2所述的一种高效率太赫兹压控振荡器，其特征在于，所述压控振荡器为左右对称结构，第二电感的电感值等于第三电感的电感值，第一负载电阻的电阻值等于第二负载电阻的电阻值，第一电容的电容值等于第二电容的电容值。

4.根据权利要求3所述的一种高效率太赫兹压控振荡器，其特征在于，记第一电感的电感值为lgg、第二电感的电感值为ldsp、第三电感的电感值为ldsn、第一负载电阻的电阻值为rlp、第二负载电阻的电阻值为rln、第一电容的电容值为cgdp、第二电容的电容值为cgdn，根据压控振荡器呈左右对称结构的性质，lgg，cgdp，cgdn，ldsp，ldsn，rlp，rln计算过程为：

5.一种基于权利要求4所述压控振荡器的锁相环系统，其特征在于，包括：驱动放大器、鉴频鉴相器、低通滤波器、高效率太赫兹压控振荡器、分频器、第三负载、第四负载；驱动放大器的输入为参考输入信号，驱动放大器的输出端接鉴频鉴相器的第一输入端，鉴频鉴相器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接高效率太赫兹压控振荡器的输入端，高效率太赫兹压控振荡器的第一输出端接第三负载的第一端，第三负载的第二端接第四负载的第一端，第四负载的第二端接高效率太赫兹压控振荡器的第二输出端；

技术总结
本发明公开一种高效率太赫兹压控振荡器及基于其的锁相环系统，应用于太赫兹通信领域，针对现有技术还不能使振荡器输出最大功率或最大转换效率的问题；本发明在传统交叉耦合振荡器的基础上，在两晶体管栅级之间加了个栅极电感L<subgt;gg</subgt;，提供将两个晶体管M<subgt;P</subgt;、M<subgt;N</subgt;工作到最大功率附加效率状态，使得本发明改进后的压控振荡器输出最大功率或得到最大直流至射频转换效率；同时采用本发明所示高效率振荡器结构的锁相环系统，可省去多路输出所需高损耗的功分器等器件，从而节约锁相环整体功耗。

技术研发人员：丁川,张铁笛,刘耀光,张勇
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14