一種c波段壓控振蕩器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種C波段壓控振蕩器，包括用于改變諧振頻率的負(fù)載電路、用于使整個(gè)電路振蕩的晶體管電路、用于滿足振蕩條件的終端電路以及第一、第二匹配電路，所述負(fù)載電路經(jīng)所述第一匹配電路連接所述晶體管電路，所述晶體管電路經(jīng)所述第二匹配電路連接所述終端電路。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)中心頻率為C波段內(nèi)任意一頻點(diǎn)的壓控振蕩器，電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，對(duì)加工精度要求不高，具有較高的性價(jià)比；另外還具有相噪低、調(diào)諧范圍寬、線性度好、輸出功率高、帶內(nèi)功率平坦等特點(diǎn)。
【專利說明】一種C波段壓控振蕩器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓控振蕩器(voltage-controlled oscillator,簡(jiǎn)稱VC0),特別是涉及一種C波段壓控振蕩器，屬于微波通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著通信領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備的要求越來越高，而壓控振蕩器是射頻通信系統(tǒng)中非常重要的組成元件之一。壓控振蕩器是指輸出頻率與輸入控制電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系的振蕩電路，即輸出頻率是輸入信號(hào)電壓的函數(shù)。它主要應(yīng)用于鎖相環(huán)路和頻率合成器中，用來實(shí)現(xiàn)精確的參考頻率，對(duì)通信系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外研究和生產(chǎn)集成壓控振蕩器VCO的單位眾多，國(guó)外生產(chǎn)商主要有Crystek Corporation^ RF Micro Devices Inc等,其生產(chǎn)的VCO性能優(yōu)越,但價(jià)格也較高，如 Crystek Corporation 的 CVC055BH-4100-4300,頻率范圍 4100~4300MHz，相位噪聲-113dBc/HZ@100kHZ，批發(fā)價(jià)至少30美元。從國(guó)內(nèi)具有代表性的科研單位，如中國(guó)科學(xué)院微電子研究所、復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所等發(fā)表的文獻(xiàn)可以看出，國(guó)內(nèi)在C波段VCO的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中多采用0.18μπι的CMOS工藝，在IMHz頻偏處的相位噪聲往往能達(dá)到-llOdBc/Hz，性能較高的能達(dá)到-120dBc/Hz以下，但同樣存在設(shè)計(jì)復(fù)雜與成本較高的問題，性價(jià)比不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，對(duì)加工精度要求不高，具有較高的性價(jià)比的C波段壓控振蕩器。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種C波段壓控振蕩器，包括用于改變諧振頻率的負(fù)載電路、用于使整個(gè)電路振蕩的晶體管電路、用于滿足振蕩條件的終端電路以及第一、第二匹配電路，所述負(fù)載電路經(jīng)所述第一匹配電路連接所述晶體管電路，所述晶體管電路經(jīng)所述第二匹配電路連接所述終端電路；所述晶體管電路包括晶體管、第一~第八電容、第一~第二電阻、第一~第三微帶線、第一~第二微帶短截線、第一~第二直流電源，所述第一電容的一端、晶體管的漏極和第一微帶線的一端共點(diǎn)連接，第一微帶線的另一端、第一微帶短截線和第一電阻的一端共點(diǎn)連接，第一電阻的另一端連接第一直流電源的正極，第六、第七、第八電容分別并聯(lián)在第一直流電源的正負(fù)極兩端；晶體管的柵極經(jīng)第二微帶線接地；第二電容、晶體管的源極和第三微帶線的一端共點(diǎn)連接，第三微帶線的另一端、第二微帶短截線和第二電阻的一端共點(diǎn)連接，第二電阻的另一端連接第二 直流電源的正極，第三、第四、第五電容分別并聯(lián)在第二直流電源的正負(fù)極兩端；第一、第二直流電源的負(fù)極均接地；所述負(fù)載電路包括第一~第二變?nèi)荻O管、第九~第十二電容、第四~第六微帶線、第三微帶短截線、第三直流電源，所述第九電容的一端、第一變?nèi)荻O管的陰極、第二變?nèi)荻O管的陰極和第四微帶線的一端共點(diǎn)連接，第四微帶線的另一端、第三微帶短截線和第三直流電源的正極共點(diǎn)連接，第十、第十一、第十二電容分別并聯(lián)在第三直流電源的正負(fù)極兩端，第一變?nèi)荻O管的陽(yáng)極經(jīng)第五微帶線接地，第二變?nèi)荻O管的陽(yáng)極經(jīng)第六微帶線接地，第三直流電源的負(fù)極接地。
[0006]進(jìn)一步的，所述終端電路包括一大小為50 Ω的電阻。
[0007]進(jìn)一步的，所述第一匹配電路包括第七微帶線、與第九電容另一端連接的接地振蕩器端口、使第七微帶線、第一電容的另一端和接地振蕩器端口共點(diǎn)連接的三端口連接器。
[0008]進(jìn)一步的，所述第二匹配電路包括與所述第二電容連接的第八微帶線。
[0009]優(yōu)選的，所述晶體管為BFP640-NPN型硅鍺型RF晶體管。
[0010]優(yōu)選的，所述變?nèi)荻O管為SMV2019-079硅超突變節(jié)變?nèi)荻O管。
[0011]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:可以實(shí)現(xiàn)中心頻率為C波段內(nèi)任意一頻點(diǎn)的壓控振蕩器，電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，對(duì)加工精度要求不高，具有較高的性價(jià)比；另外還具有相噪低、調(diào)諧范圍寬、線性度好、輸出功率高、帶內(nèi)功率平坦等特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的一種C波段壓控振蕩器的原理框圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的一種C波段壓控振蕩器的整體電路圖。
[0014]其中:C1~C12為電容，RU R2、Terml為電阻，TLl~TL8為微帶線，Teel~Tee6為三端口連接器，Stubl~Stub3為微帶短截線，Crosl為四端口連接器，Oscl為接地振蕩器端口，SMV2019-r2為變?nèi)荻O管，Xl為晶體管，SRCf SRC3為直流電源，Vf V3為微帶接地圓孔，Stubl~Stub3為微帶短截線。
[0015]圖3是本發(fā)明的瞬態(tài)仿真起振圖。
[0016]圖4是本發(fā)明的諧波平衡仿真-調(diào)頻線性度仿真圖。
[0017]圖5是本發(fā)明的諧波平衡仿真-輸出功率隨輸出頻率變化的曲線圖。
[0018]圖6是本發(fā)明的諧波平衡仿真-各次諧波仿真圖。
[0019]圖7是本發(fā)明的諧波平衡仿真-相位噪聲仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0021]如圖1所示，一種C波段壓控振蕩器包括負(fù)載電路、晶體管電路、終端電路以及第一、第二匹配電路，負(fù)載電路經(jīng)第一匹配電路連接晶體管電路，晶體管電路經(jīng)第二匹配電路連接終端電路，負(fù)載電流通過電壓的改變來改變變?nèi)荻O管的電容量，從而改變頻率；晶體管電路主要是通過場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)電壓控制來控制整個(gè)電路，通過設(shè)置場(chǎng)效應(yīng)管的靜態(tài)工作點(diǎn)來確定S參數(shù)，從而確定晶體管的穩(wěn)定系數(shù)，以判斷晶體管滿足的振蕩條件；終端電路主要要求是能夠使輸入端口的電壓反射系數(shù)I I'ΙΝ|>1，從而達(dá)到振蕩的條件。
[0022] 如圖2所示為本發(fā)明的一種C波段壓控振蕩器的整體電路圖，晶體管電路包括晶體管X1、電容C1~C8、電阻Rl、R2、微帶線TL1~TL3、三端口連接器Teel~Tee4、微帶短截線StubfStub2、直流電源SRCf SRC2、微帶接地圓孔VI，Cl經(jīng)Teel連接晶體管Xl的漏極，Teel的第三端口經(jīng)TLl和Tee3連接Rl的一端，Rl的另一端連接SRCl的正極，C6、C7、C8分別并聯(lián)在SRCl的正負(fù)極兩端，Tee3的第三端口連接Stubl ;晶體管Xl的柵極經(jīng)TL2和Vl接地；晶體管Xl的源極經(jīng)Tee2連接C2，Tee2的第三端口經(jīng)TL3和Tee4連接R2的一端，R2的另一端連接SRC2的正極，C3、C4、C5分別并聯(lián)在SRC2的正負(fù)極兩端，Tee4的第三端口連接Stub2 ；SRC1和SRC2的負(fù)極均接地。
[0023]負(fù)載電路包括第一~第二變?nèi)荻O管SMV2019-1~2、電容C9~C12、微帶線TL4~TL6、三端口連接器Tee5、微帶短截線Stub3、直流電源SRC3、微帶接地圓孔V2~V3、四端口連接器Crosl,SMV2019-l的陰極和SMV2019-2的陰極分別連接Crosl相對(duì)的兩個(gè)端口，SMV2019-1的陽(yáng)極經(jīng)TL5和V2接地，SMV2019-2的陽(yáng)極經(jīng)TL6和V3接地；Crosl的第三端口連接C9 ；Crosl的第四端口經(jīng)TL4和Tee5連接SRC3的正極，CIO、Cll、C12分別并聯(lián)在SRC3的正負(fù)極兩端，Tee5的第三端口連接Stub3，SRC3的負(fù)極接地。
[0024]終端電路為通過一段四分之一波長(zhǎng)的高阻抗線連接一個(gè)50 Ω的電阻，設(shè)計(jì)主要要求能夠使輸入端口的電壓反射系數(shù)I ΙΝ|>1 ;第一匹配電路包括與Cl連接的Tee6、與Tee6的第二端口連接的TL7、與Tee6的第三端口連接的接地振蕩器端口 0scl，0scl的另一端連接C9 ;第二匹配電路包括與C2連接的TL8。
[0025]對(duì)于晶體管的選取，選取Ι/f噪聲較小，可以工作在低頻及中頻區(qū)的RF晶體管，并且在工作的頻帶內(nèi)具有低噪聲的特點(diǎn)?；谏鲜隹紤]，本發(fā)明選用Infineon公司的BFP640-NPN型硅鍺型RF晶體管，該晶體管最佳噪聲在3_5GHz頻帶范圍內(nèi)優(yōu)于ldB，截止頻率達(dá)到了 70GHz，完全滿足作為振蕩管的要求。 [0026]另外，選取SKY W0RKS的SMV2019-079硅超突變節(jié)變?nèi)荻O管作為本發(fā)明中使用的變?nèi)荻O管，該變?nèi)荻O管 串聯(lián)電阻小，變?nèi)荼却?。在電路中安裝了兩個(gè)同樣的變?nèi)荻O管，形成反串聯(lián)的形式，這樣 的結(jié)構(gòu)中，由于射頻信號(hào)加在兩個(gè)變?nèi)荻O管上的電壓方向相反，所以當(dāng)射頻信號(hào)使一個(gè)變?nèi)荻O管的等效電容增大時(shí)，另一個(gè)變?nèi)荻O管的等效電容會(huì)減小，從而可以抑制射頻信號(hào)對(duì)變?nèi)荻O管等效電容的影響。
[0027]整體電路就是將上述變?nèi)荻O管調(diào)諧電路、晶體管直流偏置電路、終端電路通過第一和第二匹配電路相連接，電路中的微帶線主要用于匹配變?nèi)荻O管調(diào)諧電路和晶體管直流偏置電路，以滿足壓控振蕩器的起振條件。除此之外，對(duì)于電容、電阻的選取，除了滿足耐壓及功率要求外，還要根據(jù)它們?cè)陔娐分械淖饔眠M(jìn)行選擇。對(duì)于充電諧振器件及高頻通路的電容，要選擇封裝小的，Q值高的器件以減小寄生參量及損耗的電容；對(duì)于隔直電容，要考慮到它的損耗，不能選擇電容值大損耗也大的電容，當(dāng)然也不能選容值過小的電容；對(duì)于電阻，小封裝、阻值及功率滿足要求即可。
[0028]如圖3所示，為本發(fā)明的瞬態(tài)仿真起振圖，橫軸代表時(shí)間/納秒，縱軸代表輸出電壓/伏，其中ml代表當(dāng)時(shí)間為25.73納秒時(shí)，輸出電壓為1.336伏，m2代表當(dāng)時(shí)間為38.90納秒時(shí)，輸出電壓為1.332伏，仿真結(jié)果表明，該壓控振蕩器可以穩(wěn)定振蕩，振蕩時(shí)間較短(約為6ns) ο
[0029]如圖4所示，為本發(fā)明 的諧波平衡仿真-調(diào)頻線性度仿真圖，橫軸代表調(diào)諧電壓/伏，縱軸代表調(diào)頻線性度/赫茲，其中ml代表當(dāng)調(diào)諧電壓為1.000伏時(shí)，調(diào)頻線性度為
4.524GHz, ind Delta代表m2到ml的電壓差為9.000伏，dep Delta代表m2到ml的頻率差為235.5MHz,圖中的點(diǎn)狀線為調(diào)頻線性度曲線，直線為計(jì)算線性度所用的直線，可見在調(diào)諧電壓為f IOV時(shí)，調(diào)頻線性度較好，計(jì)算得到調(diào)頻線性度優(yōu)于3%。
[0030]如圖5所示，為本發(fā)明的諧波平衡仿真-輸出功率隨輸出頻率變化的曲線圖，橫軸代表輸出頻率/赫茲，縱軸代表輸出功率/分貝毫瓦，其中m3代表當(dāng)輸出頻率為4.572GHz時(shí)，輸出功率為11.98dBm，m4代表當(dāng)輸出頻率為4.760GHz時(shí)，輸出功率為11.687dBm，仿真結(jié)果表明，該VCO輸出功率在11.65 dBm以上，并且在4.524GHz^4.759GHz范圍內(nèi)，隨著輸出頻率的變化，VCO的輸出功率變化并不大，完全滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
[0031]如圖6所示，為本發(fā)明的諧波平衡仿真-各次諧波仿真圖，橫軸代表諧波次數(shù)/次，縱軸代表功率/分貝毫瓦，其中ml代表諧波次數(shù)為I次時(shí)，功率為11.950 dBm，仿真結(jié)果表明二次諧波比基波低。
[0032]如圖7所示，為本發(fā)明的諧波平衡仿真-相位噪聲仿真圖，橫軸代表噪聲頻率/兆赫，縱軸代表相位噪聲/dBc，其中m2代表在偏移中心頻率為100.0kHz時(shí)，相位噪聲達(dá)-94.51dBc/Hz, m3代表在偏移中心頻率為1.0OOMHz時(shí)，相位噪聲達(dá)-114.7dBc/Hz。
[0033]從圖3至圖7仿真結(jié)果表明，該VCO中心頻率4.64GHz處相位噪聲_95.4dBc/Hz,在調(diào)諧電壓1-10V變化時(shí)，頻率范圍為235 MHz，且調(diào)頻線性度優(yōu)于3%，輸出最大功率可達(dá)
11.65 dBm，帶內(nèi)功率平坦度為±0.2 dBm。綜上所述，一種C波段壓控振蕩器的設(shè)計(jì)得到了驗(yàn)證。
[0034]以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想 ，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種C波段壓控振蕩器，其特征在于:包括用于改變諧振頻率的負(fù)載電路、用于使整個(gè)電路振蕩的晶體管電路、用于滿足振蕩條件的終端電路以及第一、第二匹配電路，所述負(fù)載電路經(jīng)所述第一匹配電路連接所述晶體管電路，所述晶體管電路經(jīng)所述第二匹配電路連接所述終端電路； 所述晶體管電路包括晶體管、第一?第八電容、第一?第二電阻、第一?第三微帶線、第一?第二微帶短截線、第一?第二直流電源，所述第一電容的一端、晶體管的漏極和第一微帶線的一端共點(diǎn)連接，第一微帶線的另一端、第一微帶短截線和第一電阻的一端共點(diǎn)連接，第一電阻的另一端連接第一直流電源的正極，第六、第七、第八電容分別并聯(lián)在第一直流電源的正負(fù)極兩端；晶體管的柵極經(jīng)第二微帶線接地；第二電容、晶體管的源極和第三微帶線的一端共點(diǎn)連接，第三微帶線的另一端、第二微帶短截線和第二電阻的一端共點(diǎn)連接，第二電阻的另一端連接第二直流電源的正極，第三、第四、第五電容分別并聯(lián)在第二直流電源的正負(fù)極兩端；第一、第二直流電源的負(fù)極均接地； 所述負(fù)載電路包括第一?第二變?nèi)荻O管、第九?第十二電容、第四?第六微帶線、第三微帶短截線、第三直流電源，所述第九電容的一端、第一變?nèi)荻O管的陰極、第二變?nèi)荻O管的陰極和第四微帶線的一端共點(diǎn)連接，第四微帶線的另一端、第三微帶短截線和第三直流電源的正極共點(diǎn)連接，第十、第十一、第十二電容分別并聯(lián)在第三直流電源的正負(fù)極兩端，第一變?nèi)荻O管的陽(yáng)極經(jīng)第五微帶線接地，第二變?nèi)荻O管的陽(yáng)極經(jīng)第六微帶線接地，第三直流電源的負(fù)極接地。
2.如權(quán)利要求1所述C波段壓控振蕩器，其特征在于:所述終端電路包括一電阻。
3.如權(quán)利要求2所述C波段壓控振蕩器，其特征在于:所述電阻大小為50Ω。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述C波段壓控振蕩器，其特征在于:所述第一匹配電路包括第七微帶線、與第九電容另一端連接的接地振蕩器端口、使第七微帶線、第一電容的另一端和接地振蕩器端口共點(diǎn)連接的三端口連接器。
5.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述C波段壓控振蕩器，其特征在于:所述第二匹配電路包括與所述第二電容連接的第八微帶線。
6.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述C波段壓控振蕩器，其特征在于:所述晶體管為BFP640-NPN型硅鍺型RF晶體管。
7.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述C波段壓控振蕩器，其特征在于:所述變?nèi)荻O管為SMV2019-079硅超突變節(jié)變?nèi)荻O管。
【文檔編號(hào)】H03B5/32GK103973228SQ201410157423
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】李家強(qiáng), 李垚, 葛俊祥, 潘安, 李彪 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)