基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的信號(hào)源的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的信號(hào)源，包括:一個(gè)鎖相環(huán)、一個(gè)注入鎖定振蕩器陣列和一個(gè)功率合成單元。通過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生穩(wěn)定的初始信號(hào)，再利用注入鎖定壓控振蕩器中輸出信號(hào)相位與注入信號(hào)相位之間的關(guān)系，以鎖相環(huán)初始信號(hào)為注入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)注入鎖定振蕩器陣列中各輸出信號(hào)相位的同步，最后利用功率合成單元實(shí)現(xiàn)各相位同步信號(hào)的功率合成，實(shí)現(xiàn)高功率的信號(hào)源輸出。在本實(shí)用新型中，信號(hào)源的輸出功率不再受單個(gè)振蕩器輸出功率的限制，而是與注入鎖定振蕩器的個(gè)數(shù)密切相關(guān)，使信號(hào)源的輸出功率大大提高，為固態(tài)太赫茲源的實(shí)用化和太赫茲波的研究和推廣應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的信號(hào)源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微電子學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的信號(hào)源。

【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(TeraHertz，THz)波是指頻率在0.1?1THz (波長(zhǎng)0.03_3mm)范圍內(nèi)的電磁波，其波段介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間，是電磁波頻譜中有待研究的最后一個(gè)頻譜窗口。太赫茲波結(jié)合了微波和紅外光波的諸多優(yōu)點(diǎn)，具有很多特殊的性質(zhì)，如瞬態(tài)性、寬帶性、相干性和很好的穿透性等，因此太赫茲頻段在醫(yī)學(xué)成像、高速無(wú)線(xiàn)通信、雷達(dá)遙感探測(cè)、反恐緝毒等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
[0003]太赫茲源是實(shí)現(xiàn)太赫茲應(yīng)用的瓶頸，基于光子學(xué)和真空電子學(xué)的太赫茲源具有輸出波長(zhǎng)短、輻射功率高等優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離成像和非破壞高穿透波普研究等領(lǐng)域得到應(yīng)用；但存在所需設(shè)備的體積龐大、能耗高、輸出穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和器件性能的快速提高，太赫茲固態(tài)分立電路或固態(tài)單片集成電路成為實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、可調(diào)諧、小型化太赫茲源的有效方式。但受有源器件擊穿電壓、最高震蕩頻率fmax及互連線(xiàn)和襯底損耗等的限制，固態(tài)太赫茲源的輸出功率較低，通常硅基太赫茲信號(hào)源的功率在微瓦級(jí)別，已報(bào)道的最大功率為lmW，極低的輸出功率使固態(tài)太赫茲源的應(yīng)用和推廣受到了嚴(yán)重的限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的高功率信號(hào)源。
[0005]本實(shí)用新型包括一個(gè)鎖相環(huán)、一個(gè)注入鎖定振蕩器陣列和一個(gè)功率合成單元；鎖相環(huán)的參考信號(hào)輸入端作為信號(hào)源的參考信號(hào)輸入端，鎖相環(huán)的同相輸出端接注入鎖定振蕩器陣列的同相注入端，鎖相環(huán)的反相輸出端接注入鎖定振蕩器陣列的反相注入端；注入鎖定振蕩器陣列的各同相輸出端接功率合成單元的同相輸入端，注入鎖定振蕩器陣列的各反相輸出端接功率合成單元的反相輸入端；功率合成單元的同相輸出端作為信號(hào)源的同相輸出端，功率合成單元的反相輸出端作為信號(hào)源的反相輸出端。
[0006]所述注入鎖定振蕩器陣列包括兩個(gè)以上注入鎖定壓控振蕩器；各注入鎖定振蕩器的同相注入端連接作為注入鎖定振蕩器陣列的同相注入端，各注入鎖定振蕩器的反相注入端連接作為注入鎖定振蕩器陣列的反相相注入端；第一注入鎖定振蕩器的同相輸出端作為注入鎖定振蕩器陣列的第一同相輸出端，第一注入鎖定振蕩器的反相輸出端作為注入鎖定振蕩器陣列的第一反相輸出端；第二注入鎖定振蕩器的同相輸出端作為注入鎖定振蕩器陣列的第二同相輸出端，第二注入鎖定振蕩器的反相輸出端作為注入鎖定振蕩器陣列的第二反相輸出端；以此類(lèi)推；
[0007]所述注入鎖定振蕩器包括六個(gè)NMOS管、四個(gè)電感、兩個(gè)變?nèi)莨芗八母鶄鬏斁€(xiàn)；第一 NMOS管的柵極、第二 NMOS管的漏極、第四NMOS管的漏極、第六NMOS管的源極、第二變?nèi)莨艿囊欢思暗诙姼械囊欢诉B接;第二 NMOS管的柵極、第一 NMOS管的漏極、第三NMOS管的漏極、第五NMOS管的源極、第一變?nèi)莨艿囊欢思暗谝浑姼械囊欢诉B接；第三NMOS管的柵極接注入鎖定振蕩器的同相注入端，第四NMOS管的柵極接注入鎖定振蕩器的反相注入端；第一 NMOS管的源極與第二 NMOS管的源極、第三NMOS管的源極、第四NMOS管的源極連接并接地；第一電感的另一端與第二電感的另一端相連；第一變?nèi)莨艿牧硪欢伺c第二變?nèi)莨艿牧硪欢诉B接，作為注入鎖定振蕩器的外部電壓控制端；第五NMOS管的柵極與第三電感的一端連接，第六NMOS管的柵極與第四電感的一端連接；第三電感的另一端與第四電感的另一端連接，作為注入鎖定振蕩器的電壓偏置端；第五NMOS管的漏極與第一傳輸線(xiàn)的一端連接，第六NMOS管的漏極與第三傳輸線(xiàn)的一端連接；第一傳輸線(xiàn)的另一端與第二傳輸線(xiàn)的一端連接，作為注入鎖定振蕩器的同相輸出端，第三傳輸線(xiàn)的另一端與第四傳輸線(xiàn)的一端連接，作為注入鎖定振蕩器的反相輸出端；第二傳輸線(xiàn)的另一端與第四傳輸線(xiàn)的另一端連接，作為注入鎖定振蕩器的電源輸入端；
[0008]所述第一傳輸線(xiàn)和第三傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度為注入信號(hào)波長(zhǎng)的二分之一；第二傳輸線(xiàn)和第四傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度為注入信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一；
[0009]所述功率合成單元包括四根傳輸線(xiàn)；第五傳輸線(xiàn)的一端作為功率合成單元的同相輸入端；第五傳輸線(xiàn)的另一端與第六傳輸線(xiàn)的一端連接，作為功率合成單元的同相輸出端；第七傳輸線(xiàn)的一端作為功率合成單元的反相輸入端；第七傳輸線(xiàn)的另一端與第八傳輸線(xiàn)的一端連接，作為功率合成單元的反相輸出端；第六傳輸線(xiàn)的另一端、第八傳輸線(xiàn)的另一端接地；
[0010]所述的第五傳輸線(xiàn)、第六傳輸線(xiàn)、第七傳輸線(xiàn)和第八傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度為輸入信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一；
[0011]本實(shí)用新型通過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生穩(wěn)定的初始信號(hào)，再利用注入鎖定壓控振蕩器中輸出信號(hào)相位與注入信號(hào)相位之間的關(guān)系，以鎖相環(huán)初始信號(hào)為注入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)注入鎖定振蕩器陣列中各輸出信號(hào)相位的同步，最后利用功率合成單元實(shí)現(xiàn)各相位同步信號(hào)的功率合成，實(shí)現(xiàn)高功率的信號(hào)源輸出。在本實(shí)用新型中，信號(hào)源的輸出功率不再受單個(gè)振蕩器輸出功率的限制，而是與注入鎖定振蕩器的個(gè)數(shù)密切相關(guān)，使信號(hào)源的輸出功率大大提高，為固態(tài)太赫茲源的實(shí)用化和太赫茲波的研究和推廣應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為圖1中注入鎖定振蕩器陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3為圖2中注入鎖定振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4為圖1中功率合成單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0017]本實(shí)用新型包括一個(gè)鎖相環(huán)1、一個(gè)注入鎖定振蕩器陣列2和一個(gè)功率合成單元3，如圖1所示；鎖相環(huán)I的參考信號(hào)輸入端VMf作為信號(hào)源的參考信號(hào)輸入端Vf，鎖相環(huán)I的同相輸出端ν_+接注入鎖定振蕩器陣列2的同相注入端Viiu.，鎖相環(huán)I的反相輸出端接注入鎖定振蕩器陣列2的反相注入端ViIU_b ;注入鎖定振蕩器陣列2的各同相輸出端^^^接功率合成單元3的同相輸入端Vin+，注入鎖定振蕩器陣列2的各反相輸出端Vwtb，n接功率合成單元3的反相輸入端Vin_ ;功率合成單元3的同相輸出端Vrat+作為信號(hào)源的同相輸出端功率合成單兀的反相輸出端ν__作為信號(hào)源的反相輸出端v_TCe;b。
[0018]所述注入鎖定振蕩器陣列2包括兩個(gè)以上注入鎖定壓控振蕩器(IL0)4，如圖2所示；各注入鎖定振蕩器ILOn的同相注入端Viiu.+連接作為注入鎖定振蕩器陣列2的同相注入端Viiy.，各注入鎖定振蕩器ILOn的反相注入端Viiy__連接作為注入鎖定振蕩器陣列2的反相相注入端ViIU_b ;第一注入鎖定振蕩器ILO1的同相輸出端Vwt+作為注入鎖定振蕩器陣列2的第一同相輸出端Vrat, i,第一注入鎖定振蕩器ILO1的反相輸出端VOTt_作為注入鎖定振蕩器陣列2的第一反相輸出端Vwtbil ;第二注入鎖定振蕩器ILO2的同相輸出端Vwt+作為注入鎖定振蕩器陣列2的第二同相輸出端Vrat,第二注入鎖定振蕩器ILO2的反相輸出端V。*作為注入鎖定振蕩器陣列2的第二反相輸出端Vtjutbi2 ;以此類(lèi)推；
[0019]所述注入鎖定振蕩器4包括六個(gè)NMOS管、四個(gè)電感、兩個(gè)變?nèi)莨芗八母鶄鬏斁€(xiàn)，如圖3所示；第一 NMOS管MNl的柵極、第二 NMOS管ΜΝ2的漏極、第四NMOS管ΜΝ4的漏極、第六NMOS管ΜΝ6的源極、第二變?nèi)莨蹸vm2的一端與第二電感L2的一端連接；第二 NMOS管麗2的柵極、第一 NMOS麗I管的漏極、第三NMOS管麗3的漏極、第五NMOS管的麗5源極、第一變?nèi)莨蹸vml的一端及第一電感L1的一端連接；第三NMOS管ΜΝ3的柵極接注入鎖定振蕩器4的同相注入端Vinj+，第四NMOS管MN4的柵極接注入鎖定振蕩器4的反相注入端Vinj_ ；第一電感L1的另一端與第二電感L2的另一端相連；第一變?nèi)莨蹸vart的另一端與第二變?nèi)莨蹸varf的另一端連接，作為注入鎖定振蕩器4的外部電壓控制端Vtune ;第五NMOS管MN5的柵極與第三電感L3的一端連接，第六NMOS管MN6的柵極與第四電感L4的一端連接；第三電感L3的另一端與第四電感L4的另一端連接，作為注入鎖定振蕩器的電壓偏置端Vbias ；第五匪OS管MN5的漏極與第一傳輸線(xiàn)Tl的一端連接，第六NMOS管MN6的漏極與第三傳輸線(xiàn)T3的一端連接；第一傳輸線(xiàn)Tl的另一端與第二傳輸線(xiàn)T2的一端連接，作為注入鎖定振蕩器4的同相輸出端Vtjut+,第三傳輸線(xiàn)T3的另一端與第四傳輸線(xiàn)T4的一端連接,作為注入鎖定振蕩器4的反相輸出端Vrat-;第二傳輸線(xiàn)T2的另一端與第四傳輸線(xiàn)T4的另一端連接，作為注入鎖定振蕩器4的電源輸入端VDD ；
[0020]所述功率合成單兀3包括四根傳輸線(xiàn)，如圖4所不；第一傳輸線(xiàn)T5的一端作為功率合成單兀3的同相輸入端Vin+ ;第一傳輸線(xiàn)T5的另一端與第二傳輸線(xiàn)T6的一端連接，作為功率合成單兀3的同相輸出端Vout+ ;第三傳輸線(xiàn)T7的一端作為功率合成單兀3的反相輸入端Vin-;第三傳輸線(xiàn)T7的另一端與第四傳輸線(xiàn)T8的一端連接,作為功率合成單兀的反相輸出端Vout-;第二傳輸線(xiàn)T6的另一端、第四傳輸線(xiàn)T8的另一端接地；
[0021]在進(jìn)行上述信號(hào)源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，鎖相環(huán)的輸出頻率范圍由信號(hào)的輸出頻率范圍決定；注入鎖定振蕩器的鎖定頻率范圍應(yīng)該與鎖相環(huán)的輸出頻率范圍匹配；為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的注入鎖定，注入鎖定振蕩器的鎖定頻率范圍要大于鎖相環(huán)的輸出頻率范圍；同時(shí)，鎖相環(huán)輸出信號(hào)的幅度要滿(mǎn)足注入鎖定振蕩器對(duì)輸入信號(hào)幅度的要求；注入鎖定振蕩器的級(jí)數(shù)由信號(hào)源輸出功率的要求、單個(gè)注入鎖定振蕩器的輸出功率、信號(hào)的傳輸損耗、注入鎖定振蕩器對(duì)鎖相環(huán)中壓控振蕩器的負(fù)載效應(yīng)等共同決定；注入鎖定振蕩器的級(jí)數(shù)越多，輸出信號(hào)的功率越大，但對(duì)鎖相環(huán)中振蕩器的負(fù)載效應(yīng)越強(qiáng)，導(dǎo)致鎖相環(huán)輸出信號(hào)的頻率和功率下降；
[0022]根據(jù)注入鎖定振蕩器輸出信號(hào)、輸入信號(hào)的相位關(guān)系:
[0023]
θ=?,ιηι[^wuJ]ωη I,
U ΙΨ?]
[0024]其中，Q為注入鎖定振蕩器諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，1sc為振蕩器的震蕩電流，Iinj為注入信號(hào)電流，Oci為注入鎖定振蕩器的自由震蕩頻率，Oinj為注入信號(hào)的頻率。對(duì)多個(gè)相同的注入鎖定振蕩器來(lái)說(shuō)，其自由震蕩的頻率相同，由諧振網(wǎng)絡(luò)的電感電容值決定；相位不盡相同，由每個(gè)注入鎖定振蕩器自由震蕩的初始相位決定；但在同一個(gè)注入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下達(dá)到穩(wěn)定的注入鎖定時(shí)，根據(jù)上述公式其輸出信號(hào)同相，實(shí)現(xiàn)注入鎖定相位同步的功能。
[0025]注入鎖定震蕩器中的傳輸線(xiàn)Tl和Τ3的長(zhǎng)度為注入信號(hào)波長(zhǎng)的二分之一，傳輸線(xiàn)Τ2和Τ4的長(zhǎng)度為注入信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一；功率合成單元中，傳輸線(xiàn)Τ5、Τ6、Τ7及Τ8的長(zhǎng)度為輸入信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一；結(jié)合圖3和圖4來(lái)分析，假設(shè)功率合成單元輸出負(fù)載端的阻抗為無(wú)窮大，傳輸線(xiàn)Τ5、Τ6、Τ7及Τ8長(zhǎng)度的選取使得功率合成單元輸入端到地的阻抗為零，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效輸入；同時(shí)使傳輸線(xiàn)Τ6從輸出端看進(jìn)去的阻抗為無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效輸出；對(duì)注入鎖定振蕩器來(lái)說(shuō)，傳輸線(xiàn)Τ2和Τ4長(zhǎng)度的選取使得傳輸線(xiàn)Τ2從輸出端看進(jìn)去的阻抗為無(wú)窮大，而功率合成單元輸入端到地的阻抗為零，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效輸出；同時(shí)，Τ2和Τ4長(zhǎng)度的選取使得第五NMOS管ΜΝ5的漏端、第六NMOS管ΜΝ6的漏端到地的阻抗為零，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸；
[0026]盡管本實(shí)用新型的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例做了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)該被認(rèn)為是對(duì)本實(shí)用新型的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本實(shí)用新型的多種修改和替換都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
【權(quán)利要求】
1.基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的信號(hào)源，包括一個(gè)鎖相環(huán)、一個(gè)注入鎖定振蕩器陣列和一個(gè)功率合成單元，其特征在于:鎖相環(huán)的參考信號(hào)輸入端作為信號(hào)源的參考信號(hào)輸入端，鎖相環(huán)的同相輸出端接注入鎖定振蕩器陣列的同相注入端，鎖相環(huán)的反相輸出端接注入鎖定振蕩器陣列的反相注入端；注入鎖定振蕩器陣列的各同相輸出端接功率合成單元的同相輸入端，注入鎖定振蕩器陣列的各反相輸出端接功率合成單元的反相輸入端；功率合成單元的同相輸出端作為信號(hào)源的同相輸出端，功率合成單元的反相輸出端作為信號(hào)源的反相輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的信號(hào)源，其特征在于:所述的注入鎖定振蕩器陣列包括兩個(gè)以上注入鎖定壓控振蕩器；各注入鎖定振蕩器的同相注入端連接作為注入鎖定振蕩器陣列的同相注入端，各注入鎖定振蕩器的反相注入端連接作為注入鎖定振蕩器陣列的反相相注入端。
3.如權(quán)利要求1所述的基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的信號(hào)源，其特征在于:所述的功率合成單兀包括四根傳輸線(xiàn)；第五傳輸線(xiàn)的一端作為功率合成單兀的同相輸入端；第五傳輸線(xiàn)的另一端與第六傳輸線(xiàn)的一端連接，作為功率合成單元的同相輸出端；第七傳輸線(xiàn)的一端作為功率合成單元的反相輸入端；第七傳輸線(xiàn)的另一端與第八傳輸線(xiàn)的一端連接，作為功率合成單元的反相輸出端；第六傳輸線(xiàn)的另一端、第八傳輸線(xiàn)的另一端接地。
4.如權(quán)利要求2所述的基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的信號(hào)源，其特征在于:所述的注入鎖定振蕩器包括六個(gè)NMOS管、四個(gè)電感、兩個(gè)變?nèi)莨芗八母鶄鬏斁€(xiàn)；第一NMOS管的柵極、第二 NMOS管的漏極、第四NMOS管的漏極、第六NMOS管的源極、第二變?nèi)莨艿囊欢思暗诙姼械囊欢诉B接;第二 NMOS管的柵極、第一 NMOS管的漏極、第三NMOS管的漏極、第五NMOS管的源極、第一變?nèi)莨艿囊欢思暗谝浑姼械囊欢诉B接；第三NMOS管的柵極接注入鎖定振蕩器的同相注入端，第四NMOS管的柵極接注入鎖定振蕩器的反相注入端；第一 NMOS管的源極與第二 NMOS管的源極、第三NMOS管的源極、第四NMOS管的源極連接并接地；第一電感的另一端與第二電感的另一端相連；第一變?nèi)莨艿牧硪欢伺c第二變?nèi)莨艿牧硪欢诉B接，作為注入鎖定振蕩器的外部電壓控制端；第五NMOS管的柵極與第三電感的一端連接，第六NMOS管的柵極與第四電感的一端連接；第三電感的另一端與第四電感的另一端連接，作為注入鎖定振蕩器的電壓偏置端；第五NMOS管的漏極與第一傳輸線(xiàn)的一端連接，第六NMOS管的漏極與第三傳輸線(xiàn)的一端連接；第一傳輸線(xiàn)的另一端與第二傳輸線(xiàn)的一端連接，作為注入鎖定振蕩器的同相輸出端，第三傳輸線(xiàn)的另一端與第四傳輸線(xiàn)的一端連接，作為注入鎖定振蕩器的反相輸出端；第二傳輸線(xiàn)的另一端與第四傳輸線(xiàn)的另一端連接，作為注入鎖定振蕩器的電源輸入端。
5.如權(quán)利要求3所述的基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的信號(hào)源，其特征在于:第五傳輸線(xiàn)、第六傳輸線(xiàn)、第七傳輸線(xiàn)和第八傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度為輸入信號(hào)波長(zhǎng)的四分之
O
6.如權(quán)利要求4所述的基于鎖相、注入相位同步和功率合成技術(shù)的信號(hào)源，其特征在于:第一傳輸線(xiàn)和第三傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度為注入信號(hào)波長(zhǎng)的二分之一；第二傳輸線(xiàn)和第四傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度為注入信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一。
【文檔編號(hào)】H03B5/04GK204013483SQ201420487664
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】高海軍, 孫玲玲 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)