CN100517950C

CN100517950C - 一种振荡器耦合系统

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Publication number: CN100517950C
Application number: CNB2006100583867A
Authority: CN
Inventors: 张恒嘉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: CN101030755A

Abstract

本发明涉及一种振荡器耦合系统，包括多个振荡元件及多个延迟元件，该延迟元件连接于至少两个振荡元件之间且该多个延迟元件之间有特定的相位或时间延迟关系，通过该延迟元件耦合该至少两个振荡元件的相位或频率噪声抑制关联特性，在电路系统运作中降低噪声的自动相关性，以增进相位或频率噪声的抑制效果，并且避免使用占空间的固态循环器或隔离器或共振腔，以减少信号失真及增加系统稳定度。

Description

一种振荡器耦合系统

技术领域

本发明涉及一种减少噪声的技术，尤其是涉及一种应用于在高频/低频环境下提供相位或频率噪声抑制的振荡器耦合系统。

背景技术

在通信电路和电子系统中，因为信号来源或振荡产生元件产生噪声，将造成限制系统整体效率的结果，其中，噪声干扰的产生原因有许多，如雷击、周边负载设备的开关机、发电机、无线电通信、导线接触不良、开关接合不良、接地方式不当及无线电波干扰等。若产生噪声的现象未经排除，在例如储存设备上则易导致数据文件存取或可执行文件的随机错误，在电子产品上则容易导致计算器及控制器的不正常动作或干扰通信系统。

为了减少噪声的影响，很多业者开发出相位或频率噪声降低的技术，包括有使用于半导体装置上的低频振荡噪声抑制、特殊的振荡器电路设计、高品质因子(Q-factor)的共振器设计、及注入信号(injection signal)作为相位锁定(phase locked)以实现降低相位或频率噪声等技术，其中，该注入信号降低相位或频率噪声技术又可分为高频信号注入、低频信号注入以及高频振荡器信号低频振荡器信号混和信号注入，但有鉴于科技的越发进步，电子与通信领域运用于高频的系统也越来越多。

请参阅图1a所示，为现有振荡器耦合系统的方块示意图，如图所示，利用第一振荡元件11’与第二振荡元件13’间串接一延迟元件21’，用以将该第一振荡元件11’产生的频率及噪声通过该延迟元件21’输入至该第二振荡元件13’的输出端，将该第二振荡元件13’产生的频率及噪声通过该延迟元件21’输入至该第一振荡元件11’的输出端，使得不同振荡器的输出信号实现相同工作频率，并且造成相位锁定(phase locked)，并通过不同振荡器的噪声输入使电路系统间产生一定相位或频率噪声抑制程度的相关性，而经过相位或频率噪声降低后的振荡信号再提供电路负载使用，可获得一较稳定的工作环境。因此，现有振荡器耦合系统已被用在高功率结合(Power Combining)系统及主动相位数组(Active Phased Array)等应用。

请参阅图1b所示，利用经相位移和相互注入振荡信号作为相位锁定(phase locked)以抑制噪声的产生，其中，该振荡器耦合方式与需求元件都与上述大致相同，惟其主要差异在于第二振荡元件13’输出后再通过一相移元件15’将振荡信号与噪声的相位移动一设定角度再进行两振荡元件间噪声的抑制，并且可以抑制振荡器中的一模式频率的信号，而提高另一模式频率的信号。如此，可提高振荡器中特定频率信号的功率结合，其整个耦合电路被称为推入-推入(push-push)振荡器，该耦合电路与任何单一振荡器相比，具有6dB信号功率的改善。

另外，如图1c图所示的现有技术，以两个相反方向的单向放大器所组成的一延迟元件21’设置于两个振荡元件电路间，以实现两个振荡元件噪声抑制相关连的特性，如已知的交互耦合(cross-coupled)振荡器和象限角耦合(Quadrature-coupled)振荡器，需注意的是，该延迟元件21’不可破坏振荡元件本身产生振荡的特性。

上述现有振荡器耦合系统将两个振荡器间连接一耦合电路，而该耦合电路可以传输振荡器中的振荡信号。若连接两个振荡器的电路仅提供不随时间变化的固定直流(DC)电压或直流(DC)电流或接地(Ground)，则不能算是耦合电路，若没有该耦合电路，两个振荡器的振荡信号则没有相关性。因此，通过两个振荡器本身都具有噪声的特性，配合该耦合电路在两个振荡器的噪声间产生不同噪声振幅相互抵销的耦合性质，借此达到一定程度的噪声抑制作用，使在稳定输出信号频率条件下，最佳降低达10log2＝3dB的相位噪声，而在N个振荡器同相耦合系统的环境下(N为一正整数)，其最佳只降低10logN dB的相位噪声(phase noise)。

但是由于科技的进步，卫星通信、卫星网络、卫星定位、及无线网络工作的频率越来越高，已达数十MHz至数十GHz之高，前述的耦合至少两个以上的振荡器的技术若无法更有效地降低噪声的影响，则会使得整个通信系统的信号噪声比受到限制，而影响到系统的最小可检测信号功率，以致于信号的有效传输与接收距离受到限制，且有频宽不足的问题产生。

因此，如何有效解决上述技术所存在的问题，并开发出可符合高频电路需求及具有更佳相位或频率噪声抑制效果的系统，以增加系统工作频宽、提高运作效率及避免相位或频率噪声影响输出效果，为目前相关领域所亟待解决的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种振荡器耦合系统，以简易的电路元件简化噪声抑制的难度。

本发明所要解决的另一目的在于提供一种振荡器耦合系统，以增进相位或频率噪声的抑制效果，减少失真，增加系统稳定度。

本发明所要解决的又一目的在于提供一种振荡器耦合系统，使高频应用时可增加频宽，减少相位或频率噪声干扰，改变输入输出阻抗并达到节能的效果。

为了实现上述目的本发明提供一种振荡器耦合系统，包括多个振荡元件；至少一第一延迟元件，连接于至少两个振荡元件之间，作为相互注入振荡器的信号，以实现相位锁定(phase locked)；以及至少一第二延迟元件，连接于至少两个振荡元件之间并引入相较于第一延迟元件至少数倍以上的相位或时间延迟参数，以供耦合具有相位或频率噪声抑制关连特性的至少两个振荡元件，并降低振荡器的噪声的自动相关性(autocorrelation)，以于系统运作中实现增进噪声抑制的功效。

该第一延迟元件选自可调式电阻电容电感复合电路元件、及双向放大器(即两个反方向单向放大器)其中一个，用以将至少两个振荡元件的振荡信号相互注入，以达成相位锁定(phase locked)，而最佳的相位延迟可达π的整数倍，其中，在可调的工作频率范围内该延迟最佳值与至少两个振荡器的等效电路模型相关，而为使至少两个振荡器间具有更佳的噪声抑制效果，使该第二延迟元件的相位或时间延迟数值(即第二与第一延迟元件的相位或时间延迟差值)至少设置为第一延迟元件的数倍以上。

再者，该第二延迟元件可提供额外的设计自由度，而供串接电阻，用以提供调整该第二延迟元件的品质因素与注入信号的强弱，另外，该第二延迟元件选自可调式电阻电容电感复合电路元件、延迟信号线、延迟IC、单向放大器、及双向放大器的其中至少一个，以配合系统电路调整该第二延迟元件的时间延迟参数及其等效相位延迟参数；而该第二延迟元件供振荡器注入信号的时间延迟或相位延迟，以降低振荡元件的噪声的自动相关性(autocorrelation)，从而实现较佳的耦合相位或频率噪声抑制关连特性，使该振荡器耦合系统可配合不同产品的电路特性进行校调或最佳化设计。

本发明所提出的振荡器耦合系统在至少两个振荡元件间利用至少一第一延迟元件及至少一第二延迟元件的耦合配置，以供降低振荡器的噪声自动相关性(autocorrelation)，达成较佳的相位或频率噪声抑制效果，再通过电阻与该第二延迟元件的串联，以调整该第二延迟元件的品质因素与注入信号的强弱，以及配合系统电路调整第二延迟元件的时间延迟参数及其等效相位延迟参数。该振荡器耦合系统以简易的电路元件，避免使用占空间的固态(SolidState)循环器(Circulator)或隔离器(Isolator)或共振腔(Resonator)，同时简化噪声抑制的难度，从而增进噪声的抑制效果、减少信号失真、增加系统稳定度，同时可通用于高频与低频相关应用产品的系统工作环境下，且具备增加频宽、减少噪声干扰、改变输入输出阻抗以达到省能的功效。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1a为现有振荡器耦合系统的方块示意图；

图1b为现有可应用于高频的振荡器耦合系统的方块示意图；

图1c为现有耦合于振荡器内部系统的方块示意图；

图2为本发明振荡器耦合系统的方块示意图；

图3为本发明振荡器单向放大耦合系统的方块示意图；

图4为本发明振荡器双向放大耦合系统的方块示意图；

图5为本发明应用于高频环境的振荡器耦合系统的方块示意图；

图6为本发明耦合于振荡器内部系统的方块示意图；

图7为本发明输出与非输出端使用混波器混波后通过滤波器及放大器调变双向耦合的振荡器系统的方块示意图；

图8为本发明输出与非输出端使用混波器混波后通过滤波器及放大器调变单向耦合的振荡器系统的方块示意图；

图9为本发明振荡器耦合系统内的延迟元件与电阻串联的方块示意图；

图10为本发明振荡器耦合系统调整注入信号强弱以改变品质因素与相位延迟参数对系统影响的示意图；以及

图11为本发明振荡器耦合系统抑制相位或频率噪声效果与现有技术的比较示意图。

11、11’-第一振荡元件 13、13’-第二振荡元件

15、15’-相移元件 21-第一延迟元件

21’-延迟元件

23、23’、25’、27’、29’-第二延迟元件

231、233-单向放大器 235-混波器

237-滤波器 239-电阻

31、33、31’、33’-负载

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，熟悉此技术领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效

请参阅图2，为本发明的振荡器耦合系统的方块示意图，如图所示，本发明的振荡器耦合系统包括多个振荡元件11与13；连接于至少两个振荡元件11与13之间的第一延迟元件21；以及连接于该至少两个振荡元件11与13之间，并与该第一延迟元件21相并联的第二延迟元件23，通过该第二延迟元件23引入相较于第一延迟元件21至少数倍以上的相位或时间延迟参数(即第二与第一延迟元件的相位或时间延迟差值，为第一延迟元件21的相位或时间延迟值的数倍以上)以耦合具有相位或频率噪声抑制关联特性的多个振荡元件11与13，并降低振荡器的噪声的自动相关性(autocorrelation)，以在系统运作中达成增进噪声抑制的功效，而可再降低至少数dB至数十dB的噪声。

该第一延迟元件21将第一振荡元件11的输出端与第二振荡元件13的输出端连接，而该第二延迟元件23则与该第一延迟元件21并联，并设于第一振荡元件11的输出端与第二振荡元件13的输出端之间用以增加至少两个振荡器的相互注入信号的时间或相位延迟，来抑制噪声的自动相关性(autocorrelation)，以降低振荡器的噪声，也即通过该第一延迟元件21与该第二延迟元件23串接于具有相位或频率噪声抑制关连特性的至少两个振荡元件(也即为第一振荡元件11与第二振荡元件13)，以增强其相位或频率噪声抑制关联特性与效果，以获得较佳的噪声抑制的输出效益，且对负载31及负载33而言具有更佳的电性效果，而该第一延迟元件21与该第二延迟元件23可为双向信号线。

请参阅图3，为本发明的振荡器单向放大耦合系统的方块示意图，如图所示，其系统构成与使用技术都与上述实施例大致相同，但是其主要差异在于该第二延迟元件是使用单向放大器231，用以将该第二振荡元件13的输出振荡信号放大并可增加相位或时间延迟，并耦合至该第一振荡元件11的输出端，使该第一振荡元件11具有增强与第二振荡元件13的相位或频率噪声抑制关联特性，以降低噪声的自动相关性(autocorrelation)，而该第二振荡元件13仅以第一延迟元件21与该第一振荡元件11保持相位或频率噪声抑制关连特性，以达到令该第一振荡元件11输出较佳的相位或频率噪声抑制信号予负载31，以减少制作成本以及获得较佳的相位或频率噪声抑制效果。

请参阅图4，为本发明的振荡器双向放大耦合系统的方块示意图，如图所示，其系统构成与使用技术都与上述实施例大致相同，主要差异在于除了通过该单向放大器231令该第一振荡元件11具有增强与该第二振荡元件13的噪声抑制关联特性以降低噪声的自动相关性(autocorrelation)外，再增设一单向放大器233，将该第一振荡元件11的输出信号耦合至该第二振荡元件13的输出端，也即与该单向放大器231相并联，令该第二振荡元件13具有增强与该第一振荡元件11的噪声抑制关联特性以降低噪声的自动相关性(autocorrelation)。也即，在该第一振荡元件11与该第二振荡元件13之间可通过该单向放大器231与该单向放大器233增强该第一振荡元件11与该第二振荡元件13的噪声抑制关联特性以获得更佳的噪声抑制的输出效益，对负载31及负载33而言具有更佳的电性效果，并可减少信号失真的可能性，但是，单向放大器231与单向放大器233的信号增益(gain)、时间及相位延迟必须避免可能形成正回馈循环振荡(positive feedback loop oscillation)，而破坏整个耦合系统想要的信号频率与稳定性。

请参阅图5，为本发明应用于高频环境的振荡器耦合系统的方块示意图，如图所示，其系统构成与使用技术都与图2实施例大致相同，主要差异在于该第二振荡元件13的输出端增设有一相移元件15，通过增设该相移元件15的方式来抑制噪声的产生，最佳情况下可降低达3dB的噪声，同时抑制振荡器中的一模式的信号，而提高另一模式频率的信号，从而可提高振荡器中特定频率信号的功率结合，再通过该第二延迟元件所提供的时间或相位延迟，则可再降低至少数dB至数十dB的噪声，以降低振荡元件的噪声自动相关性(autocorrelation)，并增加电路系统频宽及其信号稳定度，以及降低电路系统中输入输出阻抗，以节省输出功率达到省能的功效。因此，该振荡器耦合系统可配合高频应用产品的需求(如卫星通信系统、无线网络链接系统、手机通信系统等)，以提供更佳的噪声抑制效果。

请参阅图6，为本发明耦合于振荡器内部系统的方块示意图，如图所示，其系统构成与使用技术都与图2实施例大致相同，其主要差异在于第二延迟元件23可耦合于第一振荡元件11与第二振荡元件13的任一处，可将振荡器中不同的高低频率信号相互注入，且第二延迟元件23的时间或相位延迟可降低各振荡器的噪声自动相关性(autocorrelation)，以供配合不同电路设计需求之便。该第二延迟元件23可选自可调式电阻电容电感复合电路元件、延迟信号线、延迟芯片(延迟IC)、单向放大器、及双向放大器其中至少一个，其中，低频信号可由振荡器本身的非线性特性或元件，将本身的信号与其所耦合振荡器的信号通过第一延迟元件21混波而成。

请参阅图7，为本发明输出与非输出端使用混波器混波后通过滤波器及放大器调变双向耦合的振荡器系统的方块示意图，如图所示，其系统构成与使用技术都与图2实施例大致相同，其主要差异在于第二延迟元件23为一复合电路的组成，包括多个延迟元件23’与25’分别设于第一振荡元件11与第二振荡元件13的输出端，并将该二振荡元件的输出振荡信号以混波器235进行混波，并通过滤波器237，及单向放大器231放大信号并输出至多个延迟元件27’与29’，用以将混和调变后的输出信号分别耦合至第一振荡元件11的非输出端及第二振荡元件13的非输出端，令该两个振荡元件在形成振荡时即具有增强噪声抑制关联特性，以降低噪声的自动相关性(autocorrelation)。简单地说，本发明振荡器耦合系统至少一个第二延迟元件23通过两个振荡元件输出端的信号加以混和及调变时间延迟因素或相位延迟因素，并输出低频信号或高频信号其中之一，同时注入该两个振荡元件的非输出端，以达到更佳的相位或频率噪声抑制的输出效益，并配合不同高低工作频率抑制相位或频率噪声的需求，对负载31及负载33而言，则具有更佳的电性效果，并减少信号失真的可能性。

请参阅图8，为本发明输出与非输出端使用混波器混波后通过滤波器及放大器调变单向耦合的振荡器系统的方块示意图，如图所示，其系统构成与使用技术都与图7实施例大致相同，其主要差异在于该第二延迟元件23为一复合电路的组成，包括多个延迟元件23’与25’分别设于第一振荡元件11与第二振荡元件13的输出端，并将该两个振荡元件的输出振荡信号以混波器235进行混波，并通过滤波器237，及单向放大器231放大信号并输出至延迟元件27’，用以将混和调变后的输出信号耦合至第二振荡元件13的非输出端，令该两个振荡元件在形成振荡时即具有增强噪声抑制关连特性，以降低噪声的自动相关性(autocorrelation)。简单地说，本发明振荡器耦合系统至少一个第二延迟元件23通过两个振荡元件输出端的信号加以混和及调变时间延迟因素或相位延迟因素，并输出低频信号或高频信号其中之一，注入第二振荡元件13的非输出端，以达到与第一振荡元件11具有相对的噪声抑制关联特性，并达相应于第一振荡元件11的相位或频率噪声抑制的输出效益，并配合不同高低工作频率抑制相位或频率噪声的需求，对负载31及负载33而言，则具有较佳的电性效果，并减少信号失真的可能性。

请参阅图9，为本发明的振荡器耦合系统内的延迟元件与电阻串联的方块示意图，如图所示，其系统构成与使用技术都与图2实施例大致相同，其主要差异在于可通过电阻239串联该第二延迟元件23，用以配合系统电路调整该第二延迟元件23的品质因素与注入信号的强弱，其中，该第二延迟元件23还可选自可调式电阻电容电感复合电路元件、延迟信号线、延迟IC、单向放大器、及双向放大器其中至少一个，以配合系统电路调整该第二延迟元件23的时间延迟参数及其等效相位延迟参数，以达到较佳的耦合相位或频率噪声抑制关联特性。

请参阅图10，为本发明振荡器耦合系统调整注入信号强弱以改变品质因素与延迟相位因素对系统影响的示意图，如图所示，延迟时间正比于延迟相位，因此调整延迟相位等效于调整延迟时间，另外请配合图9参阅，在本发明的振荡器耦合系统中，通过使用电阻239串联该第二延迟元件23，用以调整该第二延迟元件23的品质因素与注入信号的强弱(ρ)，并搭配调整该第二延迟元件23的相位延迟参数(Δθ)，以供电路系统电路调整所需的噪声抑制效果，其中，串联电阻值越小，则品质因素越高，噪声抑制效果越佳，延迟相位或时间较长，相位或频率噪声抑制效果也较佳。

请参阅图11，为本发明振荡器耦合系统抑制相位或频率噪声效果与现有技术的比较示意图，如图所示，现有技术抑制相位或频率噪声的效果为频谱1所示，在振荡频率的信号功率固定条件下，由于噪声干扰较重，导致振荡频率两侧频谱信号噪声水平较高；在相同振荡频率的信号功率固定条件下，由于频谱2为增设有相移元件的噪声抑制效果，因此，减少噪声干扰，致使振荡频率两侧频谱信号噪声水平较低；而在相同振荡频率的信号功率固定条件下，频谱3则为增设有第二延迟元件的相位或频率噪声抑制效果，相较于该频谱1与该频谱2，进一步降低振荡器噪声的自动相关性(autocorrelation)并具有较佳的噪声抑制能力，其振荡频率两侧频谱信号噪声水平为最低，因此，通过本发明的振荡器耦合系统以提供电路系统较佳的工作效率与较低的能源消耗，同时可增加系统工作频宽与系统稳定度。

本发明所提出的振荡器耦合系统在至少两个振荡元件间利用至少一个第一延迟元件及至少一个第二延迟元件的耦合配置，以达到较佳的相位或频率噪声抑制效果，再通过电阻与该第二延迟元件的串联，以调整该第二延迟元件的品质因素及注入信号强弱，以及配合改变第二延迟元件内设的电容值，以调整第二延迟元件的时间延迟参数及其等效相位延迟参数。该振荡器耦合系统以简易的电路元件降低振荡噪声的自动相关性(autocorrelation)，简化噪声抑制的难度，从而增进噪声的抑制效果、减少信号失真、增加系统稳定度，同时可适用于高频应用产品的系统工作环境下，且具备增加频宽、减少噪声干扰、改变输入输出阻抗以达省能的功效。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1、一种振荡器耦合系统，其特征在于，包括：

多个振荡元件；

至少一第一延迟元件，连接于至少两个振荡元件之间；以及

至少一第二延迟元件，连接于至少两个振荡元件之间并引入相较于第一延迟元件至少数倍以上的相位或时间延迟参数，以供耦合具有相位或频率噪声抑制关联特性的至少两个振荡元件，并降低振荡器的噪声的自动相关性，以在系统运作中降低至少数dB至数十dB的噪声。

2、根据权利要求1所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该第一延迟元件为选自信号线及放大器其中之一。

3、根据权利要求2所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该信号线为选自缆线、排线、导线、及电性传输线其中之一。

4、根据权利要求2所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该放大器为单向放大器及双向放大器其中至少一个。

5、根据权利要求1所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该第二延迟元件为选自相位延迟元件及时间延迟元件其中之一。

6、根据权利要求5所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该相位延迟元件为选自可调式电阻电容电感复合电路元件、延迟信号线、延迟芯片、及放大器其中之一。

7、根据权利要求5所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该时间延迟元件为选自信号线、可调式电阻电容电感复合电路元件、延迟信号线、延迟芯片及放大器其中之一。

8、根据权利要求7所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该信号线为选自缆线、排线、导线、及电性传输线其中一个。

9、根据权利要求7所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该放大器为单向放大器及双向放大器中至少一个。

10、根据权利要求1所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该第二延迟元件串接有电阻，用以提供调整该第二延迟元件的品质因素及注入信号的强弱。

11、根据权利要求1所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该第二延迟元件设有电容，用以提供调整该第二延迟元件的相位或时间延迟参数。

12、根据权利要求11所述的振荡器耦合系统，其特征在于，该电容为调变电容。