CN103973228B - 一种c波段压控振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种C波段压控振荡器，包括用于改变谐振频率的负载电路、用于使整个电路振荡的晶体管电路、用于满足振荡条件的终端电路以及第一、第二匹配电路，所述负载电路经所述第一匹配电路连接所述晶体管电路，所述晶体管电路经所述第二匹配电路连接所述终端电路。本发明可以实现中心频率为C波段内任意一频点的压控振荡器，电路设计结构简单，成本较低，对加工精度要求不高，具有较高的性价比；另外还具有相噪低、调谐范围宽、线性度好、输出功率高、带内功率平坦等特点。

Description

一种C波段压控振荡器

技术领域

本发明涉及一种压控振荡器（voltage-controlled oscillator，简称VCO），特别是涉及一种C波段压控振荡器，属于微波通信技术领域。

背景技术

随着通信领域的迅速发展，对电子设备的要求越来越高，而压控振荡器是射频通信系统中非常重要的组成元件之一。压控振荡器是指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，即输出频率是输入信号电压的函数。它主要应用于锁相环路和频率合成器中，用来实现精确的参考频率，对通信系统的性能至关重要。

目前国内外研究和生产集成压控振荡器VCO的单位众多，国外生产商主要有Crystek Corporation、RF Micro Devices Inc等，其生产的VCO性能优越，但价格也较高，如Crystek Corporation的CVCO55BH-4100-4300，频率范围4100~4300MHz，相位噪声-113dBc/Hz@100kHz，批发价至少30美元。从国内具有代表性的科研单位，如中国科学院微电子研究所、复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室、东南大学射频与光电集成电路研究所等发表的文献可以看出，国内在C波段VCO的设计与实现中多采用0.18μm的CMOS工艺，在1MHz频偏处的相位噪声往往能达到-110dBc/Hz，性能较高的能达到-120dBc/Hz以下，但同样存在设计复杂与成本较高的问题，性价比不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电路结构简单，成本较低，对加工精度要求不高，具有较高的性价比的C波段压控振荡器。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种C波段压控振荡器，包括用于改变谐振频率的负载电路、用于使整个电路振荡的晶体管电路、用于满足振荡条件的终端电路以及第一、第二匹配电路，所述负载电路经所述第一匹配电路连接所述晶体管电路，所述晶体管电路经所述第二匹配电路连接所述终端电路；所述晶体管电路包括晶体管、第一~第八电容、第一~第二电阻、第一~第三微带线、第一~第二微带短截线、第一~第二直流电源，所述第一电容的一端、晶体管的漏极和第一微带线的一端共点连接，第一微带线的另一端、第一微带短截线和第一电阻的一端共点连接，第一电阻的另一端连接第一直流电源的正极，第六、第七、第八电容分别并联在第一直流电源的正负极两端；晶体管的栅极经第二微带线接地；第二电容、晶体管的源极和第三微带线的一端共点连接，第三微带线的另一端、第二微带短截线和第二电阻的一端共点连接，第二电阻的另一端连接第二直流电源的正极，第三、第四、第五电容分别并联在第二直流电源的正负极两端；第一、第二直流电源的负极均接地；所述负载电路包括第一~第二变容二极管、第九~第十二电容、第四~第六微带线、第三微带短截线、第三直流电源，所述第九电容的一端、第一变容二极管的阴极、 第二变容二极管的阴极和第四微带线的一端共点连接，第四微带线的另一端、第三微带短截线和第三直流电源的正极共点连接，第十、第十一、第十二电容分别并联在第三直流电源的正负极两端，第一变容二极管的阳极经第五微带线接地，第二变容二极管的阳极经第六微带线接地，第三直流电源的负极接地。

进一步的，所述终端电路包括一大小为50Ω的电阻。

进一步的，所述第一匹配电路包括第七微带线、与第九电容另一端连接的接地振荡器端口、使第七微带线、第一电容的另一端和接地振荡器端口共点连接的三端口连接器。

进一步的，所述第二匹配电路包括与所述第二电容连接的第八微带线。

优选的，所述晶体管为BFP640-NPN型硅锗型RF晶体管。

优选的，所述变容二极管为SMV2019-079硅超突变节变容二极管。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：可以实现中心频率为C波段内任意一频点的压控振荡器，电路设计结构简单，成本较低，对加工精度要求不高，具有较高的性价比；另外还具有相噪低、调谐范围宽、线性度好、输出功率高、带内功率平坦等特点。

附图说明

图1是本发明的一种C波段压控振荡器的原理框图。

图2是本发明的一种C波段压控振荡器的整体电路图。

其中：C1~C12为电容，R1、R2、Term1为电阻，TL1~TL8为微带线，Tee1~Tee6为三端口连接器，Stub1~Stub3为微带短截线，Cros1为四端口连接器，Osc1为接地振荡器端口，SMV2019-1~2为变容二极管，X1为晶体管，SRC1~SRC3为直流电源，V1~V3为微带接地圆孔，Stub1~Stub3为微带短截线。

图3是本发明的瞬态仿真起振图。

图4是本发明的谐波平衡仿真-调频线性度仿真图。

图5是本发明的谐波平衡仿真-输出功率随输出频率变化的曲线图。

图6是本发明的谐波平衡仿真-各次谐波仿真图。

图7是本发明的谐波平衡仿真-相位噪声仿真图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，一种C波段压控振荡器包括负载电路、晶体管电路、终端电路以及第一、第二匹配电路，负载电路经第一匹配电路连接晶体管电路，晶体管电路经第二匹配电路连接终端电路，负载电流通过电压的改变来改变变容二极管的电容量，从而改变频率；晶体管电路主要是通过场效应管对电压控制来控制整个电路，通过设置场效应管的静态工作点来确定S参数，从而确定晶体管的稳定系数，以判断晶体管满足的振荡条件；终端电路主要要求是能够使输入端口的电压反射系数|ΓIN|>1，从而达到振荡的条件。

如图2所示为本发明的一种C波段压控振荡器的整体电路图，晶体管电路包括晶体管X1、电容C1~C8、电阻R1、R2、微带线TL1~TL3、三端口连接器Tee1~Tee4、微带短截线Stub1~Stub2、直流电源SRC1~SRC2、微带接地圆孔V1，C1经Tee1连接晶体管X1的漏极，Tee1的第三端口经TL1和Tee3连接R1的一端，R1的另一端连接SRC1的正极，C6、C7、C8分别并联在SRC1的正负极两端，Tee3的第三端口连接Stub1；晶体管X1的栅极经TL2和V1接地；晶体管X1的源极经Tee2连接C2，Tee2的第三端口经TL3和Tee4连接R2的一端，R2的另一端连接SRC2的正极，C3、C4、C5分别并联在SRC2的正负极两端，Tee4的第三端口连接Stub2；SRC1和SRC2的负极均接地。

负载电路包括第一~第二变容二极管SMV2019-1~2、电容C9~C12、微带线TL4~TL6、三端口连接器Tee5、微带短截线Stub3、直流电源SRC3、微带接地圆孔V2~V3、四端口连接器Cros1，SMV2019-1的阴极和SMV2019-2的阴极分别连接Cros1相对的两个端口，SMV2019-1的阳极经TL5和V2接地，SMV2019-2的阳极经TL6和V3接地；Cros1的第三端口连接C9；Cros1的第四端口经TL4和Tee5连接SRC3的正极，C10、C11、C12分别并联在SRC3的正负极两端，Tee5的第三端口连接Stub3，SRC3的负极接地。

终端电路为通过一段四分之一波长的高阻抗线连接一个50Ω的电阻，设计主要要求能够使输入端口的电压反射系数|ΓIN|>1；第一匹配电路包括与C1连接的Tee6、与Tee6的第二端口连接的TL7、与Tee6的第三端口连接的接地振荡器端口Osc1，Osc1的另一端连接C9；第二匹配电路包括与C2连接的TL8。

对于晶体管的选取，选取1/f噪声较小，可以工作在低频及中频区的RF晶体管，并且在工作的频带内具有低噪声的特点。基于上述考虑，本发明选用Infineon公司的BFP640-NPN型硅锗型RF晶体管，该晶体管最佳噪声在3-5GHz频带范围内优于1dB，截止频率达到了70GHz，完全满足作为振荡管的要求。

另外，选取SKYWORKS的SMV2019-079硅超突变节变容二极管作为本发明中使用的变容二极管，该变容二极管串联电阻小，变容比大。在电路中安装了两个同样的变容二极管，形成反串联的形式，这样的结构中，由于射频信号加在两个变容二极管上的电压方向相反，所以当射频信号使一个变容二极管的等效电容增大时，另一个变容二极管的等效电容会减小，从而可以抑制射频信号对变容二极管等效电容的影响。

整体电路就是将上述变容二极管调谐电路、晶体管直流偏置电路、终端电路通过第一和第二匹配电路相连接，电路中的微带线主要用于匹配变容二极管调谐电路和晶体管直流偏置电路，以满足压控振荡器的起振条件。除此之外，对于电容、电阻的选取，除了满足耐压及功率要求外，还要根据它们在电路中的作用进行选择。对于充电谐振器件及高频通路的电容，要选择封装小的，Q值高的器件以减小寄生参量及损耗的电容；对于隔直电容，要考虑到它的损耗，不能选择电容值大损耗也大的电容，当然也不能选容值过小的电容；对于电阻，小封装、阻值及功率满足要求即可。

如图3所示，为本发明的瞬态仿真起振图，横轴代表时间/纳秒，纵轴代表输出电压/伏，其中m1代表当时间为25.73纳秒时，输出电压为1.336伏，m2代表当时间为38.90纳秒时，输出电压为1.332伏，仿真结果表明，该压控振荡器可以稳定振荡，振荡时间较短（约为6ns）。

如图4所示，为本发明的谐波平衡仿真-调频线性度仿真图，横轴代表调谐电压/伏，纵轴代表调频线性度/赫兹，其中m1代表当调谐电压为1.000伏时，调频线性度为4.524GHz，ind Delta代表m2到m1的电压差为9.000伏，dep Delta代表m2到m1的频率差为235.5MHz，图中的点状线为调频线性度曲线，直线为计算线性度所用的直线，可见在调谐电压为1~10V时，调频线性度较好，计算得到调频线性度优于3%。

如图5所示，为本发明的谐波平衡仿真-输出功率随输出频率变化的曲线图，横轴代表输出频率/赫兹，纵轴代表输出功率/分贝毫瓦，其中m3代表当输出频率为4.572GHz时，输出功率为11.98dBm，m4代表当输出频率为4.760GHz时，输出功率为11.687dBm，仿真结果表明，该VCO输出功率在11.65 dBm以上，并且在4.524GHz~4.759GHz范围内，随着输出频率的变化，VCO的输出功率变化并不大，完全满足实际应用的要求。

如图6所示，为本发明的谐波平衡仿真-各次谐波仿真图，横轴代表谐波次数/次，纵轴代表功率/分贝毫瓦，其中m1代表谐波次数为1次时，功率为11.950 dBm，仿真结果表明二次谐波比基波低。

如图7所示，为本发明的谐波平衡仿真-相位噪声仿真图，横轴代表噪声频率/兆赫，纵轴代表相位噪声/dBc，其中m2代表在偏移中心频率为100.0kHz时，相位噪声达-94.51dBc/Hz，m3代表在偏移中心频率为1.000MHz时，相位噪声达-114.7dBc/Hz。

从图3至图7仿真结果表明，该VCO中心频率4.64GHz处相位噪声-95.4dBc/Hz，在调谐电压1-10V变化时，频率范围为235 MHz，且调频线性度优于3%，输出最大功率可达11.65dBm，带内功率平坦度为±0.2 dBm。综上所述，一种C波段压控振荡器的设计得到了验证。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种C波段压控振荡器，其特征在于：包括用于改变谐振频率的负载电路、用于使整个电路振荡的晶体管电路、用于满足振荡条件的终端电路以及第一、第二匹配电路，所述负载电路经所述第一匹配电路连接所述晶体管电路，所述晶体管电路经所述第二匹配电路连接所述终端电路；

所述晶体管电路包括晶体管、第一~第八电容、第一~第二电阻、第一~第三微带线、第一~第二微带短截线、第一~第二直流电源，所述第一电容的一端、晶体管的漏极和第一微带线的一端共点连接，第一微带线的另一端、第一微带短截线和第一电阻的一端共点连接，第一电阻的另一端连接第一直流电源的正极，第六、第七、第八电容分别并联在第一直流电源的正负极两端；晶体管的栅极经第二微带线接地；第二电容、晶体管的源极和第三微带线的一端共点连接，第三微带线的另一端、第二微带短截线和第二电阻的一端共点连接，第二电阻的另一端连接第二直流电源的正极，第三、第四、第五电容分别并联在第二直流电源的正负极两端；第一、第二直流电源的负极均接地；

所述负载电路包括第一~第二变容二极管、第九~第十二电容、第四~第六微带线、第三微带短截线、第三直流电源，所述第九电容的一端、第一变容二极管的阴极、 第二变容二极管的阴极和第四微带线的一端共点连接，第四微带线的另一端、第三微带短截线和第三直流电源的正极共点连接，第十、第十一、第十二电容分别并联在第三直流电源的正负极两端，第一变容二极管的阳极经第五微带线接地，第二变容二极管的阳极经第六微带线接地，第三直流电源的负极接地。

2.如权利要求1所述C波段压控振荡器，其特征在于：所述终端电路包括一电阻。

3.如权利要求2所述C波段压控振荡器，其特征在于：所述电阻大小为50Ω。

4.如权利要求1-3任一项所述C波段压控振荡器，其特征在于：所述第一匹配电路包括第七微带线、与第九电容另一端连接的接地振荡器端口、使第七微带线、第一电容的另一端和接地振荡器端口共点连接的三端口连接器。

5.如权利要求1-3任一项所述C波段压控振荡器，其特征在于：所述第二匹配电路包括与所述第二电容连接的第八微带线。

6.如权利要求1-3任一项所述C波段压控振荡器，其特征在于：所述晶体管为BFP640-NPN型硅锗型RF晶体管。

7.如权利要求1-3任一项所述C波段压控振荡器，其特征在于：所述变容二极管为SMV2019-079硅超突变节变容二极管。