一种基于Lange耦合器反馈结构的注入锁定分频器制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于CMOS和BiCMOS工艺的毫米波频率高端的注入锁定分频器。该注入锁定分频器，利用lange耦合器的宽带工作特性及其直通端口和耦合端口的高隔离度来分离140GHz信号和低频信号以得到更高的输出功率电平；而且用延迟线来补偿相位和共射-共基晶体管结构来同时提供高的环路增益和增大输入信号和反馈信号的隔离度。所以利用lange耦合器、相位补偿模块、共射-共基晶体管电路组成的反馈环路使得分频器具有较高的工作频率、宽的频率锁定范围、高的分频比和低的功耗。因此，该发明专利技术在毫米波，尤其是毫米波频率高端的分频器电路中具有极大的应用价值。除此之外，所发明专利技术的频分电路还能运用于太赫兹频段的电路系统中，但需要更高的分频比。

Injection locked frequency divider based on Lange coupler feedback structure

The invention discloses an injection locked frequency divider which is suitable for CMOS and BiCMOS technology at millimeter wave frequency. The injection locked frequency divider, using broadband Lange coupler and its working characteristics of straight port and coupling port of high isolation to isolate the 140GHz signal and the low frequency signal to obtain the output power level is higher; and to compensate the phase delay line and a cascode transistor structure to provide high loop gain and isolation increase of input signal and feedback signal. So the use of Lange coupler, phase compensation module, common emitter frequency, common base transistor circuit consisting of a feedback loop that frequency divider has high wide frequency range and high frequency locking ratio and low power consumption. Therefore, the invention has great application value in millimeter wave, especially millimeter wave high frequency divider circuit. In addition, the invention can also be used in the circuit system of the terahertz frequency band, but a higher frequency division ratio is needed.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体技术中的毫米波/亚毫米波分频
，具体涉及一种基于lange耦合器反馈结构的注入锁定分频器。
技术介绍
毫米波具有频率高、宽频宽、大信息容量等优点，在军事雷达系统、射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域有着巨大的应用价值和市场前景。并且随着现代硅基工艺的快速发展，使得在亚毫米波/太赫兹系统中能够使用CMOS和SiGeBiCMOS等工艺，其代替了受限于高成本和低集成度的III-V半导体工艺。高频通信系统中，由锁相环提供的高稳定的频率源的性能影响着整个系统的性能，而分频器是实现锁相环的关键部分。锁相环中的压控振荡器因为工艺、电压和温度浮动，模型和EM仿真的不精准等原因会产生频偏。因此，为了快速可靠的锁定压控振荡器的频率，要求分频器具有较宽的锁定范围。然而，宽锁定范围会导致较大的功率损耗；并且分频器的功耗占总功耗的大部分，对于高频更是如此。所以，选择具有低功耗、高频特性好的注入锁定分频器作为锁相环中的分频器是一种可行的选择。分析现有的注入锁定分频器：在参考文献【1】中，如图1所示，此专利技术的特点在于通过由缓冲级阶段和可变电感调谐电路的电感元件来实现电感耦合反馈结构；然而，此专利技术最高工作频率只有24GHz；并且需要外加的可变电容电路来实现宽的频率锁定范围，但是分频比只有2。在参考文献【2】中，如图2所示，此分频器利用一个有源电感单元来减少版图面积；但是电路产生的频率仅为输入频率的一半；并且上述结构依旧基于常规的LC-tank分频器。在参考文献【3】中，如图3所示，此专利技术基于一种含有LC-tank电路的考比滋压控振荡器的注入锁定分频器；通过调节电压来改变考比滋压控振荡器的谐振频率，以此改变锁定范围；可是此分频器的分频比也仅有2。在参考文献【4】中，如图4所示，此论文展示了一个有3，6，9多个分频比的CMOS注入锁定分频器；工作频率从2.2GHz到30.95GHz；然而，当分频比为9时，其锁定范围减少到260MHz，功率损耗12.5mW；而且锁定范围会随工作频率的增高而降低。针对上述注入锁定分频器的技术难点即工作频率、分频比、功率损耗、频率锁定范围四个指标难以兼顾的问题，本专利技术利用lange耦合器、相位补偿模块、共射-共基晶体管电路组成的反馈环路使得分频器具有较高的工作频率、宽的频率锁定范围、高的分频比和低的功耗。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是在高工作频率时，分频器具有大分频比、宽锁定范围和低功耗。除此之外，所专利技术的频分电路还能运用于太赫兹频段的电路系统中，但需要更高的分频比。本专利技术的具体方案：包括了一个输入匹配网络、一对共射-共基的晶体管，一个lange耦合器、相位延迟模块和阻抗匹配的缓冲放大器。所述输入匹配网络由并联的短路电感和串联的电容构成，并连接于晶体管的基极端以减少输入端高频信号的反射系数；所述共射-共基晶体管包括了一个共基极晶体管和一个共射极晶体管，此结构能减少反馈电容的影响、提供更高的环路增益和更宽的增益带宽，并且能补偿反馈回路和耦合器的损耗使得闭环回路保持正反馈，其中毫米波信号由共基晶体管的基极输入，反馈信号由共射晶体管的射极加入，并且能隔离输入信号和反馈信号；所述lange耦合器在直通端口和耦合端口具有幅度平衡和高隔离度的优势，因此可以用来形成反馈振荡器和性能良好的耦合输出结构，并且，lange耦合器也是频率选择网络；所述相位延迟模块由微带延迟线构成，用来补偿反馈信号的相位；所述阻抗匹配的缓冲放大器由晶体管组成，其可以提供高的负载阻抗和最大化输出功率电平，以此达到更宽的锁定范围。进一步的是，所述晶体管是双极型晶体管。场效应晶体管也可以应用于此电路中。在一些不严格的要求应用中场效应晶体管包括了金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)和赝同晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)。进一步的是，所述lange耦合器是一个如图7所示的无源微波器件，在lange耦合器的两个输出端之间具有90°的相差和3dB的耦合比。此处，还可以使用4条或6条线互连的方式来实现更紧密的耦合结构。本专利技术的有益效果：一、本专利技术利用lange耦合器的宽带工作特性；二、如图8所示，利用其直通端口和耦合端口的高隔离度来分离140GHz信号和低频信号以得到更高的输出功率电平；三、用延迟线来补偿相位；四、使用共射-共基晶体管结构来同时提供高的环路增益和增大输入信号和反馈信号的隔离度。附图说明图1是参考文献【1】的分频电路原理图；图2是参考文献【2】的分频电路原理图；图3是参考文献【3】的分频电路原理图；图4是参考文献【4】的分频电路原理图；图5是本专利技术基于Lange耦合器反馈结构的注入锁定分频器的原理图；图6是本专利技术的实物图；图7(a)Lange耦合器,(b)Lange耦合器的截面图；图8是lange耦合器的测试结果图；图9是频率综合的原理框图；图10是本专利技术的测试框图；图11是本专利技术的测试结果图；图12是当输入信号频率为135GHz，Vcc＝1.6V时的输出频谱和相位噪声的测量结果图；图13是当输入信号频率为150.2GHz，Vcc＝1.6V时的输出频谱和相位噪声的测量结果图。图5中标记说明：输入匹配网络(701)；共射-共基极晶体管(702)；lange耦合器(501)的输入端口1，直通端口2，耦合端口3，隔离端口4；微带延迟线(601)；阻抗匹配的缓冲放大器(703)；电感(102)，(103)，(104)，(105)；电容(201)，(202)，(203)；为轭流电感；电阻(301)，(302)，(303)，(304)；晶体管(401)(402)(403)。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的说明。如图5所示，本专利技术包括了一个输入匹配网络(701)、一对共射-共基的晶体管(702)、一个lange耦合器(501)、相位延迟模块(601)和阻抗匹配的缓冲放大器(703)。其中所述输入匹配网络(701)由并联短路电感(101)和串联电容(201)组成；共射-共基极晶体管(702)由共基极的晶体管(401)和共射极的晶体管(402)组成；lange耦合器(501)的输入端口1，直通端口2，耦合端口3，隔离端口4；相位延迟模块(601)由微带延迟线组成；阻抗匹配的缓冲放大器(703)主要由晶体管(403)组成；电感(102)，(103)，(104)，(105)为轭流电感，阻止高频信号通过；电容(201)，(202)，(203)为隔直电容，阻止直流电流通过；电阻(301)，(302)，(303)，(304)限流保护晶体管；反馈网络(801)由共射-共基晶体管(702)、lange耦合器(501)、lange耦合器(501)组成。如图6所示，本专利技术的具体实物图。为了减少芯片面积，折叠lange耦合器。框图9是本专利技术注入锁定分频器的典型应用。在运用中，分频器用来提供除6的频分函数以在频率综合中获得高频信号，如135GHz的信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于Lange耦合器反馈结构的注入锁定分频器，所述反馈结构的分频器包括了一个输入匹配网络(701)、一对共射‑共基的晶体管(702)、相位延迟模块(601)、lange耦合器(501)和阻抗匹配的缓冲放大器(703)；在电路工作时，如果没有输入信号，该电路充当自激振荡器，其振荡频率位于该工作频率1/6的附近。当输入信号注入后，原来的自激振荡器消失。通过追踪输入信号的相位和频率，和由共射‑共基的晶体管对(702)的非线性特性产生的相移补偿，该电路将建立一个新的本振。最终，输出信号的频率将会锁定在输入信号的频率的1/6。

【技术特征摘要】
1.基于Lange耦合器反馈结构的注入锁定分频器，所述反馈结构的分频器包括了一个
输入匹配网络(701)、一对共射-共基的晶体管(702)、相位延迟模块(601)、lange
耦合器(501)和阻抗匹配的缓冲放大器(703)；在电路工作时，如果没有输入信号，该
电路充当自激振荡器，其振荡频率位于该工作频率1/6的附近。当输入信号注入后，原来的
自激振荡器消失。通过追踪输入信号的相位和频率，和由共射-共基的晶体管对(702)的
非线性特性产生的相移补偿，该电路将建立一个新的本振。最终，输出信号的频率将会锁定
在输入信号的频率的1/6。
2.如权利要求1所述的基于Lange耦合器反馈结构的注入锁定分频器，其特征在于：
所述输入匹配网络(701)由并联的短路电感(101)和串联的电容(201)构成，并连接于晶
体管(401)的基极端以减少输入端高频信号的反射系数。
3.如权利要求1所述的基于Lange耦合器反馈结构的注入锁定分频器，其特征在于：所
述共射-共基晶体管(702)包括了一个共基晶体...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，陈庆，杨漫菲，方堃，孙博文，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51