[发明专利]用于相控阵系统的基于零相移相器的耦合振荡器阵列

说明书

技术领域

本发明属于射频与微波无线收发机集成电路技术领域，具体涉及一种应用于相控阵收发机集成电路的信号发生器设计，此信号发生器可产生相控阵发射机所需的具有确定相移关系的高输出功率、低相位噪声的本振信号。

背景技术

随着现代信息技术的发展，在现代集成电路向系统芯片方向发展的必然趋势下，低功耗小面积相控阵设计已成为通信系统对电路设计的必然要求。

对于CMOS相控阵的频率生成电路而言，由于可变电容品质因数的下降，本振的相位噪声往往较差。因而如何提高本振的相位噪声成了设计时需要考虑的重点内容。此外，如何提高毫米波电路的输出功率也是设计时需要考虑的问题，已有的方法往往是通过增加振荡器电流来实现的，这种方法的缺点在于，较大的电流往往需要较大尺寸的晶体管来提供负载，而大晶体管的电容会降低振荡器的谐振频率。

为解决这两个问题，本发明提出了使用零相移相器作为耦合单元的耦合振荡器阵列（Coupled Oscillator Array）来改善相位噪声和输出功率。耦合振荡器的原理来源于注入锁定振荡器，当向一个自激振荡的振荡器注入一个自激振荡频率附近的信号后，振荡器的频率就会锁定在这个外部信号上，当锁定处于稳定状态时，振荡器和外部信号之前也会存在一个静态相位差，若改变注入信号或振荡器的频率，只要可以发生注入锁定，那么相位差就会随着频率差变化，相位变化范围为                                                。

当耦合振荡器阵列中振荡器间的耦合相位为零时，耦合振荡器便可产生相控阵所需的本真信号，且此时耦合振荡器的相位噪声会随着阵列中振荡器数量N的增加而下降为原来的1/N。

发明内容

针对目前已有的耦合振荡器面积大，损耗大，不利于CMOS片上实现的缺点，本发明提出了一个基于电感电容的小面积片上零相移器，在此基础上，提出了采用此零相移器作为耦合网络的耦合振荡器阵列。

如图1所示，N个振荡器构成的耦合振荡器阵列，主要包括全局耦合（a），邻近双向耦合（b）和邻近单向耦合（c）。全局耦合的连接关系复杂，难于集成和设计。单向耦合的耦合强度较弱，会累积相位误差。相比较而言，双向耦合连接关系简单，耦合强度较单向耦合强，且不会累积相位误差，本发明侧重介绍用于临近双向耦合的耦合振荡器。但需要注意的是，本发明提出的耦合相位为零的零相移器也可用于全局耦合和邻近单向耦合。

耦合振荡器阵列设计中，最重要的是如何设计一个无源耦合网络来耦合振荡器以实振荡器间彼此的注入锁定。在耦合振荡器的设计过程中，主要的参数有耦合强度，耦合网络带宽，品质因数Q和维持振荡所需要的负阻。只有耦合强度足够大，才能让振荡网络有较大的锁定范围。

与传统的耦合网络不同，本发明提出的耦合网络的相移量为零度，这样做的好处是，传统的耦合网络采用2nπ（n=1，2，3，……N）相移，这种方式具有多模振荡的问题，而采用零相移相器作为耦合单元的耦合振荡器在起振后仅存在单一模式，简化了设计难度；此外，传统的耦合网络需要使用波长λ（360°）整数倍的传输线实现，这种方法在毫米波频段需要占用较大的芯片面积，并带有较大的损耗。

图2（a）和（b）所示为相位滞后电路和相位超前电路，相位滞后电路由串联电感 和并联电容组成，相位超前电路则由串联电容和并联电感组成。将相位滞后与超前电路结合，便形成如图2（c）所示的相移为零的移相器，即包括与电容串联的电感，以及与电容并联的电感。