[发明专利]宽带注入锁定倍频器

说明书

本发明公开了宽带注入锁定倍频器，采用双注入式结构，包含两个谐波发生器和一个注入锁定振荡器。其中谐波发生器用于产生二次及以上谐波信号，注入锁定振荡器用于锁定谐波发生器产生的谐波信号，两个谐波发生器和注入锁定振荡器通过各自内部自带的电感组成的变压器耦合相连；两个谐波发生器将输入的基波信号转换成两路谐波信号，然后分别通过变压器耦合到注入锁定振荡器，实现倍频。相比于传统结构，本发明的宽带注入锁定倍频器，在输入功率较小时仍具有较宽的锁定范围，并具备超宽带宽、低输入灵敏度、低功耗、高集成度等优点。

技术领域

本发明涉及宽带注入锁定倍频器，属于微电子与固体电子学的射频与模拟集成电路技术领域。

背景技术

近年来无线通信技术发展迅速，对于毫米波和太赫兹频段的开发越来越成为热点，高集成度、高宽带和低功耗的无线收发机设计变得非常重要。无线收发机系统依赖可靠的中频信号使得系统具备更佳的性能。倍频器作为中频信号产生链路中的重要组成部分，完成将基波频率倍频的功能。

在中频信号的使用中，需要经常性的采取倍频措施以提高系统性能。在超外差接收机架构或二次变频零中频收发机架构中，需要使用到一高一低两个中频信号。在收发机中，通常采用锁相环为其提供可靠而稳定的中频信号，但是单个锁相环带宽有限并且只能提供单一中频信号，在需要使用多个中频信号的系统中，采取多个锁相环，在芯片面积和功耗考虑上是不合理的，因此需要对锁相环的输出进行倍频或者分频以灵活调整中频频率。

下一代5G无线通信，要求MIMO收发机支持28GHz，37GHz和39GHz，提供如此宽范围的中频频率将是一项艰巨的挑战。未来在E波段(60～90GHz)和W波段(75GHz～110GHz)中将实现更宽带的超高速速率无线通信，在此频率范围及以上频率内设计压控振荡器获得良好的相位噪声和较低的功耗，设计难度巨大，利用倍频器将更低频率信号倍频的方案可以降低设计难度，并获得更好的相位噪声，其中注入锁定倍频器作为一种低功耗设计，将使得最终的功耗控制在较低范围。

理想反相器在某频率处总相移达到360°时，若满足巴克豪森判据，将在该频率处产生谐振信号，若选取合适幅度和频率的注入信号，加入到其中，谐振信号会被牵引到和注入信号一致，产生注入锁定现象。注入锁定二倍频器是利用push-push pair产生基波的二倍频率进行注入，使得信号谐振在二倍频率处。输出信号功率基本由谐振获得，因此注入锁定二倍频器具有低功耗特点。注入锁定三倍频器则是产生基波的三倍频率进行注入，使得信号谐振在三倍频率处，同样具备低功耗特点。

文献“Li A,Zheng S,Yin J,et al.A 21–48GHz Subharmonic Injection-LockedFractional-N Frequency Synthesizer for Multiband Point-to-Point BackhaulCommunications[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2014,49(8):1785-1799.”中采用6阶变压器设计，使得注入锁定倍频器拥有很高的锁定范围。但是其6阶变压器采用3圈电感设计，倍频信号注入至谐振腔内不能获得平坦的增益，从而会出现在锁定范围的一端较易锁定而另一端较难锁定的现象。

文献“Zhang J,Liu H,Zhao C,et al.A 22.8-to-43.2GHz tuning-lessinjection-locked frequency tripler using injection-current boosting with76.4％locking range for multiband 5G applications[C]//Solid-state CircuitsConference.IEEE,2018.”同样采用了6阶变压器设计，实现了三倍频率注入锁定。但是当输入功率减小后，锁定范围会迅速收窄。

发明内容