用于多个无线电频段的可调谐振荡器设计方案

多模多频振荡器要求的不只是一个简单的并联LC网络和一个有源器件。可以产生两个并发频率的振荡器电路，必须能够在两个截然不同的频率点同时提供负的电阻值，更高阶的谐振器就是用于这个目的。谐振器的阶数取决于期望的不同频率信号/频段数量。虽然一个简单的二阶谐振器网络只产生一个频率，但一个四阶谐振器网络可以产生两个并发的频率。

设计这种振荡器的技巧，是需要了解支持多个独立频段所需的负电阻值，这方面的信息可以通过执行网络分析找到。这类分析可以形成图1所示的多模多频振荡器设计。专利待批的多频振荡器采用基于超材料的四阶谐振器（图5）。


图5：多频振荡器采用了基于超材料的更高阶谐振器

带高阶（《2）谐振器的振荡器，可以实现多个稳定的振荡模式，并产生多个谐振频率。借助合适的非线性有源电路拓扑和必要的谐振器元件值，更高阶振荡器可以提供多于一个的谐振频率。例如，具有四阶谐振器的可调谐振荡器，可以单独或同时产生两个截然不同的频率ω1和ω2（图6）。这种振荡器可以通过在振荡器晶体管（比如双极晶体管）基极综合两个不同值电感组装而成，从而创造同时持续振荡所需的条件。


图6：带四阶谐振器的振荡器可以产生多个同时输出信号

5多频振荡器的测试

为了验证多频振荡器概念的有效性，这里组装了一个原型用于产生两个同步频段。通过在双极晶体管的基极使用两个并联二阶谐振器，实现了振荡器的四阶谐振器（图1）。RCO采用的版图设计（图7），可以用标准集成电路（IC）技术制造。它使用了更高阶的超材料谐振器完成多个并发频率的操作，能横跨两个不同频段（如2.45~2.65GHz和4.85~5.25GHz）调谐，与分开的开关型VCO相比，功耗和尺寸有显着减小。


图7：在双频振荡器原型的制造中使用了这个版图

直观的感觉是，较低频率振荡范围（2.45~2.65GHz）所需的电感值要比较高频率模式（4.85~5.25GHz）时大。在商用计算机辅助工程（CAE）软件的帮助下，可以对双频振荡器的诸如相位噪声等不同性能参数（图8）进行仿真。通过在双极晶体管基极的谐振器网络上跨接调谐电容，可以综合出要求的电感值，原理是调谐电容可以在感兴趣的工作频段上，提供晶体管发射极所需的负电阻和电抗（电感或电容）。


图8：计算机辅助工程软件工具在仿真双频振荡器设计的性能参数时非常有用，比如这张相位噪声性能图

多模振荡器中使用的滤波器有利于减轻模泄漏问题，比如振荡器电路振荡在双模的时候。给定设计中的模泄漏量，取决于该部分电路的后续滤波器的频谱选择性以及振荡器的设计要求。

6结语

四阶振荡器的相位噪声在只产生其谐振频率之一时，与使用相同有源拓扑和谐振器品质因数（Q）的二阶振荡器的相位噪声相当。

但与常用的开关型谐振振荡器相比，四阶振荡器在VCO实现中有更好的相位噪声性能和/或更高的调谐范围。两种载波范围1MHz频偏处的原型源相位噪声测量值通常都好于-120dBc/Hz（图9）。


图9：原型源的相位噪声在两种调谐范围1MHz偏移处的测量值通常都好于-120dBc/Hz