阅读说明：本技术 使用负反馈的低相位噪声振荡器 (Low phase noise oscillator using negative feedback ) 是由 D·尼克尔森 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：一种振荡器包括谐振器和第一环路。所述第一环路包括放大器和第一耦合器。所述第一环路电耦合到所述谐振器。所述振荡器被配置为在空腔模式下相对于空腔的短路端子或开路端子产生所述放大器的负反馈,所述空腔在偏离载波频率的频率下模拟所述振荡器。所述振荡器在所述偏离载波频率的频率下双向通过所述空腔的损耗小于4.00dB。(An oscillator includes a resonator and a first loop. The first loop includes an amplifier and a first coupler. The first loop is electrically coupled to the resonator. The oscillator is configured to generate negative feedback of the amplifier in a cavity mode with respect to a short or open terminal of a cavity that models the oscillator at a frequency offset from a carrier frequency. The oscillator has a loss through the cavity in both directions of less than 4.00dB at the frequency offset from the carrier frequency.)

使用负反馈的低相位噪声振荡器

背景技术

Leeson法则用于设计具有低相位噪声的射频(RF)振荡器。Leeson法则将输出相位噪声频谱描述为方程。如用单边带形式表达，Leeson法则如下：

L(f)＝10log₁₀[(FKT/2P_sav)*(1+f_o/(2Q_L*Δf)²]dBc/Hz，

其中：

L(f)＝单边带相位噪声(dBc/Hz)

F＝振荡器中有源装置的噪声系数(dB)

K＝玻尔兹曼常数＝1.38X 10^-23焦耳/度-K

T＝有源装置的温度，通常假设为17°-C(290°-K)

KT＝-174dBm/Hz

P_sav＝有源装置可从源获得的功率，其中所述源通常是谐振器(dBm)

f_o＝振荡器的输出频率，也被称为载波频率

Q_L＝谐振器的负载Q

Δf＝与测量相位噪声时的载波频率的偏移量(Hz)

Leeson法则可以用于描述许多RF振荡器的输出相位噪声频谱，无论是将RF振荡器建模为负电阻振荡器、环路反馈振荡器还是其他某种电气模型。由L(f)表示的振荡器的相位噪声频谱是通过在放大器的输出与放大器的输入之间提供具有0°相移的正振幅反馈来确定的。通过使信号通过谐振器，以振荡器的所需输出频率提供正振幅反馈。

Leeson法则中的方程可以稍微简化。即，假设在极高程度地偏离输出频率的高偏移频率(在本文中也被称为“高偏移量”)处将不存在反馈，并且相位噪声水平将与由放大器输入阻抗确定的噪声系数一起作为放大器的相位噪声水平。没有反馈的放大器的相位本底噪声是众所周知的并且由下式给出：

L(f)＝10log₁₀[(FKT/2P_sav)](dBc/Hz)

图1A示出了具有根据Leeson法则产生的相位噪声的已知振荡器的简化示意图。在图1A中，振荡器100包括初级反馈环路101，所述初级反馈环路具有串联的电阻器111、电感器112和电容器113、耦合器120、放大器150和隔离器119。初级反馈环路101中的信号的传播方向是逆时针方向。串联的电阻-电感-电容器(R–L–C)部件表示具有高阻抗截止谐振的谐振器。在理想情况下，谐振频率是载波频率，但是实际上，由于振荡器中的其他电路元件的特性，谐振频率与载波频率可能会略有不同。如果谐振器的谐振频率是相移为0°并且谐振器的损耗最小的频率，则术语“偏谐振”是指相移大于或小于0°的频率。这种谐振器的例子可以是外壳电容为零输出的石英晶体谐振器。在载波频率下，当相移为0°时，环路周围的增益大于单元1。尽管并联RLC谐振器的偏谐振阻抗很低，但是以下描述对于并联接地的并联R–L–C谐振器代替串联谐振器同样有效。耦合器120将一些功率作为输出功率从振荡器环路传输到负载189。添加隔离器119仅是为了说明Leeson法则假设放大器150所得的输出阻抗将不会以任何方式影响放大器150的相位噪声，使得放大器150的相位噪声将不会受到输出阻抗的影响。

使低噪声振荡器设计为它们的输出相位噪声由Leeson法则描述的先前解决方案的一个缺点是，与独立放大器相比，它们不提供甚至试图提供高偏移频率下的任何负反馈以降低本底噪声。这可能是由于以下假设：输出阻抗不会影响放大器150的相位噪声。与它们已经找到在这些区域提供负反馈的方式相比，这导致了高偏移频率下的较高的振荡器相位本底噪声和较高相位噪声。因此，将反馈用于振荡器的先前解决方案可以改善接近谐振频率的相位噪声，但是通常会使高偏移频率下的相位本底噪声和相位噪声恶化。

作为与上述分离但与其相关的考虑，用于振荡器的一种类型的模型是所谓的空腔模型。空腔模型是一种理想化的模型，其中来自振荡器的信号被理想化为在空腔中的两个高反射表面之间传播，在所述空腔中，在谐振频率下，往返增益大于0dB并且相移为0°。图1B示出了已知空腔模型的简化示意图，其中信号以空腔模式传播。在稍后描述的实施方案中，在图1B的空腔模型199中，空腔的两个表面199a和199b可以由具有非常高的电阻值(诸如50兆欧)或非常低的阻抗(诸如50毫欧)的电阻器来表示。有效地，此类高电阻值或低电阻值可以被视为反射表面，所述反射表面在诸如已知的空腔模型199之类的空腔模型中以非常低的损耗反射入射信号。

具体实施方式

本发明包括以下实施方案：

1.一种振荡器，其包括：

谐振器；和

第一环路，其包括放大器和第一耦合器，并且电耦合到所述谐振器，其中所述振荡器被配置为在空腔模式下相对于空腔的短路端子或开路端子产生所述放大器的负反馈，所述空腔在偏离载波频率的频率下模拟所述振荡器，并且其中所述振荡器在所述偏离载波频率的频率下双向通过所述空腔的损耗小于4.00dB。

2.根据条款1所述的振荡器，其进一步包括：

第二环路，其至少部分地与所述第一环路重叠并且包括在所述谐振器的输入与所述谐振器的输出之间的至少一个电路部件，其中所述第二环路相对于在偏离所述载波频率的频率下提供给所述放大器的原始信号向所述放大器提供幅度大于-4.00dB的反馈信号。

3.根据条款1所述的振荡器，其进一步包括：

第二环路，其在所述谐振器的输入与所述谐振器的输出之间，并且包括所述放大器、所述第一耦合器、第一循环器、移相器、衰减器、和第二循环器；

偏离所述载波频率的所述频率是高偏移频率；

其中所述第一循环器控制从所述第一耦合器的所述输出到所述谐振器的信号流的方向，其中在偏离所述载波频率的所述频率下，所述信号流被反射回到所述第一循环器，所述第一循环器将所述信号流传输到所述移相器、所述衰减器和所述第二循环器，

所述第二循环器控制从所述移相器和所述衰减器到所述谐振器的所述信号流的方向，其中在偏离所述载波频率的所述频率下，所述信号流被反射以返回至所述第一循环器并且作为输入路由到所述放大器，并且

所述第二环路相对于在偏离所述载波频率的所述频率下提供给所述放大器的原始信号提供幅度大于-4.00dB的负反馈信号。

4.根据条款3所述的振荡器，其中所述衰减器包括第二耦合器和在所述第二耦合器与接地之间的电阻器。

5.根据条款1所述的振荡器，其进一步包括：

第二环路，其包括所述放大器、所述第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器，

偏离所述载波频率的所述频率是高偏移频率；

其中所述第二耦合器将从所述谐振器反射的信号流耦合到衰减器，然后耦合到移相器，其中所述信号流输入到所述第三耦合器并且从所述第三耦合器朝向所述谐振器输出，其中在偏离所述载波频率的所述频率下，所述信号流经由所述第三耦合器被朝向所述放大器反射，并且

所述第二环路相对于在偏离所述载波频率的所述频率下输入所述放大器的原始信号提供幅度大于-4.00dB的负反馈信号。

6.根据条款1所述的振荡器，其中对于所述第一环路的往返行程，所述第一环路在-30度到+30度之间移相。

7.根据条款1所述的振荡器，其中第二环路以用于所述振荡器的负反馈来实施所述空腔模式。

8.根据条款1所述的振荡器，其中所述负反馈是基于耦合所述放大器的输出，所述输出已经通过所述第一耦合器的主路径并且从所述谐振器反射，并且已经通过第三耦合器的耦合路径、移相器、衰减器、第二耦合器的耦合路径并朝向所述谐振器，并且在高偏移频率下被反射以作为对所述放大器的反馈通过所述第二耦合器的主路径，

其中所述放大器的所述输出通过从所述第一环路中的所述谐振器的反射的组合被反馈到所述放大器。

9.根据条款8所述的振荡器，其中第二环路包括所述第二耦合器，并且所述第二耦合器的输出具有所述第一耦合器的输出的分数幅度并且被反馈到所述放大器。

10.根据条款1所述的振荡器，其中所述空腔模式由所述谐振器通过从所述谐振器反射所述放大器的输出来产生。

11.根据条款1所述的振荡器，其中通过在偏离所述载波频率的所述频率下从所述谐振器反射所述放大器的输出，所述振荡器在偏离所述载波频率的所述频率下产生所述空腔模式。

12.根据条款1所述的振荡器，其中偏离所述载波频率的所述频率大于+/-5kHz。

13.一种振荡器，其包括：

谐振器；

第一环路，其包括放大器和第一耦合器，并且电耦合至所述谐振器；和

第二环路，其为所述放大器产生负反馈，

其中所述振荡器被配置为在空腔模式下相对于空腔的短路端子或开路端子产生所述放大器的负反馈，所述空腔在偏离载波频率的频率下模拟所述振荡器，并且其中所述振荡器在所述偏离载波频率的频率下双向通过所述空腔的损耗小于4.00dB。

14.根据条款13所述的振荡器，其中所述第二环路相对于在偏离所述载波频率的频率下提供给所述放大器的原始信号向所述放大器提供以幅度大于-4.00dB的反馈信号。

15.根据条款13所述的振荡器，其中所述第二环路包括所述放大器、所述第一耦合器、第一循环器、移相器、衰减器和第二循环器，

从所述谐振器反射的信号流被所述第一循环器引导到所述移相器、所述衰减器和所述第二循环器，

来自所述移相器和所述衰减器的信号被所述第二循环器引导到所述谐振器，所述谐振器反射所述信号流以返回到所述第二循环器，然后返回到所述放大器，并且

所述第二环路相对于在偏离所述载波频率的所述频率下提供给所述放大器的原始信号提供幅度大于-4.00dB的反馈信号。

16.根据条款13所述的振荡器，其进一步包括：

第二环路，其包括所述放大器、所述第一耦合器、第二耦合器、移相器、衰减器和第三耦合器，

其中所述第二耦合器将从所述谐振器反射的信号耦合到所述移相器、所述衰减器、所述第三耦合器，然后耦合到所述谐振器，所述谐振器在偏离所述载波频率的所述频率下将所述信号反馈回到所述第三耦合器，并且相对于在偏离所述载波频率的所述频率下提供给所述放大器的原始信号向所述放大器提供信号幅度大于-4.00dB的来自所述第三耦合器的所述信号作为负反馈。

17.根据条款13所述的振荡器，其中所述第二环路以用于所述振荡器的负反馈来实施空腔模式。

18.根据条款13所述的振荡器，其中所述负反馈是基于通过所述第一耦合器耦合所述放大器的输出以产生所述第一耦合器的输出，所述第一耦合器的所述输出从所述谐振器反射并且与所述谐振器的被反馈到所述放大器的反射的分数幅度耦合，

所述放大器的所述输出通过第二环路反馈到所述放大器，

所述第二环路包括第二耦合器，并且

所述第二耦合器的输出具有所述第一耦合器的所述输出的分数幅度并且被反馈到所述放大器。

19.根据条款13所述的振荡器，其中通过在偏离所述载波频率的所述频率下从所述谐振器反射所述放大器的输出，所述振荡器在偏离所述载波频率的所述频率下产生所述空腔模式。

20.根据条款13所述的振荡器，其进一步包括：

衰减器，其根据时间改变衰减以稳定所述第二环路。

在以下详细描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的代表性实施方案，以便提供对根据本教导的实施方案的透彻理解。可以省略对已知系统、装置、材料、操作方法和制造方法的描述，以避免代表性实施方案的描述变得难以理解。但是，本领域普通技术人员所知道的这类系统、装置、材料和方法在本教导的范围内并且可以根据代表性实施方案来使用。应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施方案，而不旨在限制。所定义的术语不仅是本教导的技术领域中通常理解和接受的所定义术语的技术和科学含义。

应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件或部件，但是这些元件或部件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件或部件与另一个元件或部件区分开。因此，在下文中讨论的第一元件或部件可以被称为第二元件或部件，而不脱离本公开文本的教导。

本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不旨在限制。如说明书和所附权利要求书中所使用的，术语的单数形式“一”、“一个”和“该”同时包括单数和复数形式，除非上下文另有明确规定。另外，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”和/或类似术语明确所述特征、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、元件、部件和/或其群组的存在或添加。如在此所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目的一项或多项的任意和所有组合。

除非另外指出，当一个元件或部件被称为“连接到”、“联接到”或“邻近”另一个元件或部件时，应该理解，该元件或部件可以直接连接或联接到另一个元件或部件，或者可以存在中间元件或部件。也就是说，这些和类似的术语包括可能使用一个或多个中间元件或部件来连接两个元件或部件的情况。然而，当一个元件或部件被描述为“直接连接”到另一个元件或部件时，这仅包括两个元件或部件彼此连接而没有任何媒介或中间元件或部件的情况。

鉴于以上所述，通过其各个方面、实施方案和/或特定特征或子部件中的一个或多个，本公开文本旨在展现如下具体指出的一个或多个优点。出于解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的示例性实施方案，以便提供对根据本教导的实施方案的透彻理解。然而，与本发明公开文本一致的、偏离本文所公开的具体细节的其他实施方案仍在所附权利要求书的范围内。此外，可以省略对众所周知的设备和方法的描述，以免模糊对示例性实施方案的描述。这种方法和设备在本公开文本的范围内。

如下所述，振荡器电路被配置为在很高程度地偏离谐振中心频率的高偏移频率下产生负反馈，使得负反馈可以抵消在高偏移频率下输入到放大器的信号的输入信号分量，从而有效降低高偏移频率下的相位噪声和相位本底噪声。振荡器电路可以利用谐振器产生负反馈，只要与高偏移频率相比谐振器对于谐振中心频率下的入射信号具有不同反射即可。如本文所使用的，术语“高偏移频率”是指在空腔模式下反射将接近无损的那些频率。例如，对于在100MHz下使用的高质量石英谐振器，从谐振中心偏移+/-5kHz的频率在空腔模中的反射损耗小于0.1dB并且这可以被认为接近无损。因此，在100MHz振荡器中使用的高质量石英谐振器的高偏移频率可以被认为表示距谐振中心大于+5kHz或小于-5kHz，或者通常情况下大约为6*(fo/2Q_L)。在该表达式中，fo是振荡器的输出频率，并且Q_L是谐振器的负载Q中并且基于fo和在不同频率下对谐振器的响应振幅的分布而变化。对于100MHz振荡器中使用的高质量石英谐振器，在距谐振中心大于+/-5kHz的偏移频率下，反射损耗接近无损，并且当用于抵消高偏移频率下输入到放大器的输入信号的输入信号分量时，由于负反馈，将会导致相位噪声和本底噪声的改善。所述振荡器电路在所述偏离载波频率的高偏移频率下双向通过所述空腔的损耗将小于4.00dB。另外，在谐振中心频率下的反射比在高偏移频率下的反射小得多。与谐振中心频率相比，高偏移频率的较强反射可以用于并且利用来获得高偏移频率下的较高负反馈信号。负反馈信号用于通过抵消在高偏移频率下的放大器输入的信号功率来降低相对于谐振中心的高偏移频率下的信号功率，因此改善高偏移频率下的相位噪声。图2A示出了根据代表性实施方案的用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的在谐振中心附近的振荡器模型。

在图2A中，振荡器模型200A包括具有串联的电阻器211、电感器212和电容器213的初级反馈环路201、耦合器220和放大器250。初级反馈环路201中的信号的传播方向是逆时针方向。耦合器220将一些功率从初级反馈环路201作为输出功率传输到负载289。

通过解释，耦合器220在理想情况下在各自对应于不同端口的三个标记点中的两者的一些但不是全部组合之间耦合功率。因此，耦合器220是具有定向本质的定向耦合器，并且这对于本文所述的其他实施方案中的定向耦合器也是如此。例如，耦合器220耦合入射在端口1上的功率，使得入射功率的一部分在相对较低损耗和0°相移下离开端口2，并且使得入射功率的一小部分在相对高于离开端口2时的损耗的损耗下离开端口3。从耦合器220和其他耦合器的端口1到端口2的路径在本文中可以被称为主路径，而从耦合器220和其他耦合器的从端口1到端口3的路径在本文中可以被称为耦合路径。从端口2到端口1以及从端口3到端口1的路径可以用与从端口1到端口2以及从端口1到端口3的对应路径相同的名称或标签来引用。耦合器220也是往复装置，使得耦合器220耦合入射在端口2上的功率使得它离开端口1，并且耦合入射在端口3上的功率使得它离开端口1。然而，耦合器220不耦合入射在端口3上的功率使得它从端口2离开，或者耦合输入在端口2上的功率使得它从端口3离开。换句话说，耦合器220通过在端口2与3之间分配信号来耦合入射在端口1上的信号。另一方面，入射在端口2和3上的信号实际上完全通过端口1。实际的耦合器非常接近理想耦合器，但是入射在端口2上并离开端口3的功率以及入射在端口3上并离开端口2的功率也会有少量泄漏。在图2A中，如果耦合器220将信号B的功率耦合到比原始信号B低6.00dB的信号C，则初级反馈环路201中的信号D将会比信号B的电平低大约1.6dB，并且具有这种性能的耦合器将被描述为具有6.00dB耦合或6.00dB耦合器。6.00dB损耗和1.6dB损耗是100MHz载波信号的示例性能。在下文中，对于本文描述的实施方案的耦合器的引用可以是具有针对耦合器220描述的特性的耦合器的引用。

在图2A中，放大器250沿主逆时针方向以0°相移将信号放大10dB。放大器250沿顺时针方向以180°相移将信号放大-10dB。耦合器220将功率从具有0°相移的初级反馈环路的端口1耦合到端口2。如图2A中，信号A被输入到放大器250，信号B从放大器250输出，并且信号C是由耦合器220耦合出的功率。

图2B示出了根据代表性实施方案的用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的在高偏移频率下的振荡器模型。

在图2B中，振荡器模型200B包括第一电阻器291、放大器250、耦合器220、第二电阻器292和负载289。在图2B中，振荡器模型200B具有在第一电阻器291与第二电阻器292之间的空腔模型的各方面。通常，当描述用于电子电路或机械系统的空腔模式时，端子被描述为短路或开路。端子开路将会产生具有0°相移的反射，并且幅度与入射波相同。端子短路将会产生具有180°相移的反射，并且幅度与入射波相同。本文描述的开路的空腔端子是针对具有大阻抗(诸如50兆欧)的电阻器而描述的，因为50兆欧姆大到足以承受开路。具有开路端子的电子空腔的例子是半导体空腔模式激光器。本文描述的短路的空腔端子是针对具有小阻抗(诸如50毫欧)的电阻器而描述，因为50毫欧小到足以承受短路。具有短路端子的电子空腔的例子是TE10模式中的波导谐振器，所述谐振器的短路端沿传播波方向在两端封闭空腔并封闭其反射。因为对于本文描述的建模，空腔上的端子本质上是无穷大或零阻抗，所以所述端子将没有损耗。

另外，在本文描述的具有耦合器的模型中，就损耗而言，耦合器被认为是无损的，因此除了将信号的一部分耦合远离端口之一耦合之外，没有损耗。结果，模型中的损耗可能仅限于衰减器造成的损耗。因为空腔模式下的波将往返通过衰减器两次，所以空腔中的损耗量仅是衰减器值的两倍。另外，空腔模型的相位在通过空腔的往返中将保持不变，因为对于开路，反射会产生0°相移，而对于短路，反射会产生180°相移，在两次反射后，相移等效于0°相移。因此，往返中的0°相移将转换为串联RLC谐振器或并联RLC谐振器，并且振荡器电路中2.00dB衰减将导致4.00dB往返损耗或-4.00dB增益。可以肯定的是，当启动与振荡器模型200B一致的振荡器电路时，高偏移频率下的最大信号将用于振荡器电路的第一周期。然后，对于第一周期之后的每个周期，本文描述的在高偏移频率下的反馈效果将导致在高偏移频率下的较低信号。对于每个周期，信号可能会不断降低，直到在振荡器电路中达到平衡为止。

在图2B中，放大器250沿正向方向以0°相移将信号放大10dB。放大器250沿相反方向以180°相移将信号放大-10dB。耦合器220耦合入射在具有0°相移的初级反馈环路的端口1上的功率以离开端口2。如所示，信号A被输入到放大器250，信号B从放大器250输出，并且信号C是由耦合器220耦合出的功率。信号D是来自信号B的功率，所述功率没有被耦合器220耦合输出并且保留在直通路径上以离开端口2。信号D被第二电阻器292反射为信号E，然后信号E沿相反方向行进通过耦合器220和放大器250。信号E然后从第一电阻器291反射为信号F。在图2B的振荡器模型中，第一电阻器291和第二电阻器292具有诸如50兆欧之类的高电阻，并且用作空腔中的空腔的反射表面。

如本文描述，在振荡器模型200B中，在很高程度地偏离谐振中心频率的高偏移频率下产生负反馈，使得负反馈用于抵消在高偏移频率下输入到放大器250的信号的输入信号分量，从而有效降低高偏移频率下的相位噪声和相位本底噪声。由于上述原因，具有负反馈的低相位噪声振荡器的增益可以根据在空腔模式下信号往返产生-4.00dB增益或4.00dB损耗的位置来表达。在高偏移频率下，增益在针对空腔的短路或开路端子方面与针对空腔模式描述的反射有关。在频率方面，可以将在100MHz振荡器中使用的高质量石英谐振器的高偏移频率视为偏离载波频率超过+/-5kHz的那些频率，或者通常情况下大约为6*(fo/2Q_L)。振幅的分布包括在中心频率下的最大振幅和在低于和高于中心频率的频率下的较低振幅。另外，上述-4.00dB增益或4.00dB损耗可以根据表达式Q_L＝fo/(Δf(P-3dB))来表达。对于该表达式，P是中心频率下的最大幅度，P-3dB在偏离中心频率的两个频率下比P低3.00dB，并且Δf是偏离中心频率的两个频率之间的绝对频率差。

只要谐振空腔模式下的反馈信号一定合理地足够大到产生所需振幅减小，高偏移频率下的增益就以谐振空腔中的信号的往返来表达，并且应当为-4.00dB或更高，这对应于空腔模式下衰减器的-2.00dB或更高增益。换句话说，对于大于6fo/2Q_L的偏移，如果空腔模式的往返损耗小于4.00dB，则将有足够的信号用于负反馈以在接近fo/2Q_L的偏移量时获得显著的相位噪声改善。如果在大于6fo/2Q_L的偏移量下通过空腔模式的往返损耗小于4.00dB，则这指示在偏移量接近fo/2Q_L时，一次或多次偏谐振反射可以用于获得显著的相位噪声改善。在高于6fo/2Q_L的偏移量时，可以认为一次或多次反射基本无损。

对于稍后描述的实施方案，在高偏移频率下双向通过等效空腔的小于4.00dB的损耗对应于向振荡器提供输入信号的谐振器的两次反射。反射发生在信号路径中以反馈到放大器。对于高偏移频率分量，每次反射都会导致小于2.00dB损耗，并且在后面描述的代表性实施方案中，两次这样的反射仍会给放大器保留实质性的负反馈信号，这又使放大器在高偏移频率下抵消放大器的输入信号使得在高偏移频率下降低了本底噪声。在实际电路的仿真和/或测试中可以观察到小于2.00dB损耗，并且在一些实施方案中，反馈信号的实际损耗可以更小。在后面描述的图5A/5B的实施方案中，等效反射由信号E和信号F以及图5A中的信号I2和信号J示出，导致信号K反馈到放大器550。在图6A/6B/6C的实施方案中，等效反射由信号E和信号F以及图6B中的信号I2和信号J1示出，导致信号J2反馈到放大器650。图5A中的信号K和图6B中的信号J2的反馈是放大器550和放大器650分别用于在高偏移频率下抵消这些放大器的输入信号的负反馈信号，这导致来自这些放大器的输出信号中的这些频率下的相位本底噪声降低。

图3示出了根据代表性实施方案的用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的简化振荡器电路。

在图3中，简化振荡器电路300包括具有串联的电阻器311、电感器312和电容器313的初级反馈环路301、耦合器320和放大器350。初级反馈环路301中的信号的传播方向是逆时针方向。耦合器320将一些功率从初级反馈环路301作为输出功率传输到负载389。

在图3中，放大器350沿主逆时针方向以0°相移将信号放大10dB。放大器350沿顺时针方向以180°相移将信号放大-10dB。耦合器320将功率耦合出初级反馈环路。如图3中，信号A被输入到放大器350，信号B从放大器350输出，信号C是由耦合器320耦合出的功率，并且信号D在信号C的功率耦合输出之后保留在初级反馈环路301中。在耦合器320中从信号B到信号D的转换以0°相移进入端口1和端口2。在简化振荡器电路300中，在很高程度地偏离谐振中心频率的高偏移频率下产生负反馈，使得负反馈用于抵消在高偏移频率下输入到放大器350的信号的输入信号分量，从而有效降低高偏移频率下的相位噪声和相位本底噪声。

图4A示出了根据代表性实施方案的用于使用负反馈的低相位噪声振荡器在其中空腔模型有效的高偏移频率下的另一个简化振荡器电路。

在图4A中，简化振荡器电路400包括第一耦合器420、第二耦合器421、移相器431、第一测试端口441和第二测试端口442、第一放大器450、第二放大器451、第一电阻器491以及第二电阻器492。

在图4A的简化振荡器电路400中，第一电阻器491和第二电阻器492具有诸如50兆欧之类的高电阻，并且用作空腔模型中的空腔的反射表面。移相器431产生90°相移并且阻抗为50欧姆。第一耦合器420具有60dB耦合值、0dB损耗、140dB的方向性和50欧姆阻抗。第二耦合器421具有60dB耦合值、0dB损耗、140dB的方向性和50欧姆阻抗。第一放大器450具有10dB正向增益和90°负相移，以及-10dB反向增益和270°负相移。第二放大器451具有120dB前向增益和0°相移。第二放大器451的增益以及第一耦合器420和第二耦合器421的耦合值比实际电路中使用的要高得多，并且用来更好地在理想情况下在模型中显示性能。第一测试端口441具有50欧姆阻抗，而第二测试端口442具有50欧姆阻抗。

对于本文描述的振荡器电路，与Leeson法则类振荡器相比，即使在谐振中心下，空腔反馈也减小空腔模式下输出信号的幅度。本文描述的振荡器电路将例如由图4A中的第一耦合器420耦合输出的功率的幅度在高偏移频率下比在谐振中心频率下减小得更多。这是如何改善高偏移相位噪声和相位本底噪声的重要方面。实际上，在谐振可能发生反馈之前在空腔模式下单个周期的信号的往返增益在谐振中心频率下最低，并且在高偏移频率下增加，因为谐振器的作用类似于串联RLC谐振器的理想开路，或者理想的并联RLC谐振器的理想短路。因此，在高偏移频率下，与较大的信号一起工作时，该较高电平的信号可以用于提供相对于谐振中心更高的负反馈，因此优先减小高偏移频率下的信号。因为空腔模式下的信号增益仅渐近地接近某个最终值，所以在高偏移频率下空腔模式的往返的单个周期的增益为-4.00dB或更高是使用本文描述的负反馈的低相位噪声振荡器的相对简单的益处标志。换句话说，单周期往返的-4.00dB增益或更小是在高偏移频率下获得的频率响应的一个方面，但不是本文描述的改善的唯一方面，甚至不是最重要的方面。

图4B和4C示出了根据代表性实施方案的与图4A相同的用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的简化振荡器电路的附加视图。图4A、4B和4C一起示出了来自第一测试端口441的信号流。在图4A中，信号流以通过第一测试端口441输入的信号A开始。信号A通过第二放大器451并且作为信号B从第二放大器451输出。信号B通过第一耦合器420，并且信号C从第一耦合器420发出。信号C通过第一放大器450，并且信号D从第一放大器450向第二耦合器421发出。

然后如图4B中所示，信号E从第二耦合器421向第二测试端口442发出。信号F也从第二耦合器421发出，但是朝向第二电阻器492发出。信号F从第二电阻器492反射为信号G。然后如图4C中所示，信号G通过第二耦合器421和第一放大器450，并且信号H从第一放大器450发出。信号H通过第一耦合器420。结果，信号I从第一耦合器420朝着所述信号消散的第一测试端口441发射，并且信号J从第一耦合器420朝向移相器431发出。信号K从移相器431发出并且从第一电阻器491反射为信号L。然后，信号L将通过移相器431。原始信号A的附加分量(例如，信号M(未示出)、信号N(未示出))将从移相器431发出，通过第一耦合器420，并且向输入到放大器450的原始信号提供负反馈，所述原始信号是图4A中的信号C。

在图4A、4B和4C中，第一电阻器491和第二电阻器492在高偏移频率下强烈反射入射信号。由于第二耦合器421的端口1和端口3之间有高60dB耦合，第一放大器450和第二电阻器492的输出之间具有相对较低损耗，从而导致第二耦合器421的端口1与端口2之间的直通路径中的***损耗较低。第一电阻器491和第二电阻器492以及移相器431用于向第一放大器450提供负反馈。因此，图4A、4B和4C部分地示出了用于高偏移信号分量的模型化空腔视图。

尽管本文未作详细说明，但是使用负反馈的低相位噪声振荡器可以有效降低相位本底噪声的振幅水平。在简化振荡器电路400中，在很高程度地偏离谐振中心频率的高偏移频率下产生负反馈，使得负反馈用于抵消在高偏移频率下输入到第一放大器450的信号的输入信号分量，从而有效降低高偏移频率下的相位噪声和相位本底噪声。随着振荡器性能的提高，本底噪声(dBm/Hz)在功率方面降低，并且在噪声功率方面相对于载波(dBc/Hz)降低。然而，如果根据动态范围进行描述，则以dB为单位的信噪比变大。因此，具有+10dBm载波功率和-160dBm/Hz的本底噪声的信号相对于-170dBc/Hz的载波具有本底噪声功率，并且在1Hz带宽中测量的信噪比为170dB。如果通过将相位本底噪声再降低10dB来提高振荡器性能，则现在相位本底噪声为-170dBm/Hz，相对于载波的噪声功率为-180dBc/Hz，并且相对于噪声的信号功率(以1Hz带宽测量)是180dB。在下图7A的曲线中示出如何降低本底噪声的例子，但是这些曲线将根据与本文的描述一致的振荡器电路实施方式的细节而变化。

图5A示出了根据代表性实施方案的用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的振荡器电路实施方式。

在图5A中，振荡器电路500A包括谐振器510、初级环路501和第二环路502。谐振器510包括电阻器511、电感器512和电容器513。电阻器511、电感器512和电容器513在谐振器510中并联设置。初级环路501是第一环路，并且包括第一循环器561、第二循环器562、第一耦合器520、谐振器510和第一放大器550。对于初级环路500A的往返行程，初级环路500A可以在-30°到+30°之间移相。

在本文的实施方案中，第二环路是反馈环路，并且包括至少一个电路部件。具体地，在图5A的实施方案中，第二环路502进一步包括第一循环器561、第二循环器562、第一耦合器520和第一放大器550，以及衰减器570和移相器531。通过衰减器570和移相器531的相移之和可以是例如180°。第一耦合器520将从第一放大器550输出的一些功率作为输出功率传输到负载589。

谐振器510物理上位于初级环路501中，但是在功能上是初级环路501和第二环路502两者的一部分，因为谐振器510是使第二环路502中的反馈正确工作的关键。与例如相对于谐振中心下的信号相比，谐振器510对于在很高程度地偏离谐振中心(载波频率)的频率下的信号具有更高的反射。利用如振荡器电路500A中那样的适当电路，可以在很高程度地偏离谐振中心的这些频率下提供更大量的负反馈。相对于载波频率信号分量，这减小了高偏移信号分量的幅度，从而改善了相位噪声。即，在振荡器电路500A中，在很高程度地偏离谐振中心频率的高偏移频率下产生负反馈，使得负反馈用于抵消在高偏移频率下输入到第一放大器550的信号的输入信号分量，从而有效降低高偏移频率下的相位噪声和相位本底噪声。

换句话说，初级环路501和第二环路502重叠，并且即使移相器531和衰减器570不在第一环路中，它们也有助于对第一放大器550的反馈的特性。类似地，来自谐振器510的反射有助于第二环路502的特性，使得谐振器510在功能上仍是第二环路502的一部分。因此，第二环路502中添加的部件与包括谐振器510的初级环路501中的部件一起工作。谐振器510在高偏移频率下强烈反射入射信号分量，并且从第一放大器550输出的反射信号从谐振器510反射并由第二循环器562循环到第二环路502中。

通过解释，第一循环器561和第二循环器562沿图5A中的逆时针方向改变信号流的方向。第一循环器561和第二循环器562中的每一者可以具有三个端口，使得在一个端口中进入第一循环器561或第二循环器562中的任一者的信号将经由下一端口沿逆时针方向离开第一循环器561或第二循环器562。作为例子，从左侧进入第一循环器561的信号将从右侧朝向第一放大器550离开，而从右侧进入第一循环器561的信号将从顶部朝向衰减器570离开。

作为例子，电阻器511的电阻值为25欧姆，电容器513的电容为8μF(微法拉)，并且电感器512的电感为0.316629pH(皮亨)。第一循环器561的一圈损耗为.5dB，并且第二循环器562的一圈损耗为.5dB。第一放大器550具有12.00dB初级增益和沿正向方向的0°相移(S21)，对于其输入反射系数(S11)幅度增益为零和相移为0°，对于其输出反射系数(S22)幅度增益为零和相移为180°，并且对于其反向发射系数(S12)幅度增益为零和相移为0°。第一耦合器520将功率从第一耦合器520的端口1耦合到第一耦合器520的端口2，损耗为1.6dB，并且将功率从第一耦合器520的端口1耦合到第一耦合器520的端口3，损耗为6.00dB，然后信号从那里进入负载589。第一耦合器520具有50欧姆阻抗。第二循环器562将从第二循环器562的端口2沿逆时针方向输出的功率耦合到谐振器510的输入。谐振器510的反射返回朝向第二循环器562行进并且被路由朝向移相器531。移相器531产生90°的相移并且具有50欧姆阻抗。第一循环器561将从第二环路502逆时针输出的功率耦合回到初级环路501，所述信号在那里顺时针循环直到它到达谐振器510。信号从谐振器510反射并且在初级环路501中逆时针循环回到第一循环器561。信号在第一循环器561中逆时针行进，并且被路由到第一放大器550的输入，所述信号在那里提供负反馈。

衰减器570可以具有取决于时间的衰减。例如，衰减器570可以允许负反馈逐渐地增加以便允许具有第一循环器561和第二循环器562的第二环路502允许使用高反馈而不会引起振荡。这可以通过从最初的较大量逐渐减小衰减来提高负反馈的稳定性。衰减器570的例子是如本文描述的耦合器，但是本文描述的衰减器不限于耦合器。例如，与本文的教导一致的衰减器可以是电阻衰减器。只要循环器电路提供最大的负反馈，诸如具有第一循环器561和第二循环器562的振荡器电路500A之类的电路就大幅改善了相位噪声。然而，在反馈的第一周期上，回到第一放大器550的输入的反馈信号可能相对较大，因为对于第一周期没有反馈，并且这可能在振荡器电路500A中产生振铃。可以通过时间相关衰减来避免任何这样的振铃，使得首先将衰减器570设置为足够高到振荡器电路500A在反馈的情况下稳定的电平，并且用于噪声的输出功率有所降低。通过降低噪声输出功率，可以允许较高水平的反馈而不会造成不稳定，并且这又导致较低的噪声输出功率。随着该过程的继续，最终可以将衰减设置为0dB以获得最大的反馈和最大的降噪效果。这可以通过PIN二极管衰减器以简单直接方式实施，所述衰减器允许连续可变的衰减而不会增加噪声。因此，图5中的衰减器570可以具有随时间变化的衰减。在设置时衰减随时间变化的衰减器570可以用来稳定第二环路502。

图5B包括与图5A相同的振荡器电路500A。图5A和5B一起示出了从第一放大器550的输入开始的信号流。第一放大器550的输入是第一信号A，并且放大器的输出是第二信号B。由第一耦合器520从初级环路501耦合的功率是第三信号C，并且传递通过第一环路501和第二环路502中的第一耦合器520的功率是第四信号D。然后，信号D进入第二循环器562，并且该功率作为信号E路由到谐振器510。在高偏移频率下，信号E将从谐振器510强烈反射为信号F，所述信号F返回行进到第二循环器562并且被路由到第二环路502，所述信号F在那里变为信号G。信号G朝向移相器531行进并且作为信号H离开移相器531和衰减器570，信号H进入第一循环器561并且作为信号I1转向返回谐振器510。信号I1以顺时针方向流进入初级环路501，在那里所述信号作为信号I2行进到谐振器510，并且在高偏移频率下，所述信号被谐振器510强烈反射为信号J。信号J返回到第一循环器561并且作为信号K发出作为第一放大器550的输入，从而向第一放大器550提供反馈。

另外，在图5A和5B中未示出由第一信号A产生的信号的每一次变化。例如，即使第十一输入作为信号K进入第一放大器550也将导致附加输出，这又将导致从第一耦合器520输出另外两个信号。因此，诸如第一放大器550之类的放大器的输入A可以导致在本文附图中未指定的许多其他信号分量。即，图5A和5B中所示的信号流仅示出了存在于振荡器电路500A中的具有不同特性的信号的第一周期。例如，第一信号A和第十一信号k都是第一放大器550的输入，并且这反映了振荡器电路500A的反馈特性的一个方面，只要第十一信号k由第一信号A产生即可。另外，信号可能会在它们每次通过初级环路501或第二环路502中的任何元件或被任何元件反射时发生变化。例如，处于很高程度地偏离载波信号的高偏移频率的频率下的信号可以被谐振器510反射，并且由于反射，此类信号可能会损耗一些功率。

在图5A和5B的实施方案中，第一放大器550的输出通过从初级环路501中的谐振器510的反射的组合被反馈到第一放大器550。例如，信号E在某一点处从谐振器510反射作为信号F，并且信号I2在另一点处从谐振器510反射作为信号J。第一放大器550的输出的高偏移分量的反射可能是由于第二循环器562引起的，只要第二环路502存在于图5B中以便例如将信号G馈送到第二环路502中作为对第一放大器550的反馈即可。因此，反馈是由于图5A和图5B的实施方案中的第二环路502引起的，但是在该实施方案和其他实施方案中，反馈可能是由于从诸如谐振器510之类的谐振器反射的组合引起的。

图5C示出了根据代表性实施方案的图5A和图5B中的振荡器电路实施方式的模型化空腔视图。在图5C中，图5A和5B中的振荡器电路实施方式的空腔模式性能在谐振器的高偏移频率下有效地导致短路。谐振器510用作由具有低值(诸如50毫欧)的第一电阻器591和第二电阻器592建模的短路，因此更容易知道第一电阻器591和第二电阻器592中损耗反射低的原因，这将导致强负反馈信号进入第一放大器550的输入。

在图5C中，对于在高偏移频率的信号，第二环路502从第二循环器562接收输入，所述信号从具有50毫欧阻抗的第二电阻器592反射。由于第一耦合器520的端口1和端口3之间的60dB的高耦合值，在第一放大器550和第二循环器562的输出之间具有相对较低损耗，从而导致从端口1到端口2的直通路径中的损耗较低。第二循环器562和第一循环器561以及移相器531和衰减器570用于向第一放大器550提供负反馈。因此，图5C的模型化的空腔视图有效地等效于图5A和5B的高偏移信号分量，并且图5C中的振荡器电路因此与图5A和5B相同被标记为振荡器电路500A。

图5D示出了根据代表性实施方案的用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的修正振荡器电路实施方式。在图5D的实施方案中，来自图5A和5B的衰减器570被指定为耦合器571。耦合器571耦合来自第二环路502的功率以产生10dB损耗。耦合器571具有50欧姆阻抗。耦合器571在第二环路502中还引入90°相移。

图5E示出了根据代表性实施方案的图5A和图5B中的振荡器电路实施方式的测试实施方式。

在图5E的实施方案中，振荡器电路500C包括第一测试端口541用于将信号输入到振荡器电路实施方式，并且第二测试端口542用于从振荡器电路实施方式输出信号。来自第一测试端口541的输入信号输入到第二放大器551，并且来自第二放大器551的输出主要通过第二耦合器521耦合到第一循环器561。第二测试端口542代替诸如图5C之类的附图中的负载589并且接收从第一功率放大器550输出并且通过第一耦合器520耦合输出的功率。

在图5E的实施方案中，第一电阻器591可以具有50毫欧阻抗并且第二电阻器592可以具有50毫欧阻抗。第一测试端口541将功率耦合到紧接第一电阻器591的振荡器电路500C中，所述振荡器电路用作50毫欧端子。

图6A示出了根据代表性实施方案的用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的振荡器电路实施方式。

在图6A中，振荡器电路600A包括谐振器610、初级环路601和次级环路602。谐振器610包括电阻器611、电感器612和电容器613。电阻器611、电感器612和电容器613在谐振器610中并联设置。初级环路601是第一环路，并且包括第一耦合器620、第二耦合器621、第三耦合器622、谐振器610和第一放大器650。次级环路602进一步包括第一耦合器620、第二耦合器621、第三耦合器622、第一放大器650、移相器631和衰减器670。第一耦合器620将从第一放大器650输出的一些功率作为输出功率传输到负载689。对于初级环路601的往返行程，初级环路601可以在-30°到+30°之间移相。

作为例子，电阻器611的电阻值为25欧姆，电容器613的电容为8μF(微法拉)，并且电感器612的电感为0.316629pH(皮亨)。第一耦合器620从端口1到端口3的损耗为6.00dB，第二耦合器621从端口1到端口3的损耗为6.00dB，并且第三耦合器622从端口1到端口3的损耗为6.00dB。第二耦合器621的输出具有第一耦合器620的输出的分数幅度，并且如图6A的实施方案中所示，第二耦合器621的输出也可以具有第三耦合器622的输出的分数幅度。

第一耦合器620的阻抗为50欧姆，第二耦合器621的阻抗为50欧姆，并且第三耦合器622的阻抗为50欧姆。第一放大器650具有16.00dB初级增益和沿正向方向的0°相移(S21)，对于其输入反射系数(S11)幅度增益为零和相移为0°，对于其输出反射系数(S22)幅度增益为零和相移为180°，并且对于其反向系数(S12)幅度增益为零和相移为0°。第一耦合器620将功率从入射在第一耦合器620的端口1上的信号耦合到以损耗为6.00dB离开第一耦合器620的端口3的信号，在那里所述信号变为信号C并被传递到负载689。移相器631产生0°相移并且阻抗为50欧姆。

谐振器610物理上位于初级环路601中，但是在功能上是初级环路601和次级环路602两者的一部分，因为谐振器610是使次级环路602中的反馈正确工作的关键。与例如相对于谐振中心下的信号相比，谐振器610对于在很高程度地偏离谐振中心(载波频率)的频率下的信号具有更高的反射。利用如振荡器电路600A中那样的适当电路，可以在很高程度地偏离谐振中心的这些频率下提供更大量的负反馈。相对于载波频率信号分量，这减小了高偏移信号分量的幅度，从而改善了相位噪声。

换句话说，初级环路601和次级环路602重叠，并且即使移相器631和衰减器670不在初级环路601中，它们也有助于对第一放大器650的反馈的特性。类似地，来自谐振器610的反射有助于次级环路602的特性，使得谐振器610在功能上仍是次级环路602的一部分。因此，次级环路602中添加的部件与包括谐振器610的初级环路601中的部件一起工作。谐振器610在高偏移频率下强烈反射入射信号分量，并且从第一放大器650输出的反射信号部分地从第三耦合器622的端口1耦合到第三耦合器622的端口3并进入次级环路602。

诸如如所示在其中第二耦合器621和第三耦合器622中的每一者具有90°相移的情况下，衰减器670与移相器631之间的相移之和可以标称上为0°。衰减器670可以具有与时间相关衰减，但最终衰减比开始时低，衰减到0dB的任何地方并且包括0dB。当然，对于不同的实施方案，振荡器电路600A的值可以变化，诸如根据针对振荡器电路600A寻求的高偏移频率响应来优化性能。类似于关于先前实施方案描述的衰减器570，衰减器670可以允许负反馈逐渐地增加，以便允许具有第二耦合器621和第三耦合器622的次级环路602允许使用高反馈而不会引起振荡。这可以通过从最初的较大量逐渐减小衰减来提高负反馈的稳定性。即，只要耦合器电路提供最大的负反馈，诸如具有

第二耦合器621和第三耦合器622的振荡器电路600A的电路就大幅改善了相位噪声。然而，在反馈的第一周期上，回到第一放大器650的输入的反馈信号可能相对较大，因为对于第一周期没有反馈，并且这可能在振荡器电路600A中产生振铃。可以通过时间相关衰减来避免任何这样的振铃，使得首先将衰减器770设置为足够高到振荡器电路600A在反馈的情况下稳定的电平，并且用于噪声的输出功率有所降低。通过降低噪声输出功率，可以允许较高水平的反馈而不会造成不稳定，并且这又导致较低的噪声输出功率。随着该过程的继续，最终可以将衰减设置为0dB以获得最大的反馈和最大的降噪效果。因此，图5中的衰减器670可以具有随时间变化的衰减，并且可以是例如PIN二极管衰减器。在振荡器电路600A中，在很高程度地偏离谐振中心频率的高偏移频率下产生负反馈，使得负反馈用于抵消在高偏移频率下输入到第一放大器550的信号的输入信号分量，从而有效降低高偏移频率下的相位噪声和相位本底噪声。

图6B包括与图6A相同的振荡器电路600A。图6A和6B一起示出了从第一放大器650的输入开始的信号流。第一放大器650的输入是第一信号A，并且第一放大器650的输出是第二信号B。通过第一耦合器620从第一放大器650的输出远离初级环路601和次级环路602耦合的功率是第三信号C，并且通过初级环路601和次级环路602中的第一耦合器620的功率是第四信号D。信号D以1.6dB损耗从第一耦合器620的端口2输出，在那里，所述信号作为信号E通过第三耦合器622到达谐振器610。高偏移频率下的信号E从谐振器610强烈反射并且变成信号F，朝向第三耦合器622反射回去。信号F从初级环路601降低6.00dB耦合到次级环路602，在那里所述信号变为信号G，到达移相器631。在信号G行进通过移相器631和衰减器670之后，它变为信号H并且行进到第二耦合器621的端口3。信号H作为信号I1离开第二耦合器621的端口1，在初级环路601上沿顺时针方向到达信号I2谐振器610。在高偏移频率下，信号I2从谐振器610强烈反射，并且变为信号J1，所述信号在初级环路601上逆时针返回到第一放大器650的输入，在那里它将反馈作为信号J2提供给第一放大器650的输入。

图6A和6B中所示的信号流仅示出了存在于振荡器电路600A中的具有不同特性的信号的一部分。例如，第一信号A和第十信号J2都是第一放大器650的输入，并且这反映了振荡器电路600A的反馈特性的一个方面，只要第十信号J2由第一信号A产生即可。另外，信号可能会在它们每次通过初级环路601或次级环路602中的任何元件或被任何元件反射时发生变化。例如，处于很高程度地偏离载波信号的高偏移频率的频率下的信号可以被谐振器610反射，并且由于反射，此类信号可能会损耗一些功率。

图6C示出了根据代表性实施方案的用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的另一个振荡器电路实施方式。

在图6C中，振荡器电路600B包括谐振器610、初级环路601和次级环路602。谐振器610包括电阻器611、电感器612和电容器613。电阻器611、电感器612和电容器613在谐振器610中并联设置。初级环路601包括第一耦合器620、第二耦合器621、第三耦合器622和第一放大器650。次级环路602进一步包括第一耦合器620、第二耦合器621、第三耦合器622、第一放大器650、移相器631和衰减器670。第一耦合器620将从第一放大器650输出的一些功率作为输出功率传输到负载689。

与图6A和图6B的实施方案相比，图6C中的振荡器电路600B中的第三耦合器622将入射在端口1上的功率通过端口2耦合到次级环路602，并且将入射在端口1上的功率通过端口3耦合到初级环路601。图6C中的振荡器电路600B提供了其中第一放大器650具有过量增益和功率以获得更多数量的反射功率进入反馈环路的情况。例如，从第三耦合器622的端口1入射到谐振器610的信号的任何高偏移频率部分将从谐振器610反射回到第三耦合器622。在振荡器电路600B中，从第三耦合器622的端口1耦合到端口2的功率将被馈送到次级环路602，而在图6A和图6B中的振荡器电路600A中，从第三耦合器622的端口1耦合到端口2的功率将被反馈到初级环路601。馈送到次级环路602的功率可以是入射在第三耦合器622的端口1上的功率的较大部分。图6D示出了根据代表性实施方案的图6A和图6B中的振荡器电路实施方式的模型化空腔视图。

在图6D中，图6A和6B中的振荡器电路实施方式的空腔模式性能在高偏移频率下有效地导致短路。谐振器610用作由具有低值(诸如50毫欧)的第一电阻器691和第二电阻器692建模的短路，因此更容易知道第一电阻器691和第二电阻器692中损耗反射低的原因，这将导致强负反馈信号进入第一放大器650的输入。

在图6D中，对于在高偏移频率的信号，次级环路602从第三耦合器622接收输入，所述信号从具有50毫欧阻抗的第二电阻器692反射。由于第一耦合器620的端口1和端口3之间的耦合，在第一放大器650和第三耦合器622的输出之间具有相对较低损耗。第三耦合器622和第二耦合器621以及移相器631和衰减器670用于向第一放大器650提供负反馈。因此，图6D的模型化的空腔视图有效地等效于图6A和6B的高偏移信号分量，并且图6D中的振荡器电路因此与图6A和6D相同被标记为振荡器电路600A。

图6E示出了根据代表性实施方案的图6A和图6B中的振荡器电路实施方式的测试实施方式。

在图6E的实施方案中，第一测试端口641用于将信号输入到振荡器电路600C的振荡器电路实施方式，并且第二测试端口642用于从振荡器电路600C的振荡器电路实施方式输出信号。来自第一测试端口641的输入信号输入到第二放大器651，并且来自第二放大器651的输出主要通过第二耦合器621耦合到第一放大器650。第二测试端口642代替图6A和6B中的负载689并且接收从第一功率放大器650输出并且通过第一耦合器620耦合输出的功率。

在图6E的实施方案中，第一电阻器691可以具有50毫欧阻抗并且第二电阻器692可以具有50毫欧阻抗。第一测试端口641将功率耦合到紧接第一电阻器691的振荡器电路500D中，所述振荡器电路用作50毫欧端子。

图7A示出了根据诸如图7B中所示的代表性实施方案的用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的开路模型的振幅与频率的综合曲线。

在图7A中，Y轴示出了振荡器电路的开环模型的损耗，并且X轴示出了在损耗中反映的信号的频率。如所示，与类似的振荡器(诸如根据Leeson法则设计的没有负反馈的振荡器)相比，达到100兆赫兹的最小损耗为-4.00dB。对于特定的谐振器配置，该-4.00dB损耗只是谐振中心下的损耗的一个说明，并且与先前讨论的空腔模式的往返的-4.00dB损耗无关。因此，如果100兆赫兹是图7中所示的振荡器电路的载波信号，则很高程度地偏离载波信号的高偏移频率表示出比存在于载波信号中的损耗明显更大的损耗。

图7B示出了根据代表性实施方案的用于使用产生图7A中的综合曲线的负反馈的低相位噪声振荡器的振荡器电路实施方式。

在图7B中，振荡器电路700是具有用于输入的第一测试端口741和用于输出的第二测试端口742的测试实施方式。所示的唯一环路是环路702，它在类似配置中是第二环路。环路702包括第一循环器761、第一放大器750、第一耦合器720、第二循环器762、移相器731和衰减器770。谐振器电路设置在最左侧和最右侧。第一谐振器电路包括电阻器717、电感器718和电容器719，并且设置在第二耦合器721与电阻器795之间。第二谐振器电路包括电阻器711、电感器712和电容器713，并且设置在第二循环器762与电阻器796之间。

来自第一测试端口741的输入信号基本上通过第二放大器751，并且由第二耦合器721从端口3耦合到端口1以便由第一循环器761循环。第一循环器761将来自第二耦合器721的信号作为输入提供给第一放大器750。第一耦合器720将第一放大器750的输出从端口1耦合到端口3，然后作为输出耦合到第二测试端口742。

在图7B中，电阻器795具有50欧姆阻抗，而电阻器796具有50欧姆阻抗。针对电阻器795和电阻器796示出的50欧姆端子接地表示放大器典型的50欧姆输入和输出阻抗。

如上所述，在很高程度地偏离振荡器电路中的谐振中心频率的高偏移频率下产生负反馈，使得负反馈用于抵消在高偏移频率下输入到放大器的信号的输入信号分量，从而有效降低高偏移频率下的相位噪声和相位本底噪声。因此，振荡器电路用于利用谐振器，只要与高偏移频率相比谐振器对于谐振中心频率下的入射信号具有不同反射即可。在谐振中心频率下的反射比在高偏移频率下的反射小得多。与谐振中心频率相比，高偏移频率的较强反射可以用于并且利用来获得高偏移频率下的较高负反馈信号。负反馈信号用于降低高偏移频率下的信号功率，因此改善高偏移频率下的相位噪声。因此，与独立放大器相比，使用负反馈的低相位噪声振荡器能够显著地降低高偏移相位噪声和本底噪声。即使使用与已知振荡器中所使用的谐振器相同的谐振器，以及甚至使用耗散与其他振荡器类似功率量的放大器，这也反映出相位噪声的改善(降低)。本文描述的使用负反馈的低相位噪声振荡器是一类新型振荡器，特别是在高偏移频率下，所述新型振荡器在空腔模式下使用负反馈来提供较低的相位噪声。如所描述的，高偏移频率可以是大于fo/2Q_L的偏移频率，但是这是比必要方式更方便地描述高偏移频率的一种方式。如引言中所述，Leeson类振荡器在空腔模式下在任何偏移下都不向放大器提供反馈，并且在环路反馈模式下，它们的反馈在大于fo/2Q_L的偏移下开始迅速下降，以便在偏移量大于6fo/2Q_L时基本上可忽略不计。频率偏移高于6fo/2Q_L将具有基本上无损反射，使得如果通过空腔模式的往返对于这些偏移损耗小于4.00dB，则这将允许使用显著地改善对fo/2Q_L及以上的偏移的相位噪声的负反馈。

另外，本文使用空腔模式下的负反馈描述了多个示例性电路拓扑，但是这些并不是可以获得本文描述的特性改善诸如以便对于在100MHz振荡器或更一般地～6fo/2Q_L振荡器中使用的高质量石英谐振器减小在高于+/-5kHz偏移下的相位噪声的唯一电路拓扑。与本文的描述一致的电路将提供一种振荡器电路，所述振荡器电路在空腔模式下在这些偏移下具有-4.00dB或更大(诸如-3.00dB、-2.00dB等)的相对幅度的往返。为了重申上述时序，当诸如振荡器电路500A或振荡器电路600A之类的振荡器电路启动时，在高偏移频率下的最大信号将用于振荡器电路的第一周期。然后，对于第一周期之后的周期，本文描述的在高偏移频率下的反馈效果将导致在高偏移频率下的较低信号。

尽管已经参考若干示例性实施方案描述了使用负反馈的低相位噪声振荡器，但是应当理解，已经使用的词语是描述和展示的词语，而不是限制性的词语。如目前陈述和修改的那样，在各方面不会偏离使用负反馈的低相位噪声振荡器的范围和精神的情况下，可以在所附权利要求书的范围内进行改变。尽管已经参考具体的装置、材料和实施方案描述了使用负反馈的低相位噪声振荡器，但是使用负反馈的低相位噪声振荡器并不旨在限于所公开的细节，而是使用负反馈的低相位噪声振荡器扩展到所有功能等效的结构、方法和用途，例如在所附权利要求书的范围内。

例如，图5A至5C和6A至6B的实施方案示例性电路，但是用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的其他电路在某些方面可以产生类似甚至改善的结果。本文描述的电路包括耦合器和循环器作为电路元件，但是其他电路元件可以用于执行类似的功能。类似地，在图5A至5C和图6A至6B中的实施方案中，谐振器510和610仅是说明性例子，并且其他类型的谐振器可以与用于使用负反馈的低相位噪声振荡器的振荡器电路一起使用。与本文的实施方案中所示的那些电路等效的电路落入本公开文本的范围内。例如，来自图5A中的信号K和图6B中的信号J2的负反馈是由特定元件的特定布置引起的，以便抵消输入信号到这些附图中的放大器的高偏移频率分量。然而，其他电路元件的其他布置可以用于使用负反馈来获得类似的特性改善，并且仍将落在本文描述的使用负反馈的低相位噪声振荡器的范围内。

如上所述，由使用负反馈的低相位噪声振荡器实现的相位噪声的改善将根据振荡器电路是使用循环器还是耦合器、反馈路径中的衰减和相移的设置以及其他因素而变化。但是，可实现诸如图7A中所示的改善，并且这些改善可以包括在谐振中心频率下增加4.00dB损耗，以及在高偏移频率下增加11.00dB或更多损耗。因此，即使增加4.00dB增益来补偿谐振中心频率处的过量损耗，对于在高偏移频率下的相位噪声的7.00dB或更多改善仍是可能的。结果，使用负反馈的低相位噪声振荡器会降低谐振频率下的增益，并且会稍微降低谐振频率附近的相位噪声，但是在远离谐振频率的高偏移频率下也会将增益、相位本底噪声和相位噪声大幅降低更大程度。

本文描述的实施方案的图示旨在提供对各种实施方案的结构的大致理解。这些图示并不旨在作为本文描述的公开文本的所有元件和特征的完整描述。在回顾公开文本之后，许多其他实施方案对于本领域技术人员而言是显而易见的。可以利用其他实施方案并从本公开文本导出其他实施方案，使得可以在不脱离本公开文本的范围的情况下进行结构和逻辑替换和改变。此外，这些图示仅仅是代表性的，并且可能不是按比例绘制的。图示中的某些比例可能被夸大，而其他比例可能被最小化。因此，本公开文本和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

本公开文本的一个或多个实施方案在本文中可以单独和/或共同地由术语“发明”指代，这仅仅是为了方便，并不意图将本申请的范围自愿地限制到任何具体发明或发明构思。此外，尽管在此示出和描述了特定实施方案，但是应当理解，被设计成实现相同或相似目的的任何后续安排可以替代所示的特定实施方案。此公开文本旨在覆盖各种实施方案的任何和所有后续的修改或变化。以上实施方案的组合以及本文未具体描述的其他实施方案对于本领域技术人员来说在回顾描述后将是显而易见的。

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提供所公开的实施方案的前述描述是为了使本领域技术人员能够实践本公开文本中描述的概念。因此，上述公开的主题应被认为是说明性的而非限制性的，并且所附权利要求书旨在覆盖落入本公开文本的真实精神和范围内的所有这样的修改、改善和其他实施方案。因此，在法律允许的最大程度内，本公开文本的范围将由所附权利要求书及其等同物的最广泛的可允许的解释来确定，而不受前述详细描述的约束或限制。