一种基于线性高q值可调谐电感及高频压控振荡器
阅读说明：本技术 一种基于线性高q值可调谐电感及高频压控振荡器 (Tunable inductor based on linear high Q value and high-frequency voltage-controlled oscillator ) 是由 刘术彬 常军 梁鸿志 丁瑞雪 刘晓娴 朱樟明 于 2021-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种基于线性高Q值可调谐电感及高频压控振荡器,调整可调谐电感不同端口之间耦合电容C1,C2大小,可对电感感值进行粗调与细调,粗调变化范围可达10pH,细调精度达0.03pH/f,使得压控振荡器具有较宽的调频范围。并且本发明由于采用电容调节电感,与现有技术电阻调节感值的压控振荡器相比,并未引入其他多余的电阻,且能使得压控振荡器保持较高品质因子Q值。(According to the tunable inductor based on the linear high Q value and the high-frequency voltage-controlled oscillator, the sizes of coupling capacitors C1 and C2 between different ports of the tunable inductor are adjusted, the inductance value of the inductor can be coarsely adjusted and finely adjusted, the coarse adjustment range can reach 10pH, the fine adjustment precision can reach 0.03pH/f, and the voltage-controlled oscillator has a wider frequency adjustment range. In addition, because the capacitor is adopted to adjust the inductance, compared with the voltage-controlled oscillator for adjusting the inductance value by the resistor in the prior art, other redundant resistors are not introduced, and the voltage-controlled oscillator can keep a higher quality factor Q value.)
技术领域
本发明属于压控振荡器技术领域，具体涉及一种基于线性高Q值可调谐电感及高频压控振荡器。
背景技术
锁相环频率综合器电路直接影响着无线收发机性能的好坏，VCO是频率综合器中的核心模块，VCO的调谐范围确定了锁相环系统的输出频带，相位噪声和功耗性能，对锁相环乃至整个无线收发机系统至关重要。
振荡器在受到自身之外的激励信号实现稳定振荡，LC VCO应用于GHz以上频段，具有较好的相位噪声。参考图1a，图1a为传统LC VCO结构。在图1a中，L是高品质因子三端电感，Csw为谐振腔内开关电容，Cvar为谐振腔内连续可调电容，为了实现宽带调谐范围，一般做法为增加Csw的尺寸或大小，从而VCO实现较宽的可调谐范围。从物理实现上，由于增加Csw会引入更大的寄生电容，会导致频率下降和起振稳定性的衰减。所以在传统使用固定电感的情况下，难以实现高频、宽调谐范围。
现有技术提出通过调节电阻来改变电感感值，参考图1b所示，但所引入的较大的电阻会严重影响电感的品质因子(Q值)，使相位噪声和起振稳定等性能恶化。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于线性高Q值可调谐电感及高频压控振荡器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供的一种基于线性高Q值可调谐电感包括：呈规则八边形结构并左右轴对称的外层电感材料、中间层电感材料以及内层电感材料，内层电感材料嵌套在中间层电感材料内，中间层电感材料嵌套在外层电感材料内，外层电感材料、中间层电感材料以及内层电感材料在同一方向的边平行，从内层电感材料的外边沿起始，在对称轴上抽头出中间抽头MID端口，对称轴的下方向，在中间层电感材料、外层电感材料以及内层电感材料开设有端口通道，外层电感材料的端口通道大于中间层电感材料的端口通道，中间层电感材料的端口通道大于内层电感端口通道。
其中，外层电感材料、中间层电感材料以及内层电感材料包括铜以及磁芯。
可选的，外层电感材料以及中间层电感材料在压控振荡器应用时，外层电感材料以及中间层电感材料的端口通道之间连接有精调电容C1，中间层电感材料以及内层层电感材料在压控振荡器中应用时，中间层电感材料以及内层电感材料的端口通道之间连接有粗调电容C2。
第二方面，本发明提供的一种基于线性高Q值可调谐电感的高频压控振荡器，使用第一方面的可调谐电感，高频压控振荡器包括：
由可调电感电路部分以及非电感电路部分构成的压控振荡器电路，
其中，压控振荡器电路中的可调电感部分包括：外层电感材料、中间层电感材料以及内层电感材料分别等效为的第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3的可调谐电感等效电路，用于调节第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3的精调电容C1以及粗调电容C2；
其中，可调谐电感等效电路呈对称结构，对称结构包括第一对称部分以及第二对称部分，每个对称部分包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3；每个对称部分的第三电感L3与另一对称部分的第二电感L2耦合，耦合系数为K2；每个对称部分各自的第一电感L1与各自的第二电感L2耦合，耦合系数为K1；每个对称部分各自的第一电感L1与各自的第二电感L2一端同时连接电源电压VDD，一端之间连接精调电容C1，每个对称部分各自的第三电感L3与其耦合的第二电感L2的一端同时接入连接电源VDD，另一端之间连接粗调电容C2。
可选的，非电感电路部分包括：第一晶体管N1、第二晶体管N2、第三晶体管N3、第四晶体管N4、第一电容Ca以及第二电容Cb，第一晶体管N1的栅极分别连接第二晶体管N2的漏极、可调电感电路部分的一端、第二电容Cb的正端，第三晶体管N3的栅极以及第四晶体管N4的漏极，第二晶体管N2的栅极分别连接第一晶体管N1的漏极、可调电感电路部分的另一端、第一电容Ca的正端，第四晶体管N4的栅极以及第三晶体管N3的漏极，第一晶体管N1以及第二晶体管N2的源极连接电源VDD，第三晶体管N3以及第四晶体管N4的源极连接电源地GND，第一电容Ca的另一端与第二电容Cb的另一端相连。
本发明提供的一种所提出的一种基于线性高Q值可调谐电感及高频压控振荡器，调整可调谐电感不同端口之间耦合电容C1，C2大小，可对电感感值进行粗调与细调，粗调变化范围可达10pH，细调精度达0.03pH/f，使得压控振荡器具有较宽的调频范围。并且本发明由于采用电容调节电感，与现有技术电阻调节感值的压控振荡器相比，并未引入其他多余的电阻，且能使得压控振荡器保持较高品质因子Q值。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1a是传统LC VCO结构图；
图1b是调节电阻来改变电感值的LC VCO结构图；
图2是本发明实施例提供的一种基于线性高Q值可调谐电感的结构图；
图3是本发明实施例提供的一种基于线性高Q值可调谐电感的高频压控振荡器的结构图；
图4是本发明实施例提供的可变电感结构等效电路结构图；
图5是本发明实施例提供的可变电感结构等效电路去耦合后的电路结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
如图2所示，本发明提供的一种基于线性高Q值可调谐电感，应用于压控振荡器，包括：呈规则八边形结构并左右轴对称的外层电感材料、中间层电感材料以及内层电感材料，内层电感材料嵌套在中间层电感材料内，中间层电感材料嵌套在外层电感材料内，外层电感材料、中间层电感材料以及内层电感材料在同一方向的边平行，从内层电感材料的外边沿起始，在对称轴上抽头出MID middle，中间抽头端口，对称轴的下方向，在中间层电感材料、外层电感材料以及内层电感材料开设有端口通道，外层电感材料的端口通道大于中间层电感材料的端口通道，中间层电感材料的端口通道大于内层电感端口通道。
其中，外层电感材料、中间层电感材料以及内层电感材料包括铜以及磁芯。外层电感材料以及中间层电感材料在压控振荡器应用时，外层电感材料以及中间层电感材料的端口通道之间连接有精调电容C1，中间层电感材料以及内层层电感材料在压控振荡器中应用时，中间层电感材料以及内层电感材料的端口通道之间连接有粗调电容C2。
本发明提供的一种所提出的一种基于线性高Q值可调谐电感，调整不同端口之间耦合电容C1，C2大小，可对电感感值进行粗调与细调，粗调变化范围可达10pH，细调精度达0.03pH/f，使得压控振荡器有较宽的调频范围。并且本发明由于采用电容调节电感，与现有技术中通过电阻调节感值相比的，并未引入其他多余的电阻，且能保持较高品质因子Q值。
如图3所示，本发明提供的一种基于线性高Q值可调谐电感的高频压控振荡器，使用图2所示的可调谐电感，高频压控振荡器包括：
由可调电感电路部分以及非电感电路部分构成的压控振荡器电路，
其中，压控振荡器电路中的可调电感部分包括：外层电感材料、中间层电感材料以及内层电感材料分别等效为的第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3的可调谐电感等效电路，用于调节第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3的精调电容C1以及粗调电容C2；
其中，可调谐电感等效电路呈对称结构，对称结构包括第一对称部分以及第二对称部分，每个对称部分包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3；每个对称部分的第三电感L3与另一对称部分的第二电感L2耦合，耦合系数为K2；每个对称部分各自的第一电感L1与各自的第二电感L2耦合，耦合系数为K1；每个对称部分各自的第一电感L1与各自的第二电感L2一端同时连接电源电压VDD，一端之间连接精调电容C1，每个对称部分各自的第三电感L3与其耦合的第二电感L2的一端同时接入连接电源VDD，另一端之间连接粗调电容C2。
参考图3，非电感电路部分包括：第一晶体管N1、第二晶体管N2、第三晶体管N3、第四晶体管N4、第一电容Ca以及第二电容Cb，第一晶体管N1的栅极分别连接第二晶体管N2的漏极、可调电感电路部分的一端、第二电容Cb的正端，第三晶体管N3的栅极以及第四晶体管N4的漏极，第二晶体管N2的栅极分别连接第一晶体管N1的漏极、可调电感电路部分的另一端、第一电容Ca的正端，第四晶体管N4的栅极以及第三晶体管N3的漏极，第一晶体管N1以及第二晶体管N2的源极连接电源VDD，第三晶体管N3以及第四晶体管N4的源极连接电源地GND，第一电容Ca的另一端与第二电容Cb的另一端相连。
将图2所提出的可变电感结构进行等效，等效结构参见图4，其中L1，L2，L3分别是外圈到内圈的等效电感，C1，C2是为了调节电感所引入的电容，其中C1为精调电容，C2为粗调电容，R1和R为为了调节C1，C2容值大小所应入的导通电阻以及电感的串联电阻之和，阻值相对较大，而R2，R3均仅仅为电感的串联电阻，阻值相对较小，K1，K2为相邻电感的耦合系数。下面对所等效的电路结构进行计算。
对图4电路进行去耦合，可等效电路变换到图5所示。为了计算方便，可将所有电感均取等于L，串联电阻均为R，开关电阻为R1，可以计算出等效电感LEQ和REQ。此处为简化计算所取的L，R，R1值与图2并不是同一值。公式如下：
*表示相乘。从上述公式可以分析出电容C1，C2均决定了等效电感的感值大小，且公式中C1，C2的系数不同也反映了两个电容所能调节的精度的不同，C1的系数较小，所调节感值的范围小，精度高，可用于细调，对VCO高频频率进行调节。C2前面的系数较大所调节感值的范围较大，精度低，可用于粗调，对VCO低频频率进行调节，因此所设计的新型电感结构可以实现宽调频范围的VCO，由于并未引入除开关管导通电阻以外的电阻，从REQ公式也能看出等效电阻REQ受R的影响很小，且C1，C2对等效电阻REQ的作用与LEQ的作用几乎相同，根据公式：
可以分析出Q值变化很小，依然可以保持很高的Q值。
本发明提供的一种所提出的一种基于线性高Q值可调谐电感的高频压控振荡器，利用调整可调谐电感不同端口之间耦合电容C1，C2、大小可对电感感值进行粗调与细调，粗调变化范围可达10pH，细调精度达0.03pH/f，使得压控振荡器具有较宽的调频范围。并且本发明由于采用电容调节电感，与现有技术电阻调节感值的压控振荡器相比的，并未引入其他多余的电阻，且能使得压控振荡器保持较高品质因子Q值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。