多模多頻振蕩器要求的不只是一個簡單的并聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)和一個有源器件。可以產(chǎn)生兩個并發(fā)頻率的振蕩器電路，必須能夠在兩個截然不同的頻率點同時提供負(fù)的電阻值，更高階的諧振器就是用于這個目的。諧振器的階數(shù)取決于期望的不同頻率信號/頻段數(shù)量。雖然一個簡單的二階諧振器網(wǎng)絡(luò)只產(chǎn)生一個頻率，但一個四階諧振器網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生兩個并發(fā)的頻率。

設(shè)計這種振蕩器的技巧，是需要了解支持多個獨立頻段所需的負(fù)電阻值，這方面的信息可以通過執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)分析找到。這類分析可以形成圖1所示的多模多頻振蕩器設(shè)計。專利待批的多頻振蕩器采用基于超材料的四階諧振器（圖5）。


圖5：多頻振蕩器采用了基于超材料的更高階諧振器

帶高階（《2）諧振器的振蕩器，可以實現(xiàn)多個穩(wěn)定的振蕩模式，并產(chǎn)生多個諧振頻率。借助合適的非線性有源電路拓?fù)浜捅匾闹C振器元件值，更高階振蕩器可以提供多于一個的諧振頻率。例如，具有四階諧振器的可調(diào)諧振蕩器，可以單獨或同時產(chǎn)生兩個截然不同的頻率ω1和ω2（圖6）。這種振蕩器可以通過在振蕩器晶體管（比如雙極晶體管）基極綜合兩個不同值電感組裝而成，從而創(chuàng)造同時持續(xù)振蕩所需的條件。


圖6：帶四階諧振器的振蕩器可以產(chǎn)生多個同時輸出信號

5多頻振蕩器的測試

為了驗證多頻振蕩器概念的有效性，這里組裝了一個原型用于產(chǎn)生兩個同步頻段。通過在雙極晶體管的基極使用兩個并聯(lián)二階諧振器，實現(xiàn)了振蕩器的四階諧振器（圖1）。RCO采用的版圖設(shè)計（圖7），可以用標(biāo)準(zhǔn)集成電路（IC）技術(shù)制造。它使用了更高階的超材料諧振器完成多個并發(fā)頻率的操作，能橫跨兩個不同頻段（如2.45~2.65GHz和4.85~5.25GHz）調(diào)諧，與分開的開關(guān)型VCO相比，功耗和尺寸有顯著減小。


圖7：在雙頻振蕩器原型的制造中使用了這個版圖

直觀的感覺是，較低頻率振蕩范圍（2.45~2.65GHz）所需的電感值要比較高頻率模式（4.85~5.25GHz）時大。在商用計算機輔助工程（CAE）軟件的幫助下，可以對雙頻振蕩器的諸如相位噪聲等不同性能參數(shù)（圖8）進(jìn)行仿真。通過在雙極晶體管基極的諧振器網(wǎng)絡(luò)上跨接調(diào)諧電容，可以綜合出要求的電感值，原理是調(diào)諧電容可以在感興趣的工作頻段上，提供晶體管發(fā)射極所需的負(fù)電阻和電抗（電感或電容）。


圖8：計算機輔助工程軟件工具在仿真雙頻振蕩器設(shè)計的性能參數(shù)時非常有用，比如這張相位噪聲性能圖

多模振蕩器中使用的濾波器有利于減輕模泄漏問題，比如振蕩器電路振蕩在雙模的時候。給定設(shè)計中的模泄漏量，取決于該部分電路的后續(xù)濾波器的頻譜選擇性以及振蕩器的設(shè)計要求。

6結(jié)語

四階振蕩器的相位噪聲在只產(chǎn)生其諧振頻率之一時，與使用相同有源拓?fù)浜椭C振器品質(zhì)因數(shù)（Q）的二階振蕩器的相位噪聲相當(dāng)。

但與常用的開關(guān)型諧振振蕩器相比，四階振蕩器在VCO實現(xiàn)中有更好的相位噪聲性能和/或更高的調(diào)諧范圍。兩種載波范圍1MHz頻偏處的原型源相位噪聲測量值通常都好于-120dBc/Hz（圖9）。


圖9：原型源的相位噪聲在兩種調(diào)諧范圍1MHz偏移處的測量值通常都好于-120dBc/Hz