多模多頻振蕩器要求的不只是一個簡單的并聯LC網絡和一個有源器件。可以產生兩個并發(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。諧振器的階數取決于期望的不同頻率信號/頻段數量。雖然一個簡單的二階諧振器網絡只產生一個頻率，但一個四階諧振器網絡可以產生兩個并發(fā)的頻率。

設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電阻值，這方面的信息可以通過執(zhí)行網絡分析找到。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，可以實現多個穩(wěn)定的振蕩模式，并產生多個諧振頻率。借助合適的非線性有源電路拓撲和必要的諧振器元件值，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諧振蕩器，可以單獨或同時產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生兩個同步頻段。通過在雙極晶體管的基極使用兩個并聯二階諧振器，實現了振蕩器的四階諧振器（圖1）。RCO采用的版圖設計（圖7），可以用標準集成電路（IC）技術制造。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）調諧，與分開的開關型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（圖8）進行仿真。通過在雙極晶體管基極的諧振器網絡上跨接調諧電容，可以綜合出要求的電感值，原理是調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計的性能參數時非常有用，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計要求。

6結語

四階振蕩器的相位噪聲在只產生其諧振頻率之一時，與使用相同有源拓撲和諧振器品質因數（Q）的二階振蕩器的相位噪聲相當。

但與常用的開關型諧振振蕩器相比，四階振蕩器在VCO實現中有更好的相位噪聲性能和/或更高的調諧范圍。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諧范圍1MHz偏移處的測量值通常都好于-120dBc/Hz