温度受控射频谐振器和对应的射频振荡器的制作方法

1.本发明的领域是精密频率源领域。
2.更具体地说，本发明涉及一种温度受控射频(或rf)谐振器和对应的rf振荡器。
3.因此，本发明具有许多应用，无论是对于模拟应用，例如在需要生成精密rf信号的领域中，还是对于数字应用，例如在需要生成精密时钟的领域中。示例包含但不限于需要高时钟精密性的rf通信(例如，蜂窝、军事、空间等)、银行交易等。


背景技术：

4.模拟应用(例如，用于rf载波生成)和数字应用(例如，用于旨在为数字触发器电路提供时钟的时钟生成)均需要频率源来生成任何类型的周期性信号。
5.许多rf频率源基于使用一个(或多个)谐振元件来围绕相关谐振元件的谐振频率对振荡器内维持的周期性信号进行滤波。此类谐振元件的使用使得尤其有可能经由谐振元件执行的滤波来改善由振荡器维持的周期性信号的相位噪声性能。
6.然而，由于实际使用的谐振元件(例如mems(微机电系统)、压电、saw(表面声波)、baw(体声波)等)的物理性质，此类谐振元件的谐振频率取决于其温度。这就是已知精密频率源对其实施的谐振元件进行温度控制的原因。
7.例如，图1示出根据已知实施方案的此类温度受控rf谐振器100。更具体地说，rf谐振器100包括隔热外壳110，在所述隔热外壳内实施：
[0008]-谐振元件120，其被配置成在供应有rf输入信号120e时递送rf输出信号120s。更具体地说，rf输出信号120s对应于围绕谐振元件120的谐振频率rf被滤波的rf输入信号120e；
[0009]-加热元件130，其被配置成当其由低频或lf电力信号130ali供电时在热外壳110内供应热能。例如，加热元件130是在电流(在这种情况下对应于电信号130ali的电流)从中穿过时通过焦耳效应产生热的电阻器。在某些常见实施方案中，期望电信号130ali是连续的或是dc(表示“直流电”)。然而，取决于用于生成电信号130ali的电源的稳定性，在lf术语涵盖根据本技术的理想dc情况的条件下，相关信号同样更一般地是lf的。此外，在一些常见实施方案中，此类电信号130ali旨在经由伺服回路从动。这是例如下文结合图3描述的振荡器300的配置中的情况。在此类型的控制中，无论是在伺服回路闭合时，还是在控制设定点改变期间(例如，为了监测温度传感器140测量的温度变化)，电信号130ali都随着时间推移而变化。在此实施方案中，电信号130ali的变化的频谱受伺服回路带宽的频率限制。在实践中，相关变化因此是lf的，与谐振器100的rf谐振频率相反；以及
[0010]-温度传感器140，其被配置成递送随热外壳110内部存在的温度而变的lf电测量信号140mes。例如，温度传感器140是温度相关的可变电阻器。在此情况下，lf电测量信号140mes是电流，其强度在温度传感器140经受给定电位差时随温度而变。
[0011]
此外，rf谐振器100包括六个输入/输出端口100es1到100es6(给定的输入/输出端口在本技术中理解为包括单个电连接(例如，传播各种传入/传出信号的单个导体))。六个
输入/输出端口100es1到100es6穿过隔热外壳110，从而将热外壳110内的各种上述元件电连接到外部电路，例如用于生成和维持rf输入信号120e的振荡器。更具体地：
[0012]-输入/输出端口100es1用于将rf输入信号120e从外壳110外部传播到谐振元件120；
[0013]-输入/输出端口100es2用于将rf输出信号120s从谐振元件120传播到外壳110的外部；
[0014]-输入/输出端口100es3用于将lf电力信号130ali从外壳110外部的电源传播到加热元件130，相应地，输入/输出端口100es4用于将所述lf电力信号相应地从所述加热元件相应地传播到外壳外部的电源；
[0015]-输入/输出端口100es5用于将lf电测量信号140mes从温度传感器140传播到外壳110之外，相应地，输入/输出端口100es6用于将所述lf电测量信号相应地从外壳之外相应地传播到温度传感器。
[0016]
此类rf谐振器100通常嵌入在rf振荡器内以生成精密rf信号。然而，此类精密频率源越来越多地用于电力消耗准则非常重要的应用中，例如，当所述频率源嵌入能量自主或对此类能量资源的获取受限的装置中时(例如，在无线电通信终端、卫星、笔记本电脑等中)。
[0017]
因此，需要一种与已知谐振器相比具有降低的电力消耗的温度受控rf谐振器。


技术实现要素：

[0018]
在本发明的一个实施例中，提出一种包括隔热外壳的温度受控rf谐振器，在所述隔热外壳内实施：
[0019]-至少一个谐振元件，其被配置成在馈送有rf输入信号时提供rf输出信号，所述rf输出信号对应于围绕所述至少一个谐振元件的谐振频率被滤波的所述rf输入信号；
[0020]-至少一个加热元件，其被配置成在所述至少一个加热元件由低频或lf电力信号供电时在所述热外壳内供应热能；以及
[0021]-至少一个温度传感器，其被配置成递送随所述热外壳内部温度而变的lf电测量信号。
[0022]
此类rf谐振器包括横跨所述隔热外壳的至少一个输入/输出端口，所述至少一个输入/输出端口传播至少：
[0023]-rf信号当中的一个信号；以及
[0024]-lf电信号当中的另一信号。
[0025]
因此，本发明提供一种用于减少温度受控rf谐振器的电力消耗的新颖的创造性的解决方案。
[0026]
具体地说，重复使用输入/输出端口(给定的输入/输出端口理解为包括横跨隔热外壳的单个电连接(例如，传播不同传入/传出信号的单个导体))以便传播rf信号和lf信号可使外壳中存在的开口数目最小化。以此方式，热损耗减少，这继而减少与加热所述外壳相关的能耗。
[0027]
根据实施例，所述rf谐振器在所述隔热外壳内还包括：
[0028]-rf路径，所述rf信号在所述rf路径上传播并且所述至少一个谐振元件在所述rf
路径上实施，所述rf路径包括阻断lf电组件的解耦构件。
[0029]
因此，lf信号被路由到对应的lf路径。此类解耦构件包括例如一个(或多个)电容器。
[0030]
根据实施例，所述解耦构件包括所述至少一个谐振元件。
[0031]
因此，以简单高效的方式实现lf/rf解耦。例如，使用mems、压电、saw或baw类型的谐振元件，因为此类谐振元件在lf下自然呈现电容效应。
[0032]
根据实施例，所述rf谐振器在所述隔热外壳内还包括：
[0033]-第一lf路径，所述lf电力信号在所述第一lf路径上传播并且所述至少一个加热元件在所述第一lf路径上实施，所述第一lf路径包括阻断所述rf电组件的至少一个第一陷波电路；和/或
[0034]-第二lf路径，所述lf电测量信号在所述第二lf路径上传播并且所述至少一个温度传感器在所述第二lf路径上实施，所述第二lf路径包括阻断所述rf电组件的至少一个第二陷波电路。
[0035]
因此，rf信号被路由到谐振器的对应lf路径。例如，所述陷波电路包括实施为离散元件或以分布形式实施(例如，经由在rf频率下充当电感器的印刷电路板部分)的电感器。所述陷波电路还可实施为在给定rf频率下具有比单个电感器更好的抑制的高阶滤波器电路。
[0036]
根据一个实施例，所述rf路径的第一末端和所述第一lf路径的第一末端电连接到穿过所述隔热外壳的第一输入/输出端口；和/或所述rf路径的第二末端和所述第二lf路径的第一末端电连接到横跨所述隔热外壳的第二输入/输出端口。
[0037]
根据一个实施例，所述rf谐振器包括所述第一lf路径和所述第二lf路径，所述第一lf路径的第二末端和所述第二lf路径的第二末端电连接到横跨所述隔热外壳的第三输入/输出端口。
[0038]
因此，进一步减少外壳110中存在的开口数目，因此也减少了热损耗。
[0039]
在本发明的实施例中，提供一种包括根据上述实施例中的任一实施例的rf谐振器的rf振荡器。
[0040]
根据一些实施例，所述rf振荡器的rf谐振器包括第一lf路径和/或第二lf路径(根据上述实施例中的任一实施例，其中rf谐振器包括相关第一lf路径和/或第二lf路径)。在这些实施例中：
[0041]-所述第一输入/输出端口至少电连接到以下两者：
[0042]
*振荡器rf路径的第一末端，其传播rf输入信号、相应地rf输出信号，所述振荡器rf路径的所述第一末端包括阻断所述lf电组件的第一解耦构件；以及
[0043]
*第一振荡器lf路径，其传播lf电力信号，所述第一振荡器lf路径包括阻断rf电组件的振荡器的至少一个第一陷波电路；和/或
[0044]-第二输入/输出端口至少电连接到以下两者：
[0045]
*振荡器rf路径的第二末端，其传播rf输出信号、相应地rf输入信号，所述振荡器rf路径的所述第二末端包括阻断lf电组件的第二解耦构件；以及
[0046]
*第二振荡器lf路径，其传播lf电测量信号，所述第二振荡器lf路径包括阻断rf电组件的至少一个第二振荡器陷波电路。
[0047]
根据一些实施例，rf谐振器的第一lf路径的第二末端和rf谐振器的第二lf路径的第二末端电连接到横跨隔热外壳的第三输入/输出端口。在相关实施例中，第三输入/输出端口电连接到rf振荡器的电接地。
附图说明
[0048]
本发明的其它目的、特征和优点将在阅读以下描述后变得更加明显，在此给出的描述用作与图相关的说明性和非限制性示例，图中：
[0049]
[图1]，已在上文结合“现有技术和其缺点”一节予以论述，示出了根据已知实施方案的温度受控rf谐振器；
[0050]
[图2]示出根据本发明的实施例的温度受控rf谐振器；
[0051]
[图3]示出根据本发明的实施例的包括图2的温度受控rf谐振器的rf振荡器；
[0052]
[图4a]和[图4b]示出相对于包括图1的已知rf谐振器的振荡器，针对图3的振荡器获得的相位噪声性能。
具体实施方式
[0053]
本发明的一般原理基于对温度受控rf谐振器的一个(或多个)输入/输出端口的重复使用，以传播rf谐振器的隔热外壳内部存在的一些元件使用的rf信号(例如rf输入信号120e或rf输出信号120s)和lf信号(例如lf电力信号130ali或lf电测量信号140mes)这两者。以此方式，热损耗减少，这继而减少与加热所述外壳相关的能耗。
[0054]
关于图2，现在呈现根据本发明的实施例的温度受控rf谐振器200。
[0055]
rf谐振器200使用上文结合图1所论述的rf谐振器100的一些组成元件。更具体地说，rf谐振器200也包含隔热外壳110，在所述隔热外壳内实施：
[0056]-谐振元件120，其被配置成在被供应rf输入信号120e时递送rf输出信号120s。如上文结合图1所论述，rf输出信号120s对应于围绕谐振元件120的谐振频率rf被滤波的rf输入信号120e。在其它实施例中，若干谐振元件用于改善rf信号滤波，且因此改善噪声性能，尽管解决方案大小受到影响。
[0057]
返回到图2，在外壳110内部还实施：
[0058]-加热元件130，其被配置成当加热元件130由lf电力信号130ali供电时在热外壳110内供应热能。如上文关于图1所论述，加热元件130是例如在电流从中穿过时通过焦耳效应产生热的电阻器，所述电流在这种情况下对应于电信号130ali。在其它实施例中，例如以分布式方式在外壳110内使用若干加热元件以提供均匀温度。
[0059]
返回到图2，在外壳110内部还实施：
[0060]-温度传感器140，其被配置成递送与热外壳110内部的温度成比例的lf电测量信号140mes。如上文关于图1所论述，温度传感器140是例如温度相关的可变电阻器。在此情况下，lf电测量信号140mes是电流，其强度在温度传感器140经受给定电位差时随温度而变。在其它实施例中，例如以分布式方式在外壳110内使用若干温度传感器以提供更好的温度估计。
[0061]
返回到图2，rf谐振器200包含横跨隔热外壳110的两个输入/输出端口200es1和200es2，所述两个输入/输出端口中的每个端口传播rf信号120e或120s以及lf信号130ali
或140mes。因此，重复使用输入/输出端口220es1、200es2来传播rf信号120e或120s以及lf信号130ali或140mes可使外壳110中存在的开口数目最小化。以此方式，热损耗减少，这继而减少与加热外壳110相关的能耗。实际上，能耗基本上与待供应以补偿由于外壳110的内部与外部之间的各种出入而引起的热损耗的功率相关。
[0062]
此类损耗具有若干起因：热传导、辐射、对流。作为比较，振荡电路的功耗数量级可以是几十到几百微瓦，而外壳110中存在的元件的功耗约为100mw。
[0063]
通常，在已知的行业实施方案中，谐振元件120置于真空中，由此限制对流。辐射由将要维持在设定温度的区域周围的壳体内衬控制。热传导是由于将所述区域与热和外壳110的外部关联的各种物理元件而引起的。这些元件是电线和机械支撑件。例如，25μm直径的金丝键合线的电阻率为26mk.w-1
.m-1
。此电阻率除以实施谐振器所需的线材数目。例如，如果考虑在400μm
×
100μm的表面上厚度为100μm的机械玻璃支撑件，则获得2.5kk.w-1
的热阻，等效电阻为三个1mm长的线材(例如图2中的配置)的情况下的1.9kk.w-1
.m-1
以及五个仍为1mm长的线材(例如图1中的配置)的情况下的1.7kk.w-1
.m-1
。因此，在外壳110内部145k的温度变化的情况下，五个线材情况下的功耗可估计为85.5mw，而具有三个线材的配置的功耗为75mw，即，通过从五个输入/输出端口变到三个输入/输出端口，功耗降低12％。对100μm长的线材进行的相同计算表明，当从五个输入/输出端口变到三个输入/输出端口时，功耗降低33％。
[0064]
另外，启动时间(即，使rf 200谐振器的元件达到所需温度从而将其谐振频率准确地稳定在所要频率所需的时间)与rf 200谐振器的热质量相关，因此与热泄漏等相关。因此，与已知rf谐振器100的启动时间相比，rf谐振器200的启动时间也减少。
[0065]
在其它实施例中，单个输入/输出端口被重复使用以通过外壳110传播rf信号和lf信号两者。在此情况下，在热损耗方面仍会获得增益，但与图2中重复使用多个输入/输出端口的情况相比，增益程度较小。
[0066]
返回到图2，输入/输出端口200es1传播rf输入信号120e和lf电力信号130ali两者。为此，rf路径200crf的第一末端(rf路径200crf是外壳110内如图中虚线箭头200crf所示的路径，其上实施谐振元件120并且rf信号沿其传播)和第一lf路径200cbf1的第一末端(第一lf路径200cbf1是外壳110内如图中虚线箭头200cbf1所示的路径，其上实施加热元件130并且lf电力信号130ali沿其传播)电连接到输入/输出端口200es1。
[0067]
类似地，输入/输出端口200es2传播rf输出信号120s和lf电测量信号140mes两者。为此，rf路径200crf的第二末端和第二lf路径200cbf2的第一末端(第二lf路径200cbf2是外壳110内如图中虚线箭头200cbf2所示的路径，其上实施温度传感器140并且lf电测量信号140mes沿其传播)电连接到输入/输出端口200es1。
[0068]
在其它实施例中，rf谐振器200的rf端口的作用颠倒，其中rf谐振器200从其rf路径200crf的视角来看是对称的。在此情况下，一个输入/输出端口传播rf输出信号和lf电力信号两者，而另一输入/输出端口传播rf输入信号120e和lf电测量信号140mes两者。
[0069]
返回到图2，rf路径200crf包含阻断lf电组件的解耦构件。以此方式，lf电力信号130ali被路由到第一lf路径200cbf1。类似地，lf电测量信号140mes被路由到第二lf路径200cbf2。
[0070]
在所考虑的实施例中，相关解耦构件包括谐振元件120自身。实际上，例如mems、压
电、saw或baw等一些谐振元件具有阻断lf电组件的固有电容效应。在其它实施例中，解耦构件包括例如以离散元件的形式实施的一个(或多个)电容器。在其它实施例中，解耦构件包括高阶高通电路以用于改善某些lf频率的抑制。
[0071]
返回到图2，第一lf路径200cbf1包含阻断lf电组件的第一陷波电路200cb1。类似地，第二lf路径200cbf2包含也阻断rf电组件的第二陷波电路200cb2。因此，rf信号100e和100s被路由到lf路径200crf。
[0072]
在本发明的实施例中，第一陷波电路200cb1和第二陷波电路200cb2包括实施为离散元件或以分布形式实施(例如，经由在rf频率下充当电感器的印刷电路板部分)的电感器。在其它实施例中，第一陷波电路200cb1和/或第二陷波电路200cb2包括多个元件(离散的或分布式)以提供在给定rf频率下具有比单个电感器更好的抑制的高阶滤波器电路。
[0073]
返回到图2，第一bf路径200cbf1的第二末端和第二bf路径200cbf2的第二末端电连接到第三输入/输出端口200es3。因此，进一步减少了外壳110中存在的开口数目以及热损耗。
[0074]
在其它实施例中，使用多个输入/输出端口来实施在rf谐振器200中实施的各种lf信号到外壳110外部的返回路径。
[0075]
关于图3，现在呈现包括rf谐振器200的rf振荡器300。
[0076]
更具体地说，rf谐振器200允许对由振荡器的有源部分310维持的振荡信号进行滤波，以便例如在相位噪声方面实现良好的性能。
[0077]
另外，有源部分310还测量由温度传感器140递送的lf电测量信号140mes，并且根据电信号140mes的测得值生成加热元件130的lf电力信号130ali。在其它实施例中，lf电信号140mes的测量和lf电信号130ali的生成功能从专用有源部分310偏移，由此在此情况下偏移到rf振荡的生成和维持。
[0078]
返回到图3，输入/输出端口200es1电连接到以下两者：
[0079]-振荡器300的rf路径的第一末端，其传播rf输入信号120e并且包括阻断lf电组件的第一解耦构件300md1；以及
[0080]-振荡器300的第一lf路径，其传播lf电力信号130ali并且包括阻断rf电组件的振荡器300的第一陷波电路300cb1。
[0081]
此外，输入/输出端口200es2电连接到以下两者：
[0082]-振荡器300的rf路径的第二末端，其传播rf输出信号120s并且包括阻断lf电组件的第二解耦构件300md2；以及
[0083]-振荡器300的第二lf路径，其传播lf电测量信号140mes并且包括阻断rf电组件的振荡器300的第二陷波电路300cb2。
[0084]
在所考虑的实施例中，振荡器300的第一陷波电路300cb1和第二陷波电路300cb2包括实施为离散元件或以分布形式实施(例如，经由在rf频率下充当电感器的印刷电路板部分)的电感器。在其它实施例中，振荡器300的第一陷波电路300cb1和/或振荡器300的第二陷波电路300cb2包括多个元件(离散的或分布式)以提供在给定rf频率下呈现比简单电感器更好的抑制的高阶滤波器电路。
[0085]
返回到图3，第一解耦构件300md1和第二解耦构件300md2包括例如实施为离散元件的一个(或多个)电容器。在其它实施例中，第一解耦构件300md1和/或第二解耦构件
300md2实施为允许某些lf频率的改进抑制的高阶高通电路。
[0086]
在其中重复使用单个输入/输出端口以通过外壳110传播rf信号和lf信号的rf谐振器200的上述实施例中，只有相关输入/输出端口经由上文所描述的相应构件连接到振荡器300的rf路径和其一个lf路径。其它输入/输出端口以已知方式连接到对应的rf或lf路径。
[0087]
返回到图3，输入/输出端口200es3电连接到振荡器300的电接地。
[0088]
在其中使用若干输入/输出端口实施在rf谐振器200中实施的全部或部分不同lf信号到外壳110外部的返回路径的上述实施例中，相关输入/输出端口各自电连接到振荡器300的电接地。
[0089]
关于图4a和图4b，现在呈现在振荡器300被配置成在418mhz下谐振的配置中针对所述振荡器获得的某些相位噪声性能(nφ)。
[0090]
更具体地：
[0091]-曲线400a2(图4a)示出针对振荡器300测得的随着相对于谐振器200的谐振频率的频率偏移而变并且针对外壳110内部的给定温度(此处为62℃)测得的相位噪声；以及
[0092]-曲线400a1(图4a)示出针对参考振荡器测得的相位噪声，所述参考振荡器除了用于代替rf谐振器200的已知rf谐振器100以外具有与振荡器300相同的组成元件。此处，所述相位噪声也被测得随着相对于谐振器100的谐振频率的频率偏移而变并且针对外壳110内部的相同给定温度(此处为62℃)测得。
[0093]
通过比较曲线400a1和曲线400a2，应注意，振荡器300的相位噪声性能的降级与参考振荡器相比仍是微小的(即，实践中小于20％)。此结果即使在存在实施于谐振器200中和振荡器300中的不同额外元件(陷波电路200cb1、200cb2、300cb1、300cb2和解耦构件300md1、300md2)时仍有效。
[0094]
可通过观测获得的随外壳110内部的温度而变的相位噪声性能来得出相同结论。更具体地：
[0095]-曲线400b1和400b2(图4b)示出分别针对振荡器300和参考振荡器在相对于相关振荡器中实施的谐振器的谐振频率偏移100hz时测得的并随温度而变的相位噪声(曲线400b1和400b2中的每一者在28.5℃下相对于曲线400b2的值归一化)；
[0096]-曲线400b3和400b4(图4b)示出分别针对振荡器300和参考振荡器在相对于相关振荡器中实施的谐振器的谐振频率偏移1khz时测得的且随温度而变的相位噪声(曲线400b3和400b4中的每一者在28.5℃下相对于曲线400b4的值归一化)；
[0097]-曲线400b5和400b6(图4b)示出分别针对振荡器300和参考振荡器在相对于相关振荡器中实施的谐振器的谐振频率偏移10khz时测得的且随温度而变的相位噪声(曲线400b5和400b6中的每一者在28.5℃下相对于曲线400b6的值归一化)。
[0098]
通过将曲线400b1与400b2彼此比较，接着比较曲线400b3与400b4，最后比较曲线400b5与400b6，应注意，无论外壳110内部考虑的温度如何，振荡器300的相位噪声性能的降级在此处相对于参考振荡器仍是微小的(即，实践中小于20％)。