325-500GHz矢量網(wǎng)絡分析儀頻率擴展系統(tǒng)

使用研究人員專為其研究任務設計制造的儀器設備，在高頻端毫米波段的科學研究早已取得研究成果。研究中所使用的信號源是乘法器，驅(qū)動乘法器的是可工作在110GHz以上的耿氏效應二極管振蕩器或反向波振蕩器。信號檢測由定制的窄帶檢測器或諧振混頻器完成。在研究過程中，研究人員常常受到測試儀器窄帶特性的限制。

在毫米波頻率范圍內(nèi)的研究中，譜線分析、分子微粒特性辨識和材質(zhì)特性鑒定是幾個最基本的研究。由于大氣效應對毫米波傳輸?shù)挠绊?，新興的毫米波應用包括通信、運輸、科學探索及國土安全。

20世紀80年代早期出現(xiàn)了能夠測量110GHz之內(nèi)信號吸收，反射以及散射特性的全波導帶寬矢量網(wǎng)絡分析（VNA）系統(tǒng)。在90年代后期，全波導帶寬的容量上升到220GHz。到2002年，220-325GHz波段的VNA系統(tǒng)誕生了。隨著325GHz波導VNA系統(tǒng)的出現(xiàn)，研究者開始對更高的波導頻帶提出需求。正是這種需求推動了500GHz及更高頻率的頻率擴展模塊的發(fā)展。

這里介紹的325到500GHz VNA頻率擴展模塊的發(fā)展情況代表了使用20GHz合成器時能夠?qū)崿F(xiàn)諧波干擾抑制的最高頻率。由于波導通帶中的諧波干擾達到了不可濾除的地步，采用實用的乘法器方案達到高于500GHz的下一個頻段的計劃受到?jīng)_擊。

WR-02.2頻率擴展模塊結(jié)構(gòu)

Fig. 1 WR-02.2功能塊框圖

圖1為WR-02.2頻率擴展模塊的結(jié)構(gòu)圖示。此結(jié)構(gòu)與采用20GHz合成器作為本振及射頻輸入的思想相一致—-在20GHz以上時，合成器使用二倍和/或三倍乘法器擴展合成器頻率范圍同時其相位噪聲衰減為20log（n）。這一結(jié)構(gòu)并不比毫米波頻率擴展模塊中的乘法器/放大器有更多優(yōu)勢。

為了達到325-500GHz的范圍，射頻輸入頻率經(jīng)過放大后與大小為30的倍乘因子相乘。為了減小RF電纜與連接界面不匹配引起的幅度波動，在射頻倍乘/放大器輸入端加入隔離器。倍乘/放大器輸出信號通過驅(qū)動15倍乘法器鏈后產(chǎn)生處于WR-02.2頻帶的輸出頻率。最初設計中選用的15倍乘法器鏈經(jīng)過優(yōu)化能夠用可實現(xiàn)濾波器將帶內(nèi)諧波干擾減到最小。使用2倍或3倍乘法器組成低倍乘因子乘法器鏈可以避免一些諧波干擾，但是乘法器間信號需要級間放大。W或更高波段放大器很少有商業(yè)產(chǎn)品，而且其自身也不是沒有問題，更重要的是提升了乘法鏈的復雜性。經(jīng)過量熱器（calorimeter）測量這種15倍率乘法鏈，輸出功率平均能夠達到-32dBm。

LO輸入頻率經(jīng)過放大并乘以一個凈乘數(shù)因子4以后，輸入到毫米波混頻器作為本振輸入。在本振倍頻/放大器的輸入端放置一個輸入隔離器，可以減小本振電纜與界面不匹配引起的幅度波動。倍頻/放大器的輸出信號經(jīng)等分后，驅(qū)動下一個倍頻器鏈，其輸出信號提供給毫米波本振端口作為參考信號，并用于測試諧波混頻器。為了優(yōu)化分路器和倍頻器間的匹配，倍頻器的輸入端需要放置一個隔離器。倍頻器在WR-15頻段輸出10dBm最小輸出功率，這一射頻功率足以使毫米波諧波混頻器正常偏置。這種本振鏈拓撲結(jié)構(gòu)簡單，這在低毫米波頻段已得到證實，其固有的本振相位連續(xù)性保證了最佳的高噪聲電平響應。

圖2 簡化的乘法器電路圖

325-500GHz頻率信號通過一個10dB耦合器耦合到毫米波諧波混頻器射頻輸入端。毫米波諧波混頻器中頻輸出對5到300MHz輸出頻率進行了優(yōu)化。多級中頻放大器增益A〉50dB，可將峰值中頻輸出提高到-13dBm。選擇-13dBm為輸出功率是為了防止矢量網(wǎng)絡分析器內(nèi)部中頻鏈路飽和，同時使矢量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)的動態(tài)范圍最大化。根據(jù)所選用的毫米波矢量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)的情況，有可能不得不減小-13dBm的中頻輸出功率，以免毫米波測試設定控制器飽和。

毫米波元件設計

圖3 簡化混頻器電路圖

WR-02.2元件設計可分為兩個具有挑戰(zhàn)性的領域：通過使用嵌入到波導結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的器件進行3DEM分析，以及毫米波元件的機械加工實現(xiàn)。有一些商業(yè)化軟件包可以用于毫米波乘法器（見圖2）和混頻器（見圖3）的設計，例如Ansoft和Agilent公司的HFSS。然而采用它們的問題在于由于缺乏良好而精確的模型仿真，它們既無法對波導內(nèi)嵌入器件和電路的設計做無縫仿真，也無法對波導外接電路的設計無縫仿真。今后，乘法器與混頻器的設計會成為一件包含仿真，假設，經(jīng)驗很多次試驗在內(nèi)的瑣碎工作。電磁場仿真為最好的波導頻帶平面電路材料（軟質(zhì)纖維板或陶瓷）確定了基線，并且為波導通道外的被動（passive）電路提供了詳細的分析。諸如耦合器之類的被動元件，其性能與機械尺寸密切相關(guān)，它們的仿真結(jié)果與測量結(jié)果相關(guān)性很強。HFSS集中分析了WR-02.2 10dB耦合器。

圖4 WR-0.22×15乘法器鏈輸出功率

下一步具有挑戰(zhàn)性的問題是通過精確加工制造毫米波器件。由于在這個頻帶內(nèi)的波長很小，因此表面磨光和機械接口變得至關(guān)重要。要滿足WR-02.2元件的表面磨光要求和機械容許量，需要使用購買得到的最好的銑床并工作在極限狀態(tài)。

T-6061號鋁具有熱膨脹率低及易于加工的特性，因此選擇其作為WR-02.2雙向耦合器的材料。波導通道為0.022X0.011英寸，任何溫度引起的通道或長度尺寸變化都會對尺度的功效產(chǎn)生潛在的破壞。適當?shù)谋砻婕庸ず透呔仁巧a(chǎn)濾波器的關(guān)鍵，這要求極小的銑刀，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過12,000rpm。由于耦合器加工的復雜性和高品質(zhì)需求，技師的技巧成為制造元件最關(guān)鍵因素之一。

圖 5 毫米波矢量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

結(jié)論和探討

圖4顯示了典型的WR-02.2乘法鏈輸出功率。這里采用熱量計測量其輸出功率。為了抑制諧波功率，在WR-02.2乘法鏈輸出端加入一個310GHz的高通濾波器。這種諧波干擾是由于采用了產(chǎn)生大量諧波的乘法器的結(jié)果。為了提高輸出功率和減輕諧波干擾的設計工作仍然在進行當中。由于還沒有獨立的測試系統(tǒng)能夠測試這些頻率上的混頻器，因此混頻器在WR-02.2的調(diào)諧和優(yōu)化在頻率擴展模塊中進行。

圖6 兩個不同擴展模塊的WR-02.2參考和測試混頻器原始響應

圖5顯示了完整WR-02.2“兩端口”VNA測試系統(tǒng)。所使用的數(shù)據(jù)來自Agilent 8510/85105A毫米波矢量網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)，這是因為在進行測試的時候正好有這套系統(tǒng)，同時8362x合成器具有良好的相位噪聲特性。不過毫米波矢量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)可以和WR-02.2頻率擴展模塊一起使用，例如具有兩個可選外部低相噪合成器的毫米波VNA如Agilent PNA/N 5260A或Anritsu公司的ME7808、37347D/ 3738A。模塊配置為：RF頻率倍乘因子為30、LO頻率倍乘因子為28、IF頻率范圍20MHz，掃頻范圍325-500GHz。

圖6描述了兩個不同WR-02.2頻率擴展模塊的參考和測試端口混頻器原始響應。忽略很少的幾個差異點，整體來說兩者在整個頻帶內(nèi)十分接近。而且，該矢量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)能夠識別RF路徑中的諧波干擾，這表示能夠達到一個很好的標準。圖7顯示系統(tǒng)的動態(tài)范圍圖，如圖可看出該系統(tǒng)在此頻率范圍內(nèi)具有很突出的成績。隨著新的RF濾波硬件投入使用，預計原始混頻器響應在整個頻帶內(nèi)將會更加平滑，并且整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍有可能得到改進。

圖7 系統(tǒng)動態(tài)范圍

結(jié)論

本文描述了用于矢量網(wǎng)絡分析器系統(tǒng)的WR-02.2毫米波頻率擴展傳輸/反射模塊。該模塊將擴展微波矢量網(wǎng)絡分析儀的雙端口S參數(shù)測量能力提高至500GHz頻率范圍。更重要的是，對于毫米波矢量網(wǎng)絡分析系統(tǒng)（如Agilent公司的PNA/N 5260A、8510/ 8510A和Anritsu公司的ME7808/37347D/ 3738A）WR-02.2 T/R可以即插即用地應用。隨著WR-02.2頻率擴展模塊的改進，將可以無任何限制地測試有源設備。