325-500GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率擴(kuò)展系統(tǒng)

使用研究人員專(zhuān)為其研究任務(wù)設(shè)計(jì)制造的儀器設(shè)備，在高頻端毫米波段的科學(xué)研究早已取得研究成果。研究中所使用的信號(hào)源是乘法器，驅(qū)動(dòng)乘法器的是可工作在110GHz以上的耿氏效應(yīng)二極管振蕩器或反向波振蕩器。信號(hào)檢測(cè)由定制的窄帶檢測(cè)器或諧振混頻器完成。在研究過(guò)程中，研究人員常常受到測(cè)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(shí)和材質(zhì)特性鑒定是幾個(gè)最基本的研究。由于大氣效應(yīng)對(duì)毫米波傳輸?shù)挠绊?，新興的毫米波應(yīng)用包括通信、運(yùn)輸、科學(xué)探索及國(guó)土安全。

20世紀(jì)80年代早期出現(xiàn)了能夠測(cè)量110GHz之內(nèi)信號(hào)吸收，反射以及散射特性的全波導(dǎo)帶寬矢量網(wǎng)絡(luò)分析（VNA）系統(tǒng)。在90年代后期，全波導(dǎo)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(dǎo)VNA系統(tǒng)的出現(xiàn)，研究者開(kāi)始對(duì)更高的波導(dǎo)頻帶提出需求。正是這種需求推動(dòng)了500GHz及更高頻率的頻率擴(kuò)展模塊的發(fā)展。

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

WR-02.2頻率擴(kuò)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(kuò)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(shí)，合成器使用二倍和/或三倍乘法器擴(kuò)展合成器頻率范圍同時(shí)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(kuò)展模塊中的乘法器/放大器有更多優(yōu)勢(shì)。

為了達(dá)到325-500GHz的范圍，射頻輸入頻率經(jīng)過(guò)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(dòng)，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(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)中選用的15倍乘法器鏈經(jīng)過(guò)優(yōu)化能夠用可實(shí)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(hào)需要級(jí)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(méi)有問(wèn)題，更重要的是提升了乘法鏈的復(fù)雜性。經(jīng)過(guò)量熱器（calorimeter）測(cè)量這種15倍率乘法鏈，輸出功率平均能夠達(dá)到-32dBm。

LO輸入頻率經(jīng)過(guò)放大并乘以一個(gè)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(gè)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(dòng)。倍頻/放大器的輸出信號(hào)經(jīng)等分后，驅(qū)動(dòng)下一個(gè)倍頻器鏈，其輸出信號(hào)提供給毫米波本振端口作為參考信號(hào)，并用于測(cè)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(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這在低毫米波頻段已得到證實(shí)，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(yīng)。

圖2 簡(jiǎn)化的乘法器電路圖

325-500GHz頻率信號(hào)通過(guò)一個(gè)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(duì)5到300MHz輸出頻率進(jìn)行了優(yōu)化。多級(jí)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(luò)分析器內(nèi)部中頻鏈路飽和，同時(shí)使矢量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍最大化。根據(jù)所選用的毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)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(cè)試設(shè)定控制器飽和。

毫米波元件設(shè)計(jì)

圖3 簡(jiǎn)化混頻器電路圖

WR-02.2元件設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域：通過(guò)使用嵌入到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的器件進(jìn)行3DEM分析，以及毫米波元件的機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)。有一些商業(yè)化軟件包可以用于毫米波乘法器（見(jiàn)圖2）和混頻器（見(jiàn)圖3）的設(shè)計(jì)，例如Ansoft和Agilent公司的HFSS。然而采用它們的問(wèn)題在于由于缺乏良好而精確的模型仿真，它們既無(wú)法對(duì)波導(dǎo)內(nèi)嵌入器件和電路的設(shè)計(jì)做無(wú)縫仿真，也無(wú)法對(duì)波導(dǎo)外接電路的設(shè)計(jì)無(wú)縫仿真。今后，乘法器與混頻器的設(shè)計(jì)會(huì)成為一件包含仿真，假設(shè)，經(jīng)驗(yàn)很多次試驗(yàn)在內(nèi)的瑣碎工作。電磁場(chǎng)仿真為最好的波導(dǎo)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(dǎo)通道外的被動(dòng)（passive）電路提供了詳細(xì)的分析。諸如耦合器之類(lèi)的被動(dòng)元件，其性能與機(jī)械尺寸密切相關(guān)，它們的仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果相關(guān)性很強(qiáng)。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(wèn)題是通過(guò)精確加工制造毫米波器件。由于在這個(gè)頻帶內(nèi)的波長(zhǎng)很小，因此表面磨光和機(jī)械接口變得至關(guān)重要。要滿(mǎn)足WR-02.2元件的表面磨光要求和機(jī)械容許量，需要使用購(gòu)買(mǎi)得到的最好的銑床并工作在極限狀態(tài)。

T-6061號(hào)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(dǎo)通道為0.022X0.011英寸，任何溫度引起的通道或長(zhǎng)度尺寸變化都會(huì)對(duì)尺度的功效產(chǎn)生潛在的破壞。適當(dāng)?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(guò)12,000rpm。由于耦合器加工的復(fù)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(luò)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(jì)測(cè)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(gè)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(shè)計(jì)工作仍然在進(jìn)行當(dāng)中。由于還沒(méi)有獨(dú)立的測(cè)試系統(tǒng)能夠測(cè)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(kuò)展模塊中進(jìn)行。

圖6 兩個(gè)不同擴(kuò)展模塊的WR-02.2參考和測(cè)試混頻器原始響應(yīng)

圖5顯示了完整WR-02.2“兩端口”VNA測(cè)試系統(tǒng)。所使用的數(shù)據(jù)來(lái)自Agilent 8510/85105A毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行測(cè)試的時(shí)候正好有這套系統(tǒng)，同時(shí)8362x合成器具有良好的相位噪聲特性。不過(guò)毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)可以和WR-02.2頻率擴(kuò)展模塊一起使用，例如具有兩個(gè)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(gè)不同WR-02.2頻率擴(kuò)展模塊的參考和測(cè)試端口混頻器原始響應(yīng)。忽略很少的幾個(gè)差異點(diǎn)，整體來(lái)說(shuō)兩者在整個(gè)頻帶內(nèi)十分接近。而且，該矢量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)能夠識(shí)別RF路徑中的諧波干擾，這表示能夠達(dá)到一個(gè)很好的標(biāo)準(zhǔn)。圖7顯示系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)。隨著新的RF濾波硬件投入使用，預(yù)計(jì)原始混頻器響應(yīng)在整個(gè)頻帶內(nèi)將會(huì)更加平滑，并且整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍有可能得到改進(jìn)。

圖7 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍

結(jié)論

本文描述了用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析器系統(tǒng)的WR-02.2毫米波頻率擴(kuò)展傳輸/反射模塊。該模塊將擴(kuò)展微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的雙端口S參數(shù)測(cè)量能力提高至500GHz頻率范圍。更重要的是，對(duì)于毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用。隨著WR-02.2頻率擴(kuò)展模塊的改進(jìn)，將可以無(wú)任何限制地測(cè)試有源設(shè)備。