基于矢量网络分析器的毫米波模块设计

使用研究人员专为其研究任务设计制造的仪器设备，在高频端毫米波段的科学研究早已取得研究成果。研究中所使用的信号源是乘法器，驱动乘法器的是可工作在110GHz以上的耿氏效应二极管振荡器或反向波振荡器。信号检测由定制的窄带检测器或谐振混频器完成。在研究过程中，研究人员常常受到测试仪器窄带特性的限制。

在毫米波频率范围内的研究中，谱线分析、分子微粒特性辨识和材质特性鉴定是几个最基本的研究。由于大气效应对毫米波传输的影响，新兴的毫米波应用包括通信、运输、科学探索及国土安全。

20世纪80年代早期出现了能够测量110GHz之内信号吸收，反射以及散射特性的全波导带宽矢量网络分析（VNA）系统。在90年代后期，全波导带宽的容量上升到220GHz。到2002年，220-325GHz波段的VNA系统诞生了。随着325GHz波导VNA系统的出现，研究者开始对更高的波导频带提出需求。正是这种需求推动了500GHz及更高频率的频率扩展模块的发展。

这里介绍的325到500GHz VNA频率扩展模块的发展情况代表了使用20GHz合成器时能够实现谐波干扰抑制的最高频率。由于波导通带中的谐波干扰达到了不可滤除的地步，采用实用的乘法器方案达到高于500GHz的下一个频段的计划受到冲击。

WR-02.2频率扩展模块结构

图1为WR-02.2频率扩展模块的结构图示。此结构与采用20GHz合成器作为本振及射频输入的思想相一致—-在20GHz以上时，合成器使用二倍和/或三倍乘法器扩展合成器频率范围同时其相位噪声衰减为20log（n）。这一结构并不比毫米波频率扩展模块中的乘法器/放大器有更多优势。

为了达到325-500GHz的范围，射频输入频率经过放大后与大小为30的倍乘因子相乘。为了减小RF电缆与连接界面不匹配引起的幅度波动，在射频倍乘/放大器输入端加入隔离器。倍乘/放大器输出信号通过驱动15倍乘法器链后产生处于WR-02.2频带的输出频率。最初设计中选用的15倍乘法器链经过优化能够用可实现滤波器将带内谐波干扰减到最小。使用2倍或3倍乘法器组成低倍乘因子乘法器链可以避免一些谐波干扰，但是乘法器间信号需要级间放大。W或更高波段放大器很少有商业产品，而且其自身也不是没有问题，更重要的是提升了乘法链的复杂性。经过量热器（calorimeter）测量这种15倍率乘法链，输出功率平均能够达到-32dBm。

LO输入频率经过放大并乘以一个净乘数因子4以后，输入到毫米波混频器作为本振输入。在本振倍频/放大器的输入端放置一个输入隔离器，可以减小本振电缆与界面不匹配引起的幅度波动。倍频/放大器的输出信号经等分后，驱动下一个倍频器链，其输出信号提供给毫米波本振端口作为参考信号，并用于测试谐波混频器。为了优化分路器和倍频器间的匹配，倍频器的输入端需要放置一个隔离器。倍频器在WR-15频段输出10dBm最小输出功率，这一射频功率足以使毫米波谐波混频器正常偏置。这种本振链拓扑结构简单，这在低毫米波频段已得到证实，其固有的本振相位连续性保证了最佳的高噪声电平响应。

325-500GHz频率信号通过一个10dB耦合器耦合到毫米波谐波混频器射频输入端。毫米波谐波混频器中频输出对5到300MHz输出频率进行了优化。多级中频放大器增益A〉50dB，可将峰值中频输出提高到-13dBm。选择-13dBm为输出功率是为了防止矢量网络分析器内部中频链路饱和，同时使矢量网络分析系统的动态范围最大化。根据所选用的毫米波矢量网络分析系统的情况，有可能不得不减小-13dBm的中频输出功率，以免毫米波测试设定控制器饱和。

毫米波元件设计

WR-02.2元件设计可分为两个具有挑战性的领域：通过使用嵌入到波导结构内部和外部的器件进行3DEM分析，以及毫米波元件的机械加工实现。有一些商业化软件包可以用于毫米波乘法器（见图2）和混频器（见图3）的设计，例如Ansoft和Agilent公司的HFSS。然而采用它们的问题在于由于缺乏良好而精确的模型仿真，它们既无法对波导内嵌入器件和电路的设计做无缝仿真，也无法对波导外接电路的设计无缝仿真。今后，乘法器与混频器的设计会成为一件包含仿真，假设，经验很多次试验在内的琐碎工作。电磁场仿真为最好的波导频带平面电路材料（软质纤维板或陶瓷）确定了基线，并且为波导通道外的被动（passive）电路提供了详细的分析。诸如耦合器之类的被动元件，其性能与机械尺寸密切相关，它们的仿真结果与测量结果相关性很强。HFSS集中分析了WR-02.2 10dB耦合器。

下一步具有挑战性的问题是通过精确加工制造毫米波器件。由于在这个频带内的波长很小，因此表面磨光和机械接口变得至关重要。要满足WR-02.2元件的表面磨光要求和机械容许量，需要使用购买得到的最好的铣床并工作在极限状态。

T-6061号铝具有热膨胀率低及易于加工的特性，因此选择其作为WR-02.2双向耦合器的材料。波导通道为0.022X0.011英寸，任何温度引起的通道或长度尺寸变化都会对尺度的功效产生潜在的破坏。适当的表面加工和高精度是生产滤波器的关键，这要求极小的铣刀，转子转速超过12，000rpm。由于耦合器加工的复杂性和高品质需求，技师的技巧成为制造元件最关键因素之一。

结论和探讨

图4显示了典型的WR-02.2乘法链输出功率。这里采用热量计测量其输出功率。为了抑制谐波功率，在WR-02.2乘法链输出端加入一个310GHz的高通滤波器。这种谐波干扰是由于采用了产生大量谐波的乘法器的结果。为了提高输出功率和减轻谐波干扰的设计工作仍然在进行当中。由于还没有独立的测试系统能够测试这些频率上的混频器，因此混频器在WR-02.2的调谐和优化在频率扩展模块中进行。

图5显示了完整WR-02.2“两端口”VNA测试系统。所使用的数据来自Agilent 8510/85105A毫米波矢量网络分析仪系统，这是因为在进行测试的时候正好有这套系统，同时8362x合成器具有良好的相位噪声特性。不过毫米波矢量网络分析系统可以和WR-02.2频率扩展模块一起使用，例如具有两个可选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。模块配置为：RF频率倍乘因子为30、LO频率倍乘因子为28、IF频率范围20MHz，扫频范围325-500GHz。

图6描述了两个不同WR-02.2频率扩展模块的参考和测试端口混频器原始响应。忽略很少的几个差异点，整体来说两者在整个频带内十分接近。而且，该矢量网络分析系统能够识别RF路径中的谐波干扰，这表示能够达到一个很好的标准。图7显示系统的动态范围图，如图可看出该系统在此频率范围内具有很突出的成绩。随着新的RF滤波硬件投入使用，预计原始混频器响应在整个频带内将会更加平滑，并且整个系统的动态范围有可能得到改进。

结论

本文描述了用于矢量网络分析器系统的WR-02.2毫米波频率扩展传输/反射模块。该模块将扩展微波矢量网络分析仪的双端口S参数测量能力提高至500GHz频率范围。更重要的是，对于毫米波矢量网络分析系统（如Agilent公司的PNA/N 5260A、8510/ 8510A和Anritsu公司的ME7808/37347D/ 3738A）WR-02.2 T/R可以即插即用地应用。随着WR-02.2频率扩展模块的改进，将可以无任何限制地测试有源设备。