325-500GHz矢量网络分析仪频率扩展系统

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

Fig. 1 WR-02.2功能块框图

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。

图2 简化的乘法器电路图

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

图3 简化混频器电路图

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。

图4 WR-0.22×15乘法器链输出功率

下一步具有挑战性的问题是通过精确加工制造毫米波器