頻率綜合器毫米波頻綜技術(shù)發(fā)展趨勢

毫米波頻綜實驗工作已經(jīng)取得了很大進(jìn)展 ,但是仍然存在許多有待深入研究和解決的問題 。 ①目前已有的毫米波頻綜工作頻率并不高 , 主要受到一些模擬器件和數(shù)字器件工作頻率的影響 , 如模擬和數(shù)字分頻器 ,半導(dǎo)體材料和工藝是其中的關(guān)鍵因素 。提高數(shù)字電路的工作頻率 ,就必須克服影響數(shù)字電路工作頻率的短溝道效應(yīng) ,這需要在半導(dǎo)體材料和加工技術(shù)方面有所突破 。理想的半導(dǎo)體材料應(yīng)具有更高的電子飽和速度 , 可應(yīng)用于大功率 、高速 、高溫條件 ,并能與目前使用的技術(shù)兼容 ; ②使用介質(zhì)諧振器可以有效增加 MM IC電路的 Q 值 。但是與晶振一樣 ,目前的工藝無法直接將其集成到芯片上 ,這使電路尺寸較大 。需要發(fā)展將晶振 /介質(zhì)振蕩器做到一個芯片上的半導(dǎo)體加工技術(shù) , 來實現(xiàn)高 Q值 、小尺寸的電路 。另一方面 ,射頻微機(jī)電系統(tǒng) (RFM EM S)技術(shù)已經(jīng)可以在半導(dǎo)體襯底上制造電感 、可調(diào)電容等無源器件 , 具有射頻損耗小 、直流功耗低 、非線性度小 、參數(shù)可調(diào)范圍寬 、Q 值高等優(yōu)點(diǎn) , 極大提高了電路的整體性能和集成度 。隨著 RF MEM S技術(shù)的發(fā)展 ,集成高 Q 值的振蕩器將大大提高毫米波頻綜抑制相位噪聲的能力 ; ③目前的毫米波頻綜電路集成度還有待進(jìn)一步提高 。使用三維 MM IC技術(shù) (3D MM IC ), 在三維空間對電路進(jìn)行組裝 , 可以提高信號的傳輸速度 ,減少電路的干擾 ,大大減小電路尺寸 。因此 , 3D MM IC技術(shù)的進(jìn)步也成為推動毫米波頻綜發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一 ; ④使用更高穩(wěn)定度的參考信號源 。毫米波頻綜通常使用晶振作為參考信號 ,但是 ,隨著溫度的變化 , 晶振頻率也會發(fā)生漂移 , 這將惡化頻綜的頻率穩(wěn)定性和相位噪聲性能 。如果使用 GPS精確的時鐘信號作為參考頻率 , 將會大大提高頻綜的頻率穩(wěn)定度和相位噪聲性能 。因此 , 研究性能優(yōu)異的 GPS接收電路來提取 GPS時鐘信號 ,也是毫米波頻綜發(fā)展的一個方向 ; ⑤ 隨著電路集成度的提高 , 急需新的測試技術(shù)來避免不合格產(chǎn)品 ,減少生產(chǎn)成本 。具備射頻 、模擬 、數(shù)字 、嵌入式存儲和掃描能力 、能與片上探針臺接口的自動測試設(shè)備成為測試技術(shù)發(fā)展的目標(biāo) ; ⑥在毫米波頻綜里使用 DDS將會極大地提高毫米波頻綜的頻率分辨率和轉(zhuǎn)換速度 。有兩種使用 DDS的方式 , 一種是將DDS作為 PLL的參考頻率源, 可以很好地解決頻率分辨率與頻率捷變之間的矛盾 , 通過設(shè)置 DDS 頻率字和兩個可變分頻器的分頻比 , 還可以降低相位噪聲 ; 另一種方案是直接使用 DDS, 通過倍頻來獲得毫米波信號 ,重點(diǎn)研究提高 DDS 頻率和降低輸出相位噪聲的方法 。 ⑦除了以上方面 , 對有源器件精確建模也是一個重要的研究內(nèi)容 ?，F(xiàn)有模型并不完善 ,特別在高頻率 、大信號條件下 , 有源器件表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性 ,性能仿真還不能完整準(zhǔn)確預(yù)測電路的表現(xiàn) 。特別是振蕩器設(shè)計時 ,無法得到輸出信號的全部信息 ,使頻綜系統(tǒng)設(shè)計可靠性不高 ,增大了設(shè)計成本和風(fēng)險 。發(fā)展和開發(fā)高精度 、高可靠性仿真方法和功能軟件對毫米波頻綜的設(shè)計具有至關(guān)重要的作用 。

隨著人們對寬帶 、高速多媒體無線業(yè)務(wù)的需求日益增加 ,現(xiàn)有的頻段已經(jīng)十分擁擠 ,無法滿足高數(shù)據(jù)傳輸率的要求 ,因此 ,毫米波 、亞毫米波無線通信引起了人們的廣泛關(guān)注 。其中 , 高數(shù)據(jù)傳輸率的60GH z無線應(yīng)用具有非常廣泛的應(yīng)用前景 。60GH z無線通信系統(tǒng)常指工作頻率位于 50 ~ 70GH z范圍 , 傳輸比特率大于 1Gbps的無線通信系統(tǒng) 。在該頻段內(nèi) (帶寬約為 8GH z), 空氣對無線信號衰減達(dá)到峰值 (10 ~ 15dB /km ),使之成為本地?zé)o線業(yè)務(wù)理想的工作頻段 。為了促進(jìn) 60GH z商用無線業(yè)務(wù)的發(fā)展 ,各國都紛紛制定了相關(guān)政策 ,如美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC )預(yù)留出 59 ~ 64GH z, 日本將 59 ~66GH z的頻段作為無限制使用范圍 , 歐洲則把這一頻段用作通用寬帶移動通信系統(tǒng) 。這些措施極大地促進(jìn)了 60GH z無線終端設(shè)備和器件的研發(fā) ?。

實現(xiàn)高性能毫米波頻綜必須關(guān)注的方面有 : ①提高工作頻率 ; ② 提高捷變頻速度 ; ③ 提高頻率穩(wěn)定度 ; ④ 降低相位噪聲 , 抑制雜散 ; ⑤降低成本 。從商用的角度來講 , 要求工作于該頻段的無線終端設(shè)備具有小的體積 , 低廉的成本 。目前已有的一些設(shè)備成本非常高 , 不利于市場推廣 。如何在可接受的性能下降時實現(xiàn)低成本 , 成為毫米波頻綜研究的焦點(diǎn) , 單片微波集成電路 (MM IC)是解決這一問題的有效途徑 , 并且已經(jīng)有很多使用該技術(shù)實現(xiàn) 60GH z通信系統(tǒng)功能部件的報道。 MM IC是把無源元件 、微波半導(dǎo)體器件 、傳輸線和互聯(lián)線集成制作在一塊半導(dǎo)體基片上 ,構(gòu)成具有完整功能的微波電路。使用 MM IC 技術(shù)可以減少芯片元件數(shù) ,降低寄生參數(shù)的影響 , 極大地提高電路的工作頻率和性能 ,同時也大大減小了設(shè)備的重量 、體積 、成本 。因此 ,開發(fā)單片集成毫米波頻綜成為一個主要研究方向。

應(yīng)用于毫米波頻綜的數(shù)字器件是影響其工作頻率的一個重要因素 。受到短溝道效應(yīng)的限制 , 基于砷化鎵場效應(yīng)管 (G aAs FET )高速數(shù)字器件的工作頻率很難到達(dá)毫米波段 。減小場效應(yīng)晶體管 (FET )柵極長度可以有效提高器件工作頻率 , 然而隨著柵長減小 ,門限電壓會朝負(fù)電壓方向移動 ,電流截止特性隨之惡化 ,產(chǎn)生了短溝道效應(yīng) ; 另一方面 , 光刻制版過程中存在柵長不均勻 , 亦導(dǎo)致大的門限電壓漂移 , 從而影響數(shù)字集成電路所必須的高度一致的門限電壓和可重復(fù)制造性 。因此 , 毫米波鎖相頻綜實現(xiàn)的常用方法是在 VCO 與 P /FD 之間的反饋回路串聯(lián)分頻器 ,以提供給數(shù)字器件較低的頻率 ,同時輸出端級聯(lián)倍頻器 。 分諧波注入鎖定頻率合成技術(shù) [ 23 ~ 27]也是實現(xiàn)毫米波頻綜的一種備用方法 ,其優(yōu)點(diǎn)在于電路緊湊 、鎖定范圍寬 。 E iji Suem atsu 等人提出一種分諧波注入鎖定頻綜 , 輸出中心頻率為55GH z和 57GH z, 在偏離載波 100kH z處相位噪聲- 87dBc / H z, 其 MM IC芯片面積為 1. 7 ×1. 2mm 2 ?。

K.Kam ogaw a等人提出另一種分諧波注入鎖定頻綜 方法, 輸出中心頻率 52GH z, 輸出功率大于-5dBm , MM IC芯片面積 1. 2 ×0. 9mm2 。限于高性能毫米波頻綜器實現(xiàn)技術(shù)難度 、加工工藝和測試條件, 國內(nèi)對其研究不多 , 已報道的研究大部分集中在 Ka波段 , 實現(xiàn)方式是選用商業(yè)高性能元器件進(jìn)行組裝 。鮑景富等設(shè)計并制造了工作于 3mm 波長的鎖相頻率綜合器, 是目前國內(nèi)報道工作頻率最高的鎖相頻綜 。由于 60GH z鎖相頻綜在星際通信等方面具有廣泛的應(yīng)用需求 ,我們將著重介紹 60GH zMM IC鎖相頻綜 。

1995年 , 惲小華等提出了一種 60GH z頻綜方案。取樣鎖相源產(chǎn)生 13. 5GH z的信號 , 作為上變頻器的本振 , 對 L 波段的捷變頻頻綜的輸出信號 (1 ~ 1. 5GH z)進(jìn)行上變頻 , 再經(jīng)過四倍頻以輸出 V 波段頻率 。取樣鎖相源使用高 Q 的介質(zhì)諧振器壓控振蕩器來輸出低相噪的信號 , L波段捷變頻頻綜也能提供高穩(wěn)定度的信號 ,保證了上變頻后信號具有較低的相位噪聲 。實測頻綜的輸出頻率為 58~ 60GH z,輸出功率為 7. 5 ~ 8. 2dBm ,相位噪聲優(yōu)于 - 86dBc / H z在 1kH z處 ,雜散小于 -60dBc。該頻綜性能較高 ,但是使用器件較多 ,體積達(dá)到了 100 ×80 ×30mm3 。國內(nèi)基于 MM IC 技術(shù)的頻綜研究尚未見報道 , 但已開始了相關(guān)功能模塊如VCO、倍頻器和放大器等的研究。實現(xiàn) MM IC毫米波鎖相頻綜的主要方法是利用成熟的 MM IC微波鎖相頻綜技術(shù),在其輸出端級聯(lián)高性能的倍頻器 ,研究重點(diǎn)集中于如何降低芯片尺寸以降低成本 , 以及如何克服 MM IC電路低Q 值所帶來的高相位噪聲 ?。

在設(shè)計頻率綜合器電路時， 首先應(yīng)考慮所占空間的 大 小， 同 時 還 要 考 慮 輸 出 匹 配 設(shè) 計， 匹 配ADF4350 的輸出以實現(xiàn)最佳性能的方法有多種， 最基本的方法是將一個 50Ω 電阻，串聯(lián)一個 100 pF 的直流旁路電容并連到 VVCO。該電阻與頻率無關(guān)， 因而能夠提供良好的寬帶匹配功能。同時在給 ADF4350 芯片供電時需把電源的影響降低到最小，選用較小功耗的穩(wěn)壓芯片作為供電使用，在供電的輸出端口利用電容進(jìn)行濾波處理，盡量將紋波降低，這樣能夠?qū)㈡i相環(huán)芯片的性能發(fā)揮到最好的水平 。

控制芯片選取 Atmel8L- 8MU， 將頻率綜合器的控制引腳與該單片機(jī)相連，由于走線較多，考慮到節(jié)省空間的問題，運(yùn)用 4 層印制板進(jìn)行走線，控制線盡量在中間層布線，由于輸出頻率較高，在印制板空白的地方盡量能夠多打一些過孔， 這樣能夠?qū)崿F(xiàn)良好的接地，對于整體的性能會有所改善。通 過 在 頻 率 綜 合 器 的 前 端 加 整 型 芯 片，將輸入?yún)⒖颊仪€轉(zhuǎn)換成方波，這樣會使頻率源輸出的相噪指標(biāo)提高 3 dB 左右。頻率綜合器采用封閉屏蔽盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，為了測試方便，屏蔽盒兩側(cè)選用盲插型射頻接插件，這樣減小了橫向的尺寸 。

ADF4350 芯片在內(nèi)部集成了 VCO， 并且整個芯片體積很小， 為 32 引腳LFCSP_VQ 形式，這樣鎖相環(huán)電路具有結(jié)構(gòu)簡單、 尺寸小、 調(diào)試工作量小、 抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)。通過設(shè)置芯片內(nèi)部的計數(shù)器等就可以得到需要的頻率，具體可以通過式( 1) 和式( 2) 計算。

RFOUT = fPFD × ( INT + ( FRAC/MOD) ) ， ( 1)

式中，RFOUT為外部電壓控制振蕩器( VCO) 的輸出頻率; INT 為二進(jìn)制 16 位計數(shù)器的預(yù)設(shè)分頻比; MOD為預(yù)設(shè)小數(shù)模數(shù); FRAC 為小數(shù)分頻的分子。

fPFD = REFIN × [ ] ( 1 + D) /( R × ( 1 + T) ) ， ( 2)

式中，REFIN為基準(zhǔn)輸入頻率; D 為 REFIN倍頻器位;T 為 REFIN二分頻位; R 為二進(jìn)制 10 位可編程參考分頻器的預(yù)設(shè)分頻比。

利用 ADF4350 芯片能夠設(shè)計小型化的頻率綜合器，并通過 ADIsimPLL 軟件可以仿真出相位噪聲的指標(biāo)。在 2.23 GHz 時相位噪聲在偏離 1 kHz 時能夠達(dá)到至少 85 dBc /Hz， 完全能夠應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中 。

*?將被測交流電壓頻率隔離轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的單路標(biāo)準(zhǔn)直流電壓或直流電流；

*?單片機(jī)技術(shù)、精準(zhǔn)最新算法實現(xiàn)交流電路頻率的精確測量；

*?優(yōu)良的抗干擾能力和高精度性（0.2%）；

*?電壓拔插端子接入、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌（35mm）安裝；

*?體積小、外型尺寸(mm)：95(L)×37(W)×32(H)；

*?供電在11V~30V內(nèi)通用

*?執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T?13850-1998，IEC688：1992

*?輸入范圍：0~10KHz(0~500V)內(nèi)可選

*?精度等級：≤0.2%.F.S

*?溫度特性：≤50PPM/℃(0~50℃)

*?整機(jī)功耗：≤0.3VA

*?工作穩(wěn)定性：年變化

*?隔離耐壓：輸入/輸出/外殼間?AC2.0KV/min*1mA

*?絕緣電阻：≥20MΩ(DC500V)

*?沖擊電壓：5KV(峰值)，1.2/50uS

*?響應(yīng)時間：≤300mS

*?過載能力：2倍電壓連續(xù)

*?工作環(huán)境：-10℃~50℃，20%~90%無凝露

*?貯存環(huán)境：-40℃~70℃，20%~95%無凝露

A﹍輸出形式： B﹍供電方式：

3：0~5V

2：12V±10%

4：0~20?mA 3：15V±10%信瑞達(dá)A1頻率變送器

信瑞達(dá)A1頻率變送器

5：4~20?mA 4：24V±15%

6：1~5V ?

C﹍頻率電壓輸入范圍

選型示例1：LF-F11-54A1-0.2/0~10KHz(0~100V)

說明：該產(chǎn)品表示電壓等級0~100V、?0~10KHz輸入量程、4~20?mA輸出、24V供電、A1外型的頻率變送器

*?將被測交流電壓頻率隔離轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的單路標(biāo)準(zhǔn)直流電壓或直流電流；

*?單片機(jī)技術(shù)、精準(zhǔn)最新算法實現(xiàn)工頻交流供電頻率的精確測量；

*?優(yōu)良的抗干擾能力和高精度性（0.2%）；

*?電壓端子接入、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌（35mm）安裝；

*?外型尺寸(mm)：75(L)×55(W)×120(H)；

*?AC110V(220V)供電

*?執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T?13850-1998，IEC688：1992

*?輸入范圍：0~10KHz(0~500V)內(nèi)可選

*?精度等級：≤0.2%.F.S

*?溫度特性：≤100PPM/℃(0~50℃)

*?整機(jī)功耗：≤1.0VA

*?工作穩(wěn)定性：年變化

*?隔離耐壓：輸入/輸出/外殼間?AC2.0KV/min*1mA

*?絕緣電阻：≥20MΩ(DC500V)

*?沖擊電壓：5KV(峰值)，1.2/50uS

*?響應(yīng)時間：≤300mS

*?過載能力：2倍電壓連續(xù)

*?工作環(huán)境：-10℃~50℃，20%~90%無凝露

*?貯存環(huán)境：-40℃~70℃，20%~95%無凝露

A﹍輸出形式： B﹍供電方式： 3：0~5V 2：12V±10% 4：0~20?mA 3：15V±10% 5：4~20?mA 4：24V±15%

信瑞達(dá)A43頻率變送器

6：1~5V ?

C﹍頻率電壓輸入范圍

選型示例1：LF-F11-54A1-0.2/0~10KHz(0~100V)

說明：該產(chǎn)品表示電壓等級0~100V、?0~10KHz輸入量程、4~20?mA輸出、24V供電、A1外型的頻率變送器