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的研究中，譜線分析、分子微粒特性辨識和材質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的影響，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年代早期出現了能夠測量110GHz之內信號吸收，反射以及散射特性的全波導帶寬矢量網絡分析（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，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合成器時能夠實現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沖擊。
WR-02.2頻率擴展模塊結構
Fig. 1 WR-02.2功能塊框圖
圖1為WR-02.2頻率擴展模塊的結構圖示。此結構與采用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）。這一結構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動15倍乘法器鏈后產生處于WR-02.2頻帶的輸出頻率。最初設計中選用的15倍乘法器鏈經過優(yōu)化能夠用可實現濾波器將帶內諧波干擾減到最小。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輸入頻率經過放大并乘以一個凈乘數因子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等分后，驅動下一個倍頻器鏈，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。這種本振鏈拓撲結構簡單，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絡分析器內部中頻鏈路飽和，同時使矢量網絡分析系統(tǒng)的動態(tài)范圍最大化。根據所選用的毫米波矢量網絡分析系統(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構內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。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，經驗很多次試驗在內的瑣碎工作。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，它們的仿真結果與測量結果相關性很強。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。由于在這個頻帶內的波長很小，因此表面磨光和機械接口變得至關重要。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生潛在的破壞。適當的表面加工和高精度是生產濾波器的關鍵，這要求極小的銑刀，轉子轉速超過12,000rpm。由于耦合器加工的復雜性和高品質需求，技師的技巧成為制造元件最關鍵因素之一。
圖 5 毫米波矢量網絡分析系統(tǒng)結構。
結論和探討
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生大量諧波的乘法器的結果。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)。所使用的數據來自Agilent 8510/85105A毫米波矢量網絡分析儀系統(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十分接近。而且，該矢量網絡分析系統(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
結論
本文描述了用于矢量網絡分析器系統(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絡分析儀的雙端口S參數測量能力提高至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。