(西安电子工程研究所 陕西西安 710100)
摘要：频率综合器是现代通信系统、雷达、测试设备中的关键器件，能够提供高精度、高稳定度的频率。随着人们对大容量高速无线业务、高精度定位和识别的需求，现代无线通信、雷达、电子战系统的工作频率已经扩展到了毫米、亚毫米波段，因此，研究和发展低相位噪声、高稳定度、小尺寸的毫米波频率源成为当代频率综合技术领域的热点之一。基于此，本文主要对毫米波频率综合器研究进展进行分析探讨。
关键词：毫米波；频率综合器；研究进展
1、前言
随着雷达、卫星通信、移动通信、卫星导航、电子战、精确制导等电子设备的快速发展，微波毫米波综合器迎来了千载难逢的发展机遇，助推国防电子装备和电子信息产业快速发展，为产品开发、批量生产、运营管理、维修检测提供了强有力的支撑。
2、频率综合器工作原理
2.1 直接频率合成原理
最早的频率合成方法是直接频率合成，它利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器来完成对频率的四则运算，具有快速的频率转换、非常高的频率分辨率、低相位噪声以及高输出频率等特点。
2.2 锁相频率合成原理
锁相频率合成是目前应用最广泛的一种频率合成方法，它以锁相环路(PLL)为基础，利用环路中的可变分频器来获得大量的频率。图1是单环锁相频率合成的基本原理图，其中PD为鉴相器，LF为环路滤波器，VCO为压控振荡器，N为环路分频器的分频值。环路的参考频率为fr，输出频率为fo=Nfr。
在锁定之后，压控振荡器的输出频率与输入信号的频率相同，两者之间维持一定的稳态相位差。在实际应用中，一般使用电荷泵电路来克服传统鉴频鉴相的死区现象。锁相频率合成器频带宽、频率分辨率高、输出相位噪声低、集成度高，但是，它的频率转换时间较长，而且很难兼顾所有性能，因此，常采用多环频率合成或小数分频等方法来改善其性能。
2.3 直接数字频率合成原理
直接数字频率合成(DDS)是新出现的一种频率合成技术，它首先产生所需信号的抽样量化值，然后通过数模转换器(DAC)将该数字信号转变成模拟波形。DDS产生正弦波的一种方法是直接查表法，将正弦相位对应的幅度系数存于存储器中，通过读取ROM中的数据来产生数字信号。
3、毫米波频综技术发展趋势
毫米波频综实验工作已经取得了很大进展，但是仍然存在许多有待深入研究和解决的问题。 目前已有的毫米波频综工作频率并不高，主要受到一些模拟器件和数字器件工作频率的影响，如模拟和数字分频器，半导体材料和工艺是其中的关键因素。提高数字电路的工作频率，就必须克服影响数字电路工作频率的短沟道效应，这需要在半导体材料和加工技术方面有所突破。理想的半导体材料应具有更高的电子饱和速度，可应用于大功率、高速、高温条件，并能与目前使用的技术兼容; 使用介质谐振器可以有效增加MMIC电路的Q值。但是与晶振一样，目前的工艺无法直接将其集成到芯片上，这使电路尺寸较大。需要发展将晶振/介质振荡器做到一个芯片上的半导体加工技术，来实现高Q值、小尺寸的电路。
随着RFMEMS技术的发展，集成高Q值的振荡器将大大提高毫米波频综抑制相位噪声的能力; 目前的毫米波频综电路集成度还有待进一步提高。使用三维MMIC技术(3DMMIC)，在三维空间对电路进行组装，可以提高信号的传输速度，减少电路的干扰，大大减小电路尺寸。因此，3DMMIC技术的进步也成为推动毫米波频综发展的关键技术之一; 使用更高稳定度的参考信号源。毫米波频综通常使用晶振作为参考信号，但是，随着温度的变化，晶振频率也会发生漂移，这将恶化频综的频率稳定性和相位噪声性能。
如果使用GPS精确的时钟信号作为参考频率，将会大大提高频综的频率稳定度和相位噪声性能。因此，研究性能优异的GPS接收电路来提取GPS时钟信号，也是毫米波频综发展的一个方向; 随着电路集成度的提高，急需新的测试技术来避免不合格产品，减少生产成本。具备射频、模拟、数字、嵌入式存储和扫描能力、能与片上探针台接口的自动测试设备成为测试技术发展的目标; 在毫米波频综里使用DDS将会极大地提高毫米波频综的频率分辨率和转换速度。有两种使用DDS的方式，一种是将DDS作为PLL的参考频率源，可以很好地解决频率分辨率与频率捷变之间的矛盾，通过设置DDS频率字和两个可变分频器的分频比，还可以降低相位噪声;另一种方案是直接使用DDS，通过倍频来获得毫米波信号，重点研究提高DDS频率和降低输出相位噪声的方法。
除了以上方面，对有源器件精确建模也是一个重要的研究内容。现有模型并不完善，特别在高频率、大信号条件下，有源器件表现出强烈的非线性，性能仿真还不能完整准确预测电路的表现。特别是振荡器设计时，无法得到输出信号的全部信息，使频综系统设计可靠性不高，增大了设计成本和风险。发展和开发高精度、高可靠性仿真方法和功能软件对毫米波频综的设计具有至关重要的作用。
毫米波锁相频综性能的提高依赖以下几种关键技术: 新型半导体材料; 低噪声高输出频率的VCO技术; 高速数字分频器和鉴频鉴相器技术; 低噪声倍频器技术; 高精度MMICCAD技术，提高设计可靠性; 单片集成频综模块。随着这些关键技术的飞跃，毫米波锁相频综的性能将有很大提高。
毫米波频综等功能及系统电路发展和实用化依赖于MMIC技术的进步，其将促进MMIC技术沿以下几个方向发展: 研制更好的衬底材料，降低其固有的缺陷，减小寄生参数的影响。 研制成本更低、性能更好的有源器件，以改善整个电路的性能。 研究更好的生产工艺，以降低生产过程带来的偏差。
4、结语
随着毫米波通信、雷达、测量等技术的应用与发展，研制高稳定度、小尺寸、低功耗、低成本的新型毫米波频率综合器电路与实现方法已成为频综技术研究的热点之一，将涉及到电子技术、材料、计算机软件等学科领域。随着这些相关领域的研究不断深入，毫米波频综的性能会不断得到改善，以满足日益广泛的应用要求。
参考文献：
[1]刘祖深，王积勤.小数N频率合成器中API模型设计与应用研究[J].西安电子科技大学学报，2006，1:160-164
[2]刘祖深，王积勤.射频频率捷变信号发生器的设计方案及关键技术讨论[J].电子测量与仪器学报，2005，6:35-40.
论文作者:张焘,刘文涛,刘豫
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/14
标签：频率论文; 毫米波论文; 相位论文; 电路论文; 技术论文; 分频器论文; 噪声论文; 《电力设备》2017年第36期论文;