使用研究人員專為其研究任務(wù)設(shè)計(jì)制造的儀器設(shè)備，在高頻端毫米波段的科學(xué)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(qū)動乘法器的是可工作在110GHz以上的耿氏效應(yīng)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(nèi)的研究中，譜線分析、分子微粒特性辨識和材質(zhì)特性鑒定是幾個(gè)最基本的研究。由于大氣效應(yīng)對毫米波傳輸?shù)挠绊?，新興的毫米波應(yīng)用包括通信、運(yùn)輸、科學(xué)探索及國土安全。

20世紀(jì)80年代早期出現(xiàn)了能夠測量110GHz之內(nèi)信號吸收，反射以及散射特性的全波導(dǎo)帶寬矢量網(wǎng)絡(luò)分析（VNA）系統(tǒng)。在90年代后期，全波導(dǎo)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(dǎo)VNA系統(tǒng)的出現(xiàn)，研究者開始對更高的波導(dǎo)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(kuò)展模塊的發(fā)展。

這里介紹的325到500GHz VNA頻率擴(kuò)展模塊的發(fā)展情況代表了使用20GHz合成器時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)諧波干擾抑制的最高頻率。由于波導(dǎo)通帶中的諧波干擾達(dá)到了不可濾除的地步，采用實(shí)用的乘法器方案達(dá)到高于500GHz的下一個(gè)頻段的計(jì)劃受到?jīng)_擊。

WR-02.2頻率擴(kuò)展模塊結(jié)構(gòu)

圖1為WR-02.2頻率擴(kuò)展模塊的結(jié)構(gòu)圖示。此結(jié)構(gòu)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(shí)，合成器使用二倍和/或三倍乘法器擴(kuò)展合成器頻率范圍同時(shí)其相位噪聲衰減為20log（n）。這一結(jié)構(gòu)并不比毫米波頻率擴(kuò)展模塊中的乘法器/放大器有更多優(yōu)勢。

為了達(dá)到325-500GHz的范圍，射頻輸入頻率經(jīng)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(qū)動15倍乘法器鏈后產(chǎn)生處于WR-02.2頻帶的輸出頻率。最初設(shè)計(jì)中選用的15倍乘法器鏈經(jīng)過優(yōu)化能夠用可實(shí)現(xiàn)濾波器將帶內(nèi)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(chǎn)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(fù)雜性。經(jīng)過量熱器（calorimeter）測量這種15倍率乘法鏈，輸出功率平均能夠達(dá)到-32dBm。

LO輸入頻率經(jīng)過放大并乘以一個(gè)凈乘數(shù)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(gè)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(jīng)等分后，驅(qū)動下一個(gè)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(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，這在低毫米波頻段已得到證實(shí)，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(yīng)。

325-500GHz頻率信號通過一個(gè)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(jìn)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(wǎng)絡(luò)分析器內(nèi)部中頻鏈路飽和，同時(shí)使矢量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的動態(tài)范圍最大化。根據(jù)所選用的毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)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(shè)定控制器飽和。