随着人们对宽带 、高速多媒体无线业务的需求日益增加 ,现有的频段已经十分拥挤 ,无法满足高数据传输率的要求 ,因此 ,毫米波 、亚毫米波无线通信引起了人们的广泛关注 。其中 , 高数据传输率的60GH z无线应用具有非常广泛的应用前景 。60GH z无线通信系统常指工作频率位于 50 ~ 70GH z范围 , 传输比特率大于 1Gbps的无线通信系统 。在该频段内 (带宽约为 8GH z), 空气对无线信号衰减达到峰值 (10 ~ 15dB /km ),使之成为本地无线业务理想的工作频段 。为了促进 60GH z商用无线业务的发展 ,各国都纷纷制定了相关政策 ,如美国联邦通信委员会 (FCC )预留出 59 ~ 64GH z, 日本将 59 ~66GH z的频段作为无限制使用范围 , 欧洲则把这一频段用作通用宽带移动通信系统 。这些措施极大地促进了 60GH z无线终端设备和器件的研发 。
实现高性能毫米波频综必须关注的方面有 : ①提高工作频率 ; ② 提高捷变频速度 ; ③ 提高频率稳定度 ; ④ 降低相位噪声 , 抑制杂散 ; ⑤降低成本 。从商用的角度来讲 , 要求工作于该频段的无线终端设备具有小的体积 , 低廉的成本 。目前已有的一些设备成本非常高 , 不利于市场推广 。如何在可接受的性能下降时实现低成本 , 成为毫米波频综研究的焦点 , 单片微波集成电路 (MM IC)是解决这一问题的有效途径 , 并且已经有很多使用该技术实现 60GH z通信系统功能部件的报道。 MM IC是把无源元件 、微波半导体器件 、传输线和互联线集成制作在一块半导体基片上 ,构成具有完整功能的微波电路。使用 MM IC 技术可以减少芯片元件数 ,降低寄生参数的影响 , 极大地提高电路的工作频率和性能 ,同时也大大减小了设备的重量 、体积 、成本 。因此 ,开发单片集成毫米波频综成为一个主要研究方向。
应用于毫米波频综的数字器件是影响其工作频率的一个重要因素 。受到短沟道效应的限制 , 基于砷化镓场效应管 (G aAs FET )高速数字器件的工作频率很难到达毫米波段 。减小场效应晶体管 (FET )栅极长度可以有效提高器件工作频率 , 然而随着栅长减小 ,门限电压会朝负电压方向移动 ,电流截止特性随之恶化 ,产生了短沟道效应 ; 另一方面 , 光刻制版过程中存在栅长不均匀 , 亦导致大的门限电压漂移 , 从而影响数字集成电路所必须的高度一致的门限电压和可重复制造性 。因此 , 毫米波锁相频综实现的常用方法是在 VCO 与 P /FD 之间的反馈回路串联分频器 ,以提供给数字器件较低的频率 ,同时输出端级联倍频器 。 分谐波注入锁定频率合成技术 [ 23 ~ 27]也是实现毫米波频综的一种备用方法 ,其优点在于电路紧凑 、锁定范围宽 。 E iji Suem atsu 等人提出一种分谐波注入锁定频综 , 输出中心频率为55GH z和 57GH z, 在偏离载波 100kH z处相位噪声- 87dBc / H z, 其 MM IC芯片面积为 1. 7 ×1. 2mm 2 。
K.Kam ogaw a等人提出另一种分谐波注入锁定频综 方法, 输出中心频率 52GH z, 输出功率大于-5dBm , MM IC芯片面积 1. 2 ×0. 9mm2 。限于高性能毫米波频综器实现技术难度 、加工工艺和测试条件, 国内对其研究不多 , 已报道的研究大部分集中在 Ka波段 , 实现方式是选用商业高性能元器件进行组装 。鲍景富等设计并制造了工作于 3mm 波长的锁相频率综合器, 是目前国内报道工作频率最高的锁相频综 。由于 60GH z锁相频综在星际通信等方面具有广泛的应用需求 ,我们将着重介绍 60GH zMM IC锁相频综 。
1995年 , 恽小华等提出了一种 60GH z频综方案。取样锁相源产生 13. 5GH z的信号 , 作为上变频器的本振 , 对 L 波段的捷变频频综的输出信号 (1 ~ 1. 5GH z)进行上变频 , 再经过四倍频以输出 V 波段频率 。取样锁相源使用高 Q 的介质谐振器压控振荡器来输出低相噪的信号 , L波段捷变频频综也能提供高稳定度的信号 ,保证了上变频后信号具有较低的相位噪声 。实测频综的输出频率为 58~ 60GH z,输出功率为 7. 5 ~ 8. 2dBm ,相位噪声优于 - 86dBc / H z在 1kH z处 ,杂散小于 -60dBc。该频综性能较高 ,但是使用器件较多 ,体积达到了 100 ×80 ×30mm3 。国内基于 MM IC 技术的频综研究尚未见报道 , 但已开始了相关功能模块如VCO、倍频器和放大器等的研究。实现 MM IC毫米波锁相频综的主要方法是利用成熟的 MM IC微波锁相频综技术,在其输出端级联高性能的倍频器 ,研究重点集中于如何降低芯片尺寸以降低成本 , 以及如何克服 MM IC电路低Q 值所带来的高相位噪声 。
