CN102480281A - 毫米波频率源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波频率源装置。该毫米波频率源装置利用微波频率源作为中间源双环锁相，建立低频高稳定度的晶振与毫米波振荡器的锁相关系，从而提高了所输出毫米波的频率稳定性，同时毫米波前端模块由单片电路实现，避免了传统毫米波前端模块的互联问题。

Description

毫米波频率源装置

技术领域

本发明涉及半导体微电子领域，尤其涉及一种毫米波频率源装置。

背景技术

现代通信系统的重要指标之一是其工作频率，相应频率的频率源是其必要模块，随着技术发展，通讯设备和雷达系统的工作频率也逐步提高，高端产品目前已达数十GHz的毫米波段，这些系统都需要与其频率相对应的频率源模块。

在微电子领域，微波和毫米波概念的区分通常并不严格，因此在本发明中，根据所提出的频率源结构的特征并结合当前技术水平发展的实际情况，所提到的微波主要指代Ka以下波段，在该波段当前的电路和模块技术相对成熟，易于制备高质量的振荡源；所提到的毫米段主要指代从E波段到W波段，记为E-W波段。

在毫米波段，尤其是工作频率高达E-W波段时，模块式的毫米波频率源装置会面临如下技术困难：受器件能力限制，电路能够实现的功率通常较小；信号的传输需要通过波导实现，即使使用波导也存在损耗大，匹配困难的问题；高频寄生参数十分显著，使电路性能恶化；由于传输波导和波导谐振腔的存在，电路体积很大，对温度和振动敏感，工作稳定性差等。

因此，毫米波技术发展的一个重要方向既是将毫米波前端单元采用全集成的毫米波单片集成电路(MMIC)实现，或者采用混合毫米波集成电路(HMIC)实现。利用微电子和微封装工艺的小体积、高加工精度、高集成度直接制作毫米波集成电路和模块，在集成电路片内实现电路单元的互联和匹配。例如单片集成的毫米波振荡器，它是振荡的频率信号产生源，是频率源的核心。但是受器件老化、电路品质因数低、环境变化等影响，电路参数会发生抖动，形成噪声，该现象对于频率极高的毫米波电路尤为明显。

频率源作为整个电路的频率基准，需要较高的稳定度，所以仅靠毫米波集成电路并不能形成高质量的频率源，还需要建立具有稳频功能的环路系统，其中最常用的就是频率源锁相技术，在较低频段典型的做法是使用晶体振荡器(晶振)作为参考源进行锁相，例如存在多种型号的商品化的锁相环电路，可以将数GHz的微波信号与晶振参考源锁相，其中晶振通常工作在几十到几百MHZ。但是在毫米波频率源的具体实现中，面临着电路单元之间的毫米波信号连接困难，以及传统晶振和锁相环的工作频率与毫米波频率差别巨大，难以直接锁相等问题。

在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：毫米波频率源装置输出的毫米波频率稳定性差，同时毫米波与常用高稳定度参考源频率差距大，难以直接实现锁相。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明针对现有技术中毫米波频率源装置输出的毫米波频率稳定性差的缺陷，提出了一种毫米波频率源装置。

(二)技术方案

本发明的毫米波频率源装置，包括毫米波前端模块和稳频模块，其中：毫米波前端模块，用于产生毫米波频段的振荡信号；将毫米波频段的振荡信号倍频后与稳频单元产生的一微波信号进行混频，得到一中频信号，将中频信号传输至稳频模块；接收稳频模块的一锁相信号，并根据锁相信号对毫米波前端模块产生的毫米波频段的振荡信号进行锁相，输出经过锁相的毫米波振荡信号；稳频模块，用于产生微波信号；接收毫米波前端模块输出的中频信号，根据中频信号产生锁相信号，并将锁相信号传输至毫米波前端模块。

优选地，本技术方案中，毫米波前端模块，包括毫米波振荡器、倍频混频单元、毫米波输出放大缓冲单元，其中：毫米波振荡器，用于产生毫米波频段振荡信号；倍频混频单元，用于将微波振荡信号进行倍频后，与毫米波频段振荡信号混频，获得中频信号；毫米波输出放大缓冲单元，用于将毫米波振荡器经过中频锁相后输出的毫米波频段振荡信号进行放大并输出。

优选地，本技术方案中，稳频模块，包括微波振荡器、微波锁相单元、中频锁相单元，其中：微波振荡器，用于产生微波振荡信号；微波锁相单元，与微波振荡器相连，用于对微波振荡器产生的微波振荡信号进行锁相；中频锁相单元，用于锁相倍频混频单元获得的中频信号，生成校准电压信号，并将校准电压信号输出至毫米波振荡器，实现对毫米波振荡器所输出的毫米波频段振荡信号的锁相。

优选地，本技术方案中，微波锁相单元包括：预分频器，与微波振荡器相连，用于将微波振荡器产生的微波振荡信号进行预分频；第一晶振参考源，用于产生第一参考频率信号；微波锁相环，与预分频器和第一晶振参考源相连，用于将预分频后的微波振荡信号与第一参考频率信号进行比较，生成第一校准电压信号，并将第一校准电压信号发送至微波振荡器，实现对微波振荡器产生的微波振荡信号的锁相。

优选地，本技术方案中，中频锁相单元包括：第二晶振参考源，用于产生第二参考频率信号；中频锁相环，与倍频混频单元和第二晶振参考源相连，用于将倍频混频单元获得中频信号与第二参考频率信号进行比较，生成第二校准电压信号，并将第二校准电压信号发送至毫米波振荡器，实现对毫米波振荡器产生的毫米波频段振荡信号的锁相。

(三)有益效果

本发明中，利用微波频率源作为中间源双环锁相，建立低频高稳定度的晶振与毫米波振荡器的锁相关系，从而提高了所输出毫米波频率的稳定性，同时毫米波段部分可由单片电路实现，避免了传统毫米波模块的互联问题。

附图说明

图1为根据本发明实施例一毫米波频率源装置的示意图；

图2为根据本发明实施例二毫米波频率源装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例一

图1为根据本发明实施例一毫米波频率源装置的示意图。如图1所示，本实施例毫米波频率源装置包括毫米波前端模块10和稳频模块20。其中：毫米波前端模块10，用于产生毫米波频段的振荡信号；将毫米波频段的振荡信号倍频后与稳频单元产生的一微波信号进行混频，得到一中频信号，将中频信号传输至稳频模块；接收稳频模块的一锁相信号，并根据锁相信号对毫米波前端模块产生的毫米波频段的振荡信号进行锁相，输出经过锁相的毫米波振荡信号；稳频模块20，用于产生微波信号；接收毫米波前端模块输出的中频信号，根据中频信号产生锁相信号，并将锁相信号传输至毫米波前端模块。

具体的，本技术方案中，毫米波前端模块10包括：毫米波振荡器101，用于产生毫米波频段振荡信号；倍频混频单元102，用于将微波振荡信号进行倍频后，与毫米波频段振荡信号混频，获得中频信号；毫米波输出放大缓冲单元103，用于将毫米波振荡器101经过中频锁相后输出的毫米波频段振荡信号进行放大并输出。

具体的，本技术方案中，稳频模块20，与毫米波前端模块10相连，包括：微波振荡器201，用于产生微波振荡信号；微波锁相单元202，与微波振荡器201相连，用于对微波振荡器201产生的微波振荡信号进行锁相；中频锁相单元203，用于锁相倍频混频单元102获得中频信号，生成校准电压信号，并将校准电压信号输出至毫米波振荡器101，实现对毫米波振荡器101所输出的毫米波频段振荡信号的锁相

本实施例中，利用微波频率源作为中间源双环锁相，建立低频高稳定度的晶振与毫米波振荡器的锁相关系，从而提高了所输出毫米波频率的稳定性。

实施例二

本实施例将在实施例一的基础上，对毫米波频率源装置进一步说明。

图2为根据本发明实施例二毫米波频率源装置的示意图。如图2所示，从整体来看，本实施例所提出的毫米波频率源装置包括两个模块：毫米波前端模块10和稳频模块20，其中毫米波前端模块10至少包含一个具有倍频混频单元102，一个毫米波振荡器101，通常还包含毫米波输出放大单元103。稳频模块20包含晶振参考源2022，微波锁相环2023，微波振荡器201，中频锁相环2031，预分频器2021。

该频率源的工作原理是：利用晶振参考源2022、微波锁相环2023，配合预分频器2021对微波振荡器201进行锁相，获得高质量的微波振荡信号，该信号输入毫米波前端模块10中的倍频混频单元102，毫米波振荡器101工作于所期望的毫米波频段，其输出信号中的一路输入倍频混频单元102，倍频混频单元102将微波振荡器201输出的微波信号倍频后与毫米波振荡器101输出的毫米波信号混频，获得中频信号，利用中频锁相环2031和晶振参考源2022锁住该中频信号，即可以实现毫米波振荡器101的锁相。毫米波振荡器101的另一路输出信号经过输出缓冲放大级输出。

本实施例为实施例一各部分的具体细化，具有实施例一的全部有益效果，此处不再重述。

实施例三

本实施例将对实施例一、二中各部件的特征进行说明。

本实施例中，毫米波前端模块10为采用单片集成电路技术实现全集成的毫米波单片集成电路(MMIC)，从而使得毫米波信号全部在该单片电路内传输，即毫米波振荡器101、倍频混频单元102和毫米波输出放大缓冲单元集成于同一芯片。优选的，单片集成电路技术采用基于磷化铟异质结双极型晶体管器件(InP HBT)的集成电路技术，该技术具有器件工作频率很高，闪烁噪声低的特点，适于毫米波频率源应用。此外，倍频混频单元102可以采用谐波混频电路直接实现；也可以采用倍频器电路和混频器电路实现。

本实施例中，毫米波前端模块由单片电路实现，避免了传统毫米波模块的互联问题，同时，本实施例的毫米波频率源装置具有低损耗，微型化的优势。

实施例四

本实施例将对实施例一、二、三中各部件的特征进行说明。上述实施例描述了本发明的频率源结构的基本工作原理，其中所涉及的子电路或模块的具体形式和指标可以根据需求灵活的设计或者选择。这些选择是在技术水平允许的范围内的，以下是对个部分优选的方案。

稳频模块20工作于微波及更低频率，技术较为成熟，采用分立的电路进行模块化的实现。

微波振荡器201的工作频率选择在毫米波振荡器101频率的1/3-1/8附近，即倍频混频单元102的倍频数为3-8。该倍频数从技术上较易实现并能够保证较好的倍频信号质量。相应的，微波振荡器201的工作频率通常选择在Ku-K波段，可以选择但不限于硅(Si)集成电路工艺、锗硅(GeSi)集成电路工艺、砷化镓(GaAs)集成电路工艺制造的振荡器电路。优选的，可以采用GaAs HBT工艺实现。

中频锁相环2031采用低成本的商品化集成锁相环，由于工作频率较低，有多种型号可供本领域技术人员方便的选择。

微波锁相环2023采用商品化集成微波锁相环，如ADI公司就提供工作于数GHz的产品，与工作于K-Ku波段的预分频器110相配合，预分频器2021的分频数选在在2-4倍，可以实现对Ku-K波段的微波振荡器108的锁相。预分频器2021可以采用商品化的集成预分频器，例如Hittite公司的相应产品；也可以在电路设计的过程中直接与微波振荡器201集成于同一片集成电路中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种毫米波频率源装置，其特征在于，包括毫米波前端模块和稳频模块，其中：

所述毫米波前端模块，用于产生毫米波频段的振荡信号；将所述毫米波频段的振荡信号倍频后与所述稳频模块产生的一微波信号进行混频，得到一中频信号，将所述中频信号传输至稳频模块；接收所述稳频模块的一锁相信号，并根据所述锁相信号对所述毫米波前端模块产生的毫米波频段的振荡信号进行锁相，输出经过所述锁相的毫米波振荡信号；

所述稳频模块，用于产生所述微波信号；接收所述毫米波前端模块输出的所述中频信号，根据所述中频信号产生所述锁相信号，并将所述锁相信号传输至毫米波前端模块。

2.根据权利要求1所述的毫米波频率源装置，其特征在于，所述毫米波前端模块，包括毫米波振荡器、倍频混频单元、毫米波输出放大缓冲单元，其中：

所述毫米波振荡器，用于产生毫米波频段振荡信号；

所述倍频混频单元，用于将微波振荡信号进行倍频后，与所述毫米波频段振荡信号混频，获得中频信号；

所述毫米波输出放大缓冲单元，用于将所述毫米波振荡器经过中频锁相后输出的毫米波频段振荡信号进行放大并输出。

3.根据权利要求2所述的毫米波频率源装置，其特征在于，所述毫米波振荡器、所述倍频混频单元和所述毫米波输出放大单元通过基于磷化铟异质结双极型晶体管器件的集成电路技术集成于同一芯片。

4.根据权利要求2所述的毫米波频率源装置，其特征在于，所述稳频模块，包括微波振荡器、微波锁相单元、中频锁相单元，其中：

所述微波振荡器，用于产生微波振荡信号；

所述微波锁相单元，与所述微波振荡器相连，用于对所述微波振荡器产生的微波振荡信号进行锁相；

所述中频锁相单元，用于锁相所述倍频混频单元获得的所述中频信号，生成校准电压信号，并将所述校准电压信号输出至所述毫米波振荡器，实现对所述毫米波振荡器所输出的毫米波频段振荡信号的锁相。

5.根据权利要求4所述的毫米波频率源装置，其特征在于，所述微波锁相单元包括：

预分频器，与所述微波振荡器相连接，用于将所述微波振荡器产生的微波振荡信号进行预分频；

第一晶振参考源，用于产生第一参考频率信号；

微波锁相环，与所述预分频器和第一晶振参考源相连，用于将所述预分频后的微波振荡信号与所述第一参考频率信号进行比较，生成第一校准电压信号，并将所述第一校准电压信号发送至所述微波振荡器，实现对所述微波振荡器产生的微波振荡信号的锁相。

6.根据权利要求5所述的毫米波频率源装置，其特征在于，所述预分频器的工作频率为K-Ku波段，分频数介于2至4倍之间。

7.根据权利要求5所述的毫米波频率源装置，其特征在于，所述中频锁相单元包括：

第二晶振参考源，用于产生第二参考频率信号；

中频锁相环，与所述倍频混频单元和第二晶振参考源相连接，用于将所述倍频混频单元获得中频信号与第二参考频率信号进行比较，生成第二校准电压信号，并将所述第二校准电压信号发送至所述毫米波振荡器，实现对所述毫米波振荡器产生的毫米波频段振荡信号的锁相。

8.根据权利要求7所述的毫米波频率源装置，其特征在于，所述第一晶振参考源和第二晶振参考源为同一个晶振参考源。

9.根据权利要求4所述的毫米波频率源装置，其特征在于：所述微波振荡器的工作频率在所述毫米波振荡器频率的1/3-1/8附近。

10.根据权利要求9所述的毫米波频率源装置，其特征在于：所述微波振荡器为采用硅集成电路工艺、锗硅集成电路工艺，或砷化镓集成电路工艺制造的振荡器。

11.根据权利要求10所述的毫米波频率源装置，其特征在于：所述微波振荡器为砷化镓异质结双极型晶体管振荡器。

Images