專利名稱：毫米波頻率源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域，尤其涉及一種毫米波頻率源裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一是其工作頻率，相應(yīng)頻率的頻率源是其必要模塊， 隨著技術(shù)發(fā)展，通訊設(shè)備和雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率也逐步提高，高端產(chǎn)品目前已達(dá)數(shù)十GHz 的毫米波段，這些系統(tǒng)都需要與其頻率相對應(yīng)的頻率源模塊。在微電子領(lǐng)域，微波和毫米波概念的區(qū)分通常并不嚴(yán)格，因此在本發(fā)明中，根據(jù)所提出的頻率源結(jié)構(gòu)的特征并結(jié)合當(dāng)前技術(shù)水平發(fā)展的實(shí)際情況，所提到的微波主要指代Ka 以下波段，在該波段當(dāng)前的電路和模塊技術(shù)相對成熟，易于制備高質(zhì)量的振蕩源；所提到的毫米段主要指代從E波段到W波段，記為E-W波段。在毫米波段，尤其是工作頻率高達(dá)E-W波段時(shí)，模塊式的毫米波頻率源裝置會面臨如下技術(shù)困難受器件能力限制，電路能夠?qū)崿F(xiàn)的功率通常較小；信號的傳輸需要通過波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，即使使用波導(dǎo)也存在損耗大，匹配困難的問題；高頻寄生參數(shù)十分顯著，使電路性能惡化；由于傳輸波導(dǎo)和波導(dǎo)諧振腔的存在，電路體積很大，對溫度和振動(dòng)敏感，工作穩(wěn)
定性差等。因此，毫米波技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向既是將毫米波前端單元采用全集成的毫米波單片集成電路(MMIC)實(shí)現(xiàn)，或者采用混合毫米波集成電路(HMIC)實(shí)現(xiàn)。利用微電子和微封裝工藝的小體積、高加工精度、高集成度直接制作毫米波集成電路和模塊，在集成電路片內(nèi)實(shí)現(xiàn)電路單元的互聯(lián)和匹配。例如單片集成的毫米波振蕩器，它是振蕩的頻率信號產(chǎn)生源，是頻率源的核心。但是受器件老化、電路品質(zhì)因數(shù)低、環(huán)境變化等影響，電路參數(shù)會發(fā)生抖動(dòng)，形成噪聲，該現(xiàn)象對于頻率極高的毫米波電路尤為明顯。頻率源作為整個(gè)電路的頻率基準(zhǔn)，需要較高的穩(wěn)定度，所以僅靠毫米波集成電路并不能形成高質(zhì)量的頻率源，還需要建立具有穩(wěn)頻功能的環(huán)路系統(tǒng)，其中最常用的就是頻率源鎖相技術(shù)，在較低頻段典型的做法是使用晶體振蕩器(晶振)作為參考源進(jìn)行鎖相，例如存在多種型號的商品化的鎖相環(huán)電路，可以將數(shù)GHz的微波信號與晶振參考源鎖相，其中晶振通常工作在幾十到幾百M(fèi)HZ。但是在毫米波頻率源的具體實(shí)現(xiàn)中，面臨著電路單元之間的毫米波信號連接困難，以及傳統(tǒng)晶振和鎖相環(huán)的工作頻率與毫米波頻率差別巨大，難以直接鎖相等問題。在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人意識到現(xiàn)有技術(shù)存在如下缺陷毫米波頻率源裝置輸出的毫米波頻率穩(wěn)定性差，同時(shí)毫米波與常用高穩(wěn)定度參考源頻率差距大，難以直接實(shí)現(xiàn)鎖相。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中毫米波頻率源裝置輸出的毫米波頻率穩(wěn)定性差的缺陷，提出了一種毫米波頻率源裝置。(二)技術(shù)方案本發(fā)明的毫米波頻率源裝置，包括毫米波前端模塊和穩(wěn)頻模塊，其中毫米波前端模塊，用于產(chǎn)生毫米波頻段的振蕩信號；將毫米波頻段的振蕩信號倍頻后與穩(wěn)頻單元產(chǎn)生的一微波信號進(jìn)行混頻，得到一中頻信號，將中頻信號傳輸至穩(wěn)頻模塊；接收穩(wěn)頻模塊的一鎖相信號，并根據(jù)鎖相信號對毫米波前端模塊產(chǎn)生的毫米波頻段的振蕩信號進(jìn)行鎖相，輸出經(jīng)過鎖相的毫米波振蕩信號；穩(wěn)頻模塊，用于產(chǎn)生微波信號；接收毫米波前端模塊輸出的中頻信號，根據(jù)中頻信號產(chǎn)生鎖相信號，并將鎖相信號傳輸至毫米波前端模塊。優(yōu)選地，本技術(shù)方案中，毫米波前端模塊，包括毫米波振蕩器、倍頻混頻單元、毫米波輸出放大緩沖單元，其中毫米波振蕩器，用于產(chǎn)生毫米波頻段振蕩信號；倍頻混頻單元，用于將微波振蕩信號進(jìn)行倍頻后，與毫米波頻段振蕩信號混頻，獲得中頻信號；毫米波輸出放大緩沖單元，用于將毫米波振蕩器經(jīng)過中頻鎖相后輸出的毫米波頻段振蕩信號進(jìn)行放大并輸出。優(yōu)選地，本技術(shù)方案中，穩(wěn)頻模塊，包括微波振蕩器、微波鎖相單元、中頻鎖相單元，其中微波振蕩器，用于產(chǎn)生微波振蕩信號；微波鎖相單元，與微波振蕩器相連，用于對微波振蕩器產(chǎn)生的微波振蕩信號進(jìn)行鎖相；中頻鎖相單元，用于鎖相倍頻混頻單元獲得的中頻信號，生成校準(zhǔn)電壓信號，并將校準(zhǔn)電壓信號輸出至毫米波振蕩器，實(shí)現(xiàn)對毫米波振蕩器所輸出的毫米波頻段振蕩信號的鎖相。優(yōu)選地，本技術(shù)方案中，微波鎖相單元包括預(yù)分頻器，與微波振蕩器相連，用于將微波振蕩器產(chǎn)生的微波振蕩信號進(jìn)行預(yù)分頻；第一晶振參考源，用于產(chǎn)生第一參考頻率信號；微波鎖相環(huán)，與預(yù)分頻器和第一晶振參考源相連，用于將預(yù)分頻后的微波振蕩信號與第一參考頻率信號進(jìn)行比較，生成第一校準(zhǔn)電壓信號，并將第一校準(zhǔn)電壓信號發(fā)送至微波振蕩器，實(shí)現(xiàn)對微波振蕩器產(chǎn)生的微波振蕩信號的鎖相。優(yōu)選地，本技術(shù)方案中，中頻鎖相單元包括第二晶振參考源，用于產(chǎn)生第二參考頻率信號；中頻鎖相環(huán)，與倍頻混頻單元和第二晶振參考源相連，用于將倍頻混頻單元獲得中頻信號與第二參考頻率信號進(jìn)行比較，生成第二校準(zhǔn)電壓信號，并將第二校準(zhǔn)電壓信號發(fā)送至毫米波振蕩器，實(shí)現(xiàn)對毫米波振蕩器產(chǎn)生的毫米波頻段振蕩信號的鎖相。(三)有益效果本發(fā)明中，利用微波頻率源作為中間源雙環(huán)鎖相，建立低頻高穩(wěn)定度的晶振與毫米波振蕩器的鎖相關(guān)系，從而提高了所輸出毫米波頻率的穩(wěn)定性，同時(shí)毫米波段部分可由單片電路實(shí)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)毫米波模塊的互聯(lián)問題。


圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例一毫米波頻率源裝置的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例二毫米波頻率源裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例一圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例一毫米波頻率源裝置的示意圖。如圖1所示，本實(shí)施例毫米波頻率源裝置包括毫米波前端模塊10和穩(wěn)頻模塊20。其中毫米波前端模塊10，用于產(chǎn)生毫米波頻段的振蕩信號；將毫米波頻段的振蕩信號倍頻后與穩(wěn)頻單元產(chǎn)生的一微波信號進(jìn)行混頻，得到一中頻信號，將中頻信號傳輸至穩(wěn)頻模塊；接收穩(wěn)頻模塊的一鎖相信號，并根據(jù)鎖相信號對毫米波前端模塊產(chǎn)生的毫米波頻段的振蕩信號進(jìn)行鎖相，輸出經(jīng)過鎖相的毫米波振蕩信號；穩(wěn)頻模塊20，用于產(chǎn)生微波信號；接收毫米波前端模塊輸出的中頻信號， 根據(jù)中頻信號產(chǎn)生鎖相信號，并將鎖相信號傳輸至毫米波前端模塊。具體的，本技術(shù)方案中，毫米波前端模塊10包括毫米波振蕩器101，用于產(chǎn)生毫米波頻段振蕩信號；倍頻混頻單元102，用于將微波振蕩信號進(jìn)行倍頻后，與毫米波頻段振蕩信號混頻，獲得中頻信號；毫米波輸出放大緩沖單元103，用于將毫米波振蕩器101經(jīng)過中頻鎖相后輸出的毫米波頻段振蕩信號進(jìn)行放大并輸出。具體的，本技術(shù)方案中，穩(wěn)頻模塊20，與毫米波前端模塊10相連，包括微波振蕩器201，用于產(chǎn)生微波振蕩信號；微波鎖相單元202，與微波振蕩器201相連，用于對微波振蕩器201產(chǎn)生的微波振蕩信號進(jìn)行鎖相；中頻鎖相單元203，用于鎖相倍頻混頻單元102獲得中頻信號，生成校準(zhǔn)電壓信號，并將校準(zhǔn)電壓信號輸出至毫米波振蕩器101，實(shí)現(xiàn)對毫米波振蕩器101所輸出的毫米波頻段振蕩信號的鎖相本實(shí)施例中，利用微波頻率源作為中間源雙環(huán)鎖相，建立低頻高穩(wěn)定度的晶振與毫米波振蕩器的鎖相關(guān)系，從而提高了所輸出毫米波頻率的穩(wěn)定性。實(shí)施例二本實(shí)施例將在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，對毫米波頻率源裝置進(jìn)一步說明。圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例二毫米波頻率源裝置的示意圖。如圖2所示，從整體來看，本實(shí)施例所提出的毫米波頻率源裝置包括兩個(gè)模塊毫米波前端模塊10和穩(wěn)頻模塊 20，其中毫米波前端模塊10至少包含一個(gè)具有倍頻混頻單元102，一個(gè)毫米波振蕩器101， 通常還包含毫米波輸出放大單元103。穩(wěn)頻模塊20包含晶振參考源2022，微波鎖相環(huán)2023， 微波振蕩器201，中頻鎖相環(huán)2031，預(yù)分頻器2021。該頻率源的工作原理是利用晶振參考源2022、微波鎖相環(huán)2023，配合預(yù)分頻器 2021對微波振蕩器201進(jìn)行鎖相，獲得高質(zhì)量的微波振蕩信號，該信號輸入毫米波前端模塊10中的倍頻混頻單元102，毫米波振蕩器101工作于所期望的毫米波頻段，其輸出信號中的一路輸入倍頻混頻單元102，倍頻混頻單元102將微波振蕩器201輸出的微波信號倍頻后與毫米波振蕩器101輸出的毫米波信號混頻，獲得中頻信號，利用中頻鎖相環(huán)2031和晶振參考源2022鎖住該中頻信號，即可以實(shí)現(xiàn)毫米波振蕩器101的鎖相。毫米波振蕩器101的另一路輸出信號經(jīng)過輸出緩沖放大級輸出。本實(shí)施例為實(shí)施例一各部分的具體細(xì)化，具有實(shí)施例一的全部有益效果，此處不
再重述。實(shí)施例三本實(shí)施例將對實(shí)施例一、二中各部件的特征進(jìn)行說明。本實(shí)施例中，毫米波前端模塊10為采用單片集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)全集成的毫米波單片集成電路(MMIC)，從而使得毫米波信號全部在該單片電路內(nèi)傳輸，即毫米波振蕩器101、倍頻混頻單元102和毫米波輸出放大緩沖單元集成于同一芯片。優(yōu)選的，單片集成電路技術(shù)采用基于磷化銦異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管器件(InP HBT)的集成電路技術(shù)，該技術(shù)具有器件工作頻率很高，閃爍噪聲低的特點(diǎn)，適于毫米波頻率源應(yīng)用。此外，倍頻混頻單元102 可以采用諧波混頻電路直接實(shí)現(xiàn)；也可以采用倍頻器電路和混頻器電路實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例中，毫米波前端模塊由單片電路實(shí)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)毫米波模塊的互聯(lián)問題，同時(shí)，本實(shí)施例的毫米波頻率源裝置具有低損耗，微型化的優(yōu)勢。實(shí)施例四本實(shí)施例將對實(shí)施例一、二、三中各部件的特征進(jìn)行說明。上述實(shí)施例描述了本發(fā)明的頻率源結(jié)構(gòu)的基本工作原理，其中所涉及的子電路或模塊的具體形式和指標(biāo)可以根據(jù)需求靈活的設(shè)計(jì)或者選擇。這些選擇是在技術(shù)水平允許的范圍內(nèi)的，以下是對個(gè)部分優(yōu)選的方案。穩(wěn)頻模塊20工作于微波及更低頻率，技術(shù)較為成熟，采用分立的電路進(jìn)行模塊化的實(shí)現(xiàn)。微波振蕩器201的工作頻率選擇在毫米波振蕩器101頻率的1/3-1/8附近，即倍頻混頻單元102的倍頻數(shù)為3-8。該倍頻數(shù)從技術(shù)上較易實(shí)現(xiàn)并能夠保證較好的倍頻信號質(zhì)量。相應(yīng)的，微波振蕩器201的工作頻率通常選擇在Ku-K波段，可以選擇但不限于硅 (Si)集成電路工藝、鍺硅(GeSi)集成電路工藝、砷化鎵(GaAs)集成電路工藝制造的振蕩器電路。優(yōu)選的，可以采用GaAs HBT工藝實(shí)現(xiàn)。中頻鎖相環(huán)2031采用低成本的商品化集成鎖相環(huán)，由于工作頻率較低，有多種型號可供本領(lǐng)域技術(shù)人員方便的選擇。微波鎖相環(huán)2023采用商品化集成微波鎖相環(huán)，如ADI公司就提供工作于數(shù)GHz的產(chǎn)品，與工作于K-Ku波段的預(yù)分頻器110相配合，預(yù)分頻器2021的分頻數(shù)選在在2-4倍， 可以實(shí)現(xiàn)對Ku-K波段的微波振蕩器108的鎖相。預(yù)分頻器2021可以采用商品化的集成預(yù)分頻器，例如Hittite公司的相應(yīng)產(chǎn)品；也可以在電路設(shè)計(jì)的過程中直接與微波振蕩器201 集成于同一片集成電路中。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種毫米波頻率源裝置，其特征在于，包括毫米波前端模塊和穩(wěn)頻模塊，其中 所述毫米波前端模塊，用于產(chǎn)生毫米波頻段的振蕩信號；將所述毫米波頻段的振蕩信號倍頻后與所述穩(wěn)頻模塊產(chǎn)生的一微波信號進(jìn)行混頻，得到一中頻信號，將所述中頻信號傳輸至穩(wěn)頻模塊；接收所述穩(wěn)頻模塊的一鎖相信號，并根據(jù)所述鎖相信號對所述毫米波前端模塊產(chǎn)生的毫米波頻段的振蕩信號進(jìn)行鎖相，輸出經(jīng)過所述鎖相的毫米波振蕩信號；所述穩(wěn)頻模塊，用于產(chǎn)生所述微波信號；接收所述毫米波前端模塊輸出的所述中頻信號，根據(jù)所述中頻信號產(chǎn)生所述鎖相信號，并將所述鎖相信號傳輸至毫米波前端模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波頻率源裝置，其特征在于，所述毫米波前端模塊，包括毫米波振蕩器、倍頻混頻單元、毫米波輸出放大緩沖單元，其中所述毫米波振蕩器，用于產(chǎn)生毫米波頻段振蕩信號；所述倍頻混頻單元，用于將微波振蕩信號進(jìn)行倍頻后，與所述毫米波頻段振蕩信號混頻，獲得中頻信號；所述毫米波輸出放大緩沖單元，用于將所述毫米波振蕩器經(jīng)過中頻鎖相后輸出的毫米波頻段振蕩信號進(jìn)行放大并輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的毫米波頻率源裝置，其特征在于，所述毫米波振蕩器、所述倍頻混頻單元和所述毫米波輸出放大單元通過基于磷化銦異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管器件的集成電路技術(shù)集成于同一芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的毫米波頻率源裝置，其特征在于，所述穩(wěn)頻模塊，包括微波振蕩器、微波鎖相單元、中頻鎖相單元，其中所述微波振蕩器，用于產(chǎn)生微波振蕩信號；所述微波鎖相單元，與所述微波振蕩器相連，用于對所述微波振蕩器產(chǎn)生的微波振蕩信號進(jìn)行鎖相；所述中頻鎖相單元，用于鎖相所述倍頻混頻單元獲得的所述中頻信號，生成校準(zhǔn)電壓信號，并將所述校準(zhǔn)電壓信號輸出至所述毫米波振蕩器，實(shí)現(xiàn)對所述毫米波振蕩器所輸出的毫米波頻段振蕩信號的鎖相。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的毫米波頻率源裝置，其特征在于，所述微波鎖相單元包括 預(yù)分頻器，與所述微波振蕩器相連接，用于將所述微波振蕩器產(chǎn)生的微波振蕩信號進(jìn)行預(yù)分頻；第一晶振參考源，用于產(chǎn)生第一參考頻率信號；微波鎖相環(huán)，與所述預(yù)分頻器和第一晶振參考源相連，用于將所述預(yù)分頻后的微波振蕩信號與所述第一參考頻率信號進(jìn)行比較，生成第一校準(zhǔn)電壓信號，并將所述第一校準(zhǔn)電壓信號發(fā)送至所述微波振蕩器，實(shí)現(xiàn)對所述微波振蕩器產(chǎn)生的微波振蕩信號的鎖相。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的毫米波頻率源裝置，其特征在于，所述預(yù)分頻器的工作頻率為K-Ku波段，分頻數(shù)介于2至4倍之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的毫米波頻率源裝置，其特征在于，所述中頻鎖相單元包括 第二晶振參考源，用于產(chǎn)生第二參考頻率信號；中頻鎖相環(huán)，與所述倍頻混頻單元和第二晶振參考源相連接，用于將所述倍頻混頻單元獲得中頻信號與第二參考頻率信號進(jìn)行比較，生成第二校準(zhǔn)電壓信號，并將所述第二校準(zhǔn)電壓信號發(fā)送至所述毫米波振蕩器，實(shí)現(xiàn)對所述毫米波振蕩器產(chǎn)生的毫米波頻段振蕩信號的鎖相。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的毫米波頻率源裝置，其特征在于，所述第一晶振參考源和第二晶振參考源為同一個(gè)晶振參考源。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的毫米波頻率源裝置，其特征在于所述微波振蕩器的工作頻率在所述毫米波振蕩器頻率的1/3-1/8附近。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的毫米波頻率源裝置，其特征在于所述微波振蕩器為采用硅集成電路工藝、鍺硅集成電路工藝，或砷化鎵集成電路工藝制造的振蕩器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的毫米波頻率源裝置，其特征在于所述微波振蕩器為砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管振蕩器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種毫米波頻率源裝置。該毫米波頻率源裝置利用微波頻率源作為中間源雙環(huán)鎖相，建立低頻高穩(wěn)定度的晶振與毫米波振蕩器的鎖相關(guān)系，從而提高了所輸出毫米波的頻率穩(wěn)定性，同時(shí)毫米波前端模塊由單片電路實(shí)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)毫米波前端模塊的互聯(lián)問題。
文檔編號H03L7/00GK102480281SQ201010573809
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者劉新宇, 吳旦昱, 王顯泰, 金智 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所