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毫米波高端的F波段（90-140GHz）和D波段（110-170GHz）覆盖了很宽的频率范围，蕴涵着极大的频谱资源，在地面短距离宽带通信、星际通信、雷达目标探测、高分辨率成像、精确制导及电子对抗等领域具有广泛的应用前景。毫米波频率合成器是毫米波雷达、通信及电子对抗等先进电子系统中的核心部件，研究低相位噪声、高稳定度、宽频带的短毫米波频率源的理论与实现技术，对于开发利用短毫米波频谱资源，促进短毫米波技术进步及应用系统的发展具有重要意义。
本文针对D波段与F波段频率合成器研制中所涉及的理论与关键技术问题，基于国内现有技术条件，在固态器件锁相频率合成器的系统方案理论建模与分析设计、主要功能模块优化设计与实现技术、系统总体集成技术等方面进行了探索研究，取得了以D波段宽带锁相频率合成器和F波段窄带锁相频率合成器原理试验系统为代表的先进技术成果。主要研究进展包括以下七个方面：
1、根据国内短毫米波现有技术条件和商用器件状况，对D波段和F波段频率合成器的总体技术方案进行了分析论证，提出了基于双环锁相技术结合短毫米波倍频技术的合理可行的技术方案。建立了基于谐波混频技术的D波段固态器件锁相频综系统的仿真电路模型，通过优化VCO、谐波混频器、环路滤波器等各功能模块的参数，实现了对锁相系统时域锁定过程和相位噪声性能的仿真分析。给出了基于谐波混频原理通过测量中频信号相位噪声来计算短毫米波锁相频率源相位噪声的测量分析理论模型。根据给定的频率源性能指标要求，对F波段、D波段频率合成器中微波本振源、谐波混频器等各功能模块的技术指标进行了合理的配置，为锁相频综系统的功能模块的研制和系统集成实验研究打下了必要的基础。
2、采用压控振荡器（VCO）分频信号锁相的技术研制成功了X/Ku波段锁相频率源，解决了宽带环路参数优化设计、超低相位噪声倍频链设计等关键技术，实现了10．6～11．8GHz和12．27～13GHz频率范围内的低相位噪声信号输出。采用二分频输出信号锁相的技术方案，只需要提供频率为6GHz的超低相位噪声本振信号，与通常的直接锁定X/Ku波段信号的方案相比，降低了晶振倍频链路的设计与实现难度，并省去了输出信号的耦合电路，有利于改善整个系统的相位噪声性能。通过系统调试与参数优化，实现了所设计频带范围内的相位锁定。实验测试结果为，在10．6～11．8GHz和12．27～13GHz频段内，相位噪声优于-102dBc/H@10kHz，满足D波段及F波段频率合成器系统中低相位噪声、高稳定度本振频率源的性能要求。
3、基于混合集成技术，研究了F波段Schottky势垒二极管二次倍频电路设计与实现技术。利用标称截止频率为3THz的商用GaAs Schottky势垒串联二极管对芯片，在悬置微带线上采取管对并联的平衡电路结构形式，研究了V波段输入端和F波段输出端耦合匹配电路结构优化设计技术，解决了短毫米波段倍频器腔体及微带电路精密加工以及微型二级管对芯片组装工艺等工程实现技术问题，研制成功了F波段二次倍频器实验样品，采用V波段GaAs Gunn器件振荡器作为激励源，在104GHz～106．8GHz频率范围内获得了高于0．5mW的输出功率，最大输出功率大于1mW。利用该倍频器，可以将V波段的高稳定、低相位噪声信号直接倍频至F波段，降低了短毫米波频率源的实现难度，为研制F波段锁相频率源提供了简单、有效的技术途径。
4、进行了F波段锁相频率合成器的系统集成实验研究，获得了F波段锁定信号输出。首先利用自行研制的V波段GaAs Gunn器件VCO、V波段六次谐波混频器、9．6GHz超低相位噪声倍频源、毫米波中频锁相模块，进行了V波段锁相频率源的系统联试。针对V波段VCO的窄带频率电调谐特性，解决了鉴相频率及分频比、环路带宽参数设置等问题，实现了V波段Gunn器件VCO输出信号的相位锁定。在此基础上，将V波段锁相信号作为激励，通过F波段二倍频器获得了106．5GHz频率附近的锁定信号输出。所获得的环路设置及系统性能方面的大量实验数据，对进一步提高F波段频率源的性能具有重要参考价值。
5、利用自行研制的X波段低相噪锁相频综、Q波段VCO、Q波段四次谐波混频器、E波段二倍频器和D波段Schottky二极管二倍频器等核心功能部件进行系统集成，在国内首次研制成功了D波段宽带锁相频率合成器原理试验系统，实现了对148．8～152．8GHz和154．4～158．8GHz频段内信号的相位锁定，相对带宽达到5．47％。利用D波段WHMP-6型宽带谐波混频器和12GHz倍频本振源，建立了短毫米波相位噪声测试系统，对D波段输出信号的相位噪声进行测试。通过测量中频信号的相位噪声，计算得到频率合成器在152．8GHz、154．8GHz和155．6GHz频点上锁定信号的相位噪声分别为-77．43dBc/Hz@10kHz、-73．96 dBc/Hz@10kHz和-74．12 dBc/Hz@10kHz。
6、将直接数字频率合成（DDS）、毫米波锁相技术及倍频技术相结合，研究了D波段小频率步进、低相位噪声频率源的技术方案，以满足现代电子系统对小步进频率源的需求。研制了95～105MHz的DDS低相位噪声频率源，根据其输出信号相位噪声特性，以既能实现小步进功能又满足系统相位噪声指标为目标，设计了合理的D波段小步进频综的系统方案，并对其理论上可达到的相位噪声、跳频步进等性能参数进行了分析计算，为进一步研制D波段小步进频综实验系统提供了合理的技术方案和设计参数。
7、基于GaAs Schottky势垒二极管的短毫米波倍频器倍频效率比较低，输出功率有限，采用功率合成技术是获得较大输出功率信号源的有效途径。本文针对毫米波准光功率合成技术中介质光栅的传输特性问题，提出了应用于复杂结构介质光栅的矢量有限元-高斯波束展开混合方法，该方法同时具有矢量有限元法对所分析物体结构和材料的广泛适应性和模式展开法分析电大尺寸空间场时简单快捷的特点。利用该方法分析了阶梯形与曲线轮廓的介质光栅结构，仿真结果表明，它们可有效调整由多个标准高斯波束所构成的入射场的相位不一致性，建立波前平坦的准平面波，从而提高功率合成的效率。