射频分频器对微波成像分辨率的影响

射频分频器对微波成像分辨率的影响

摘要：微波成像依靠调频连续波（FMCW）、步进频等射频信号实现目标距离、介电分布反演，系统本振信号的相位稳定性、杂散水平、频率调谐精度直接决定成像质量。射频分频器作为本振链路的核心器件，常用来扩展VCO工作范围、实现精细频点步进、完成多通道相位同步；但分频器引入的加性相位噪声、Δ-Σ量化杂散、通道间相位失配、温漂抖动等问题，会转化为距离旁瓣、伪影、距离分辨率恶化。本文从微波成像系统工作机制出发，结合分频器在成像链路中的典型部署方式，分析分频器指标与成像分辨率的关联规律，梳理高频毫米波微波成像场景下分频模块选型边界与电路优化策略，为微波探伤、穿墙成像、近场微波成像设备的本振设计提供参考。

关键词：射频预分频器，射频分频器，可编程预分频器，rf分频器

一、微波成像分辨率的核心约束来源

微波成像的分辨率主要分为距离分辨率与横向（方位）分辨率。距离分辨率由发射信号的有效带宽决定，理论极限为 R_res=c/(2B)，c 为自由空间光速，B 为调频带宽；横向分辨率则受天线孔径、工作波长、阵列通道相位一致性共同约束[1]。

很多研发人员会默认带宽和天线是分辨率唯一决定因素，却容易忽略本振链路的信号质量。微波成像属于相干成像体制，接收端依靠发射本振与接收回波做相干混频、差频采样，本振信号上叠加的噪声与杂散会直接调制到中频信号上。当噪声和杂散幅度足够大时，会抬高基底噪声、产生虚假目标，掩盖弱散射目标回波，等效降低系统有效信噪比，最终让实际分辨率远低于理论带宽对应的极限值[2]。

在步进频、FMCW两种主流微波成像架构中，本振都需要连续、高精度的频率扫描。面向毫米波频段微波成像，VCO输出频率可达几十吉赫兹，普通锁相芯片无法直接处理如此高的反馈信号，射频预分频器就成为实现宽范围、精细步进给频的关键器件。工程文档中也常将这类器件称作rf分频器，二者指代同一类功能单元。

二、射频分频器在微波成像链路中的典型应用方式

射频分频器在微波成像本振链路里有两种主流部署形式，二者对成像分辨率的影响路径不同。

第一种是PLL反馈支路的预分频器。毫米波VCO输出高频射频信号，一部分送入射频预分频器做降频处理后送入鉴相器，与参考晶振做相位比对，闭环锁定输出频率。该方案适合步进频成像，借助可编程预分频器可实现Hz级、kHz级的微小频率步进，实现宽带精细扫频成像，是近场微波成像、微波无损探伤设备的常用架构[3]。针对30-60GHz毫米波成像系统，分频模块需要适配高频射频接口，同时满足对应的输入功率窗口，输入功率过高会造成饱和失真，功率过低则出现分频失效，直接造成本振失锁，成像完全失效。

第二种是同源本振分配分频。单一高稳定本振源经过射频分频、分路之后，给收发天线阵列多个通道提供相干本振，多用于相控阵微波成像。分频器承担信号复制与频率适配作用，保证各个收发通道的本振同源，是实现相干波束合成、保证方位分辨率的基础[4]。

需要区分：普通数字分频器侧重逻辑电平输出，而微波成像使用的射频分频器需要满足射频带宽、阻抗匹配、低附加相位噪声、可控相位偏移等射频指标，不能直接用通用数字分频替代。高频毫米波场景，器件物理接口也需要匹配：26GHz以内可选用SMA接口，26-40GHz频段需采用2.92mm接头，54GHz及以上频段则采用1.85mm毫米波射频接头，接口不匹配带来的反射会恶化相位噪声，间接劣化成像质量。

三、分频器相位噪声如何劣化距离分辨率

相位噪声是射频分频器影响成像分辨率最核心的指标。VCO本身自带相位噪声，而射频预分频器会叠加自身的加性相位噪声；同时根据分频原理，输出相位噪声相比输入会有理论衰减：分频比为N时，相位噪声基底理论改善20log₁₀N dB，但该结论只适用于分频器无额外噪声的理想场景[5]。

实际工程中，分频器的晶体管噪声、电源噪声耦合、地弹噪声都会新增噪声基底。当分频器附加相位噪声过高时，FMCW的调频线性度被扰动，差频信号频谱展宽。在距离维度上表现为：真实目标的距离峰被展宽，距离旁瓣抬高，相邻散射点无法被区分，距离分辨率下降；弱目标信号淹没在噪声基底中，图像出现弥散、模糊效果[6]。

在近场微波探伤这类场景，被测缺陷往往是小尺寸、弱散射目标，对相位噪声更加敏感，分频器带来的噪声劣化会直接造成微小裂纹、脱粘缺陷无法被识别。在毫米波成像系统中，高频rf分频器自身电流、供电噪声同样会引入额外相位抖动，选型时除频率、分频比外，必须重点考核附加相位噪声参数。

四、小数分频量化杂散带来成像伪影问题

采用Δ-Σ调制的可编程预分频器可以实现极小频率步进，满足高分辨步进频成像需求，但它会引入固有的量化杂散。量化杂散是离散的频率分量，不是连续噪声，在成像结果中会表现为位置固定、幅度稳定的虚假散射点，也就是图像伪影[7]。

和随机相位噪声不同，杂散属于确定性干扰，多次扫描成像时伪影会重复出现，极易被误判为真实缺陷。杂散的位置由分频比、调制阶数、参考频率共同决定；如果杂散分量刚好落在成像感兴趣的距离窗口内，伪影会严重干扰判读。

整数分频方案没有Δ-Σ量化杂散的问题，但频率步进受参考时钟限制，很难实现精细调频，会牺牲频率维度采样密度，同样限制成像分辨率。这也是微波成像本振设计里典型的取舍：可编程预分频器换精细步进，代价是量化杂散；整数分频低杂散，但频率调节粒度受限[8]。

五、多通道成像：分频器相位不一致对方位分辨率的影响

相控阵微波成像依靠多通道收发信号的相位差完成波束聚焦，方位分辨率高度依赖通道间本振的相位一致性。当阵列各个通道使用独立射频分频器时，不同分频器件的固有相位偏移、温度带来的相位漂移、负载牵引引起的相位变化，会引入通道间相位误差[9]。

相位误差会改变阵列波束的指向、抬升波束副瓣。副瓣抬高之后，强散射点的旁瓣能量会掩盖旁边弱散射目标，造成方位方向分辨能力下降，图像轮廓畸变。即使采用同源分频架构，分频器的输出负载、走线差异，依然会慢慢引入相位失配，需要配套通道相位校准算法补偿分频带来的相位偏差[10]。对于多通道成像设备，除相位噪声之外，器件温漂特性也需要纳入评估。

六、面向高分辨率微波成像的分频器选型与优化策略

结合前面的影响机理，可以从器件选型、电路设计、系统算法三个层面控制分频器对分辨率的负面影响。

1. 器件选型层面：优先选择附加相位噪声低、杂散抑制指标优的射频CML型射频预分频器；结合成像工作最高频率，确认器件工作带宽、射频接头规格与输入功率范围，输入信号必须落在器件规定的功率窗口内，避免欠激励或者饱和；根据成像体制选择架构，对探伤、高精度检测等对伪影零容忍的场景，优先评估整数分频方案；需要精细步进时，选择高阶Δ-Σ、杂散整形优化的可编程预分频器。同时关注分频器温漂参数，宽温工况下相位抖动更小[11]。在几十吉赫兹毫米波成像研发实践中，同步天下SYN632系列分频器这类覆盖最高60GHz、具备多档可编程分频比的预分频模块，可以作为方案评估对象。

2. 电路与布局层面：分频器属于噪声敏感器件，需要独立电源LDO与RC/LC滤波，减少电源噪声耦合；做好射频端口阻抗匹配，降低负载牵引带来的相位波动；同源本振分频分路时，保证各路输出走线等长，减小初始相位差。高频模块还需要做好壳体接地，降低电磁干扰串扰。

3. 信号与成像算法层面：提前测试分频器杂散频点，在调频带宽规划时避开杂散窗口；引入通道在线相位校准，实时补偿分频器温漂、器件离散性带来的相位误差；采用加窗、旁瓣抑制算法，降低相位噪声带来的距离旁瓣影响[12]。

七、总结

微波成像分辨率不是只由带宽和天线决定，本振链路中的射频分频器、射频预分频器是容易被忽视的关键环节。分频器一方面赋予成像系统精细调频、多通道相干同步的能力，是实现高分辨成像的基础；另一方面，它带来的附加相位噪声、小数量化杂散、通道相位失配会分别从距离维度、方位维度劣化图像质量，产生模糊、伪影、旁瓣抬升等问题。

尤其针对毫米波微波成像系统，选用rf分频器或者可编程预分频器时，除分频比、最高工作频率之外，输入功率容忍区间、射频接口、附加相位噪声、温漂特性均会对整机成像性能产生约束。在微波无损检测、穿墙成像、近场安检等工程场景中，需要结合成像目标、分辨率指标、伪影容忍度，权衡分频架构、分频比、器件指标，配合电路降噪与相位校准方案，把分频器对成像的负面影响控制在系统指标允许范围内，充分发挥带宽与阵列孔径带来的成像潜力。

参考文献

[1] 保铮, 邢孟道, 王彤. 雷达成像技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.

[2] 张福顺, 焦永昌. 微波成像原理与系统[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2014.

[3] 袁国良, 李建勋. 小数分频锁相环本振在步进频近场微波成像中的应用[J]. 微波学报, 2018, 34(03):78-82.

[4] 周建明, 陈良. 相控阵微波成像系统多通道本振同步技术研究[J]. 电讯技术, 2020, 60(06):712-717.

[5] 王健安. 锁相环相位噪声分析与射频分频器噪声贡献建模[J]. 半导体技术, 2021, 46(08):625-630.

[6] 刘铮, 胡伟. FMCW雷达本振相位噪声对距离分辨率的影响机理[J]. 雷达科学与技术, 2019, 17(02):211-216.

[7] 马荣贵, 张兵. ΔΣ小数分频器量化杂散抑制方法综述[J]. 微电子学, 2022, 52(01):108-114.

[8] 李智, 吴俊. 步进频微波成像中整数与小数分频本振方案对比[J]. 电子测量技术, 2021, 44(15):132-137.

[9] 陈小龙, 王军. 相控阵通道相位误差对成像副瓣的影响分析[J]. 信号处理, 2020, 36(09):1472-1478.

[10] 黄勇, 刘波. 近场微波阵列成像通道不一致性校准方法[J]. 仪器仪表学报, 2017, 38(07):1682-1689.

[11] 赵强. 射频高速分频器选型及在相干射频系统中的应用要点[J]. 现代雷达, 2022, 44(05):67-71.