毫米波衰減測量系統鎖相放大器參考信號產生裝置及方法
2023-06-09 05:12:51
專利名稱：毫米波衰減測量系統鎖相放大器參考信號產生裝置及方法
技術領域：
本發明涉及了一種鎖相放大器參考信號產生裝置及方法，特別是涉及毫米波衰減測量系統鎖相放大器參考信號產生裝置及方法，應用於毫米波衰減測量系統中。
背景技術：
衰減是無線電計量中的基本參量，其表徵了無線電信號的幅度在傳輸過程中減弱的程度。衰減計量在無線電計量中具有重要的地位，可為功率、S參數等提供溯源途徑。因此，各個國家的各級計量機構均需建立相應的衰減校準系統，以保證衰減的量值準確和統
O隨著無線電技術的發展，頻率資源變得日益緊張，毫米波這門集微波及光學優點 於一身的綜合性交叉學科應運而生。毫米波頻段的主要特點是波長短、頻率範圍寬、與大氣成分有選擇性的相互作用，使其具有波束窄、容量大、抗幹擾能力強等優點。擴展了通信容量的同時也可滿足保密、抗幹擾等特殊需求，因此，毫米波技術在軍事和民用領域得到了日益廣泛的應用，而建立毫米波各個頻段的衰減標準的需求也越來越迫切。衰減的測量方法很多，其中串聯低中頻替代法因其測量準確度高、動態範圍大，而被大部分國家的衰減基準所採用。串聯低中頻替代法以感應分壓器作為中頻標準衰減器，用鎖相放大器作為中頻接收和零指示器，從而有效的抑制了噪聲的影響，提高了系統的測量準確性。為了充分發揮鎖相放大器相關檢測的優勢，必須為其提供穩定的、與測試信號同頻、同相或有固定初相差的參考信號。在以鎖相放大器作為中頻檢波和指示裝置的衰減測量系統中，按照鎖相放大器參考信號的產生方式可將測量系統分為單通道和雙通道串聯低中頻測量系統。當頻率小於4GHz時，鎖相放大器參考信號多採用單通道法產生。在單通道衰減測量系統中，參考信號由與射頻源和本振源二者共時基的任意函數發生器產生，使得測試系統結構簡單，且由於不存在測試通道和參考通道的串擾問題，測量準確度很高。但當工作頻率升高時由於射頻源和本振源相位噪聲的影響，測試信號和參考信號頻率難以嚴格一致，使得鎖相放大器測試中頻的穩定程度明顯下降，測量不確定度增加，所以這種方法不適用於高頻尤其是毫米波頻段衰減量的測試。當頻率在4GHz-40GHz範圍內時，鎖相放大器參考信號多採用雙通道法產生。在雙通道衰減測量系統中，參考信號由定向耦合器和參考混頻器等構成的參考支路產生，因此其頻率穩定度與測試信號嚴格一致，此時鎖相放大器指示信號穩定，測量準確度高。但是在頻率更高的毫米波頻段由於兩通道之間串擾嚴重，將使得測量不確定度大大增加，難以獲得較高的測量準確度。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的問題和不足，提出一種毫米波衰減測量系統鎖相放大器參考信號產生裝置及方法，使得信號分離器件對測量信號幅度的影響降至最低，同時又能保證參考信號和測試信號的嚴格相關。本發明的目的通過以下技術方案來實現毫米波衰減測量系統中鎖相放大器參考信號產生裝置，該裝置包括依次連接的毫米波信號源、第一隔離衰減器、第二隔離衰減器、毫米波諧波混頻器、第一中頻放大器、帶通濾波器、中頻基波混頻器、第二中頻放大器、感應分壓器，所述感應分壓器還分別連接有鎖相放大器和第三中頻放大器，該中頻放大器的輸出端連接至所述鎖相放大器的輸入端。進一步，所述感應分壓器的信號輸出端通過BNC連接器將感應分壓器的輸出信號分成兩路信號，一路參考信號接入鎖相放大器的一信號輸入端，一路被測信號接入中頻高阻放大器的信號輸入端。進一步，所述毫米波諧波混頻器的一輸入端連接有第一本振源，所述中頻基波混 頻器的一輸入端連接有第二本振源。進一步，所述第一本振源、第二本振源與所述毫米波信號源採用共時基方式連接。進一步，所述感應分壓器的輸出阻抗小於0. 5 Q，鎖相放大器輸入阻抗大於IMQ。毫米波衰減測量系統中鎖相放大器參考信號產生方法，該方法為I)將毫米波信號源輸入第一隔離衰減器的輸入端，所述第一隔離衰減器還依次連接有第二隔離衰減器、毫米波諧混頻器、第一中頻放大器、帶通濾波器、中頻基波混頻器、第二中頻放大器、感應分壓器，所述感應分壓器的信號輸出端接入BNC連接器，該BNC連接器將輸出信號分成參考信號和被測信號，所述參考信號接入鎖相放大器的一信號輸入端，所述被測信號接入中頻高阻放大器的信號輸入端，該中頻高阻放大器的信號輸出端再連接至鎖相放大器的另一信號輸入端；2)用鎖相放大器測量被測信號的某一幅度值，記下此時感應分壓器各個盤的數值Al、A2......、A8，得出感應分壓器的分壓比D0=A1 X KT1+A2 X 1(T2+......+A8 X 1(T3 ；3)將毫米波信號源輸入第一隔離衰減器的輸入端，所述第一隔離衰減器的輸出端連接被測衰減器的輸入端，被測衰減器的輸出端連接有第二隔離衰減器，該第二隔離衰減器的輸出端依次連接毫米波諧混頻器、第一中頻放大器、帶通濾波器、中頻基波混頻器、第二中頻放大器、感應分壓器，所述感應分壓器的信號輸出端連接BNC連接器，該BNC連接器將輸出信號分成參考信號和被測信號，所述參考信號接入鎖相放大器的一信號輸入端，所述被測信號接入中頻高阻放大器的信號輸入端，該中頻高阻放大器的信號輸出端再連接至鎖相放大器的另一信號輸入端；4)用鎖相放大器測量被測信號的幅度值，當該幅度值與所述步驟2中的幅度值相同時，記下此時感應分壓器各個盤的數值Al'、A2'……、A8'，得出感應分壓器的分壓比Dl=Al' X 10^2' X10_2+......+A8' X 10_8 ;5)計算該衰減測量系統的衰減量A=ZOlogici(D1ZDci) dB,得到鎖相放大器的參考信號;進一步，所述毫米波諧波混頻器的一輸入端連接有第一本振源，所述中頻基波混頻器的一輸入端連接有第二本振源。進一步，所述第一本振源、第二本振源與所述毫米波信號源採用共時基方式連接。本發明的優點在於本發明設計的參考信號產生方法尤其適用於以鎖相放大器為中頻檢波和指示裝置，以串聯低中頻替代法為基礎。該方法易於實現，結構簡單且成本較低。通過該方法獲得的參考信號與測試信號嚴格相關，因此在整個測試過程中，鎖相放大器顯示中頻信號幅度穩定。採用此種參考信號產生方法組建的衰減測量系統，在頻率為2GHz，0dB-50dB衰減範圍內衰減測試結果與國家衰減基準測試數據之差小於0. 036dB，精度高。同時，採用該方法組建的2mm波段衰減測量系統，衰減測量結果與衰減器指標一致。
圖I :本發明鎖相放大器參考信號產生裝置的結構原理圖。
具體實施例方式本發明利用串聯低中頻替代法作為鎖相放大器參考信號產生方法的基礎。串聯低中頻替代法因其具有較高的測量準確度和較大的動態範圍而廣泛的應用在寬帶微波衰減 測量中。該方法基於射頻信號和低中頻信號的頻率變換，將射頻信號的幅度線性的轉換為低中頻信號的幅度，然後通過與準確的低中頻標準衰減器比較確定衰減量。串聯低中頻替代法的核心是將射頻信號的幅度線性的變換為低中頻信號的幅度，要實現頻率的變換就需要用到混頻器件。在140-220GHZ頻段，為了降低對本振源頻率的要求，混頻器往往採用高次諧波混頻器(36次諧波甚者更高)。然而隨之而來的就是巨大的變頻損耗，典型值在50dB左右。再由於毫米波信號源輸出功率限制(通常為-15dBm)和被測衰減器40dB的衰減量，系統中反映被測衰減量的有用信號非常微弱，其功率小於-120dBm。因此，對中頻接收系統提出了很高的要求。面對-120dBm的微弱信號和惡劣的信噪比，傳統的放大器不能滿足系統要求。因此必須採用更為有效的抑制噪聲的方法，採用基於相關檢測方法的鎖相放大器作為中頻檢波和指示裝置。在系統中，假設疊加有噪聲的測試信號為4(0=81(0+11(0，參考信號&(0 =S2⑴，則其相關函數為R12(T) =fl(t)f2{t-v)d.t
IrT=Iim——[S1 (t) + (r)]^ (t-r)dr
T —>< ^~
■ I rTI rT二 Iim ——.v, U)s J/ - t)cll 丁 Iim ——n(l)sA( -t\ii
T^oo 2Tt肩 2T J-r
=卞)+ 1L1 (A
(I)因為測試信號S1 (t)與參考信號S2 (t)相關，而與噪聲信號n(t)不相關，假設(I)式中n(t)為高斯白噪聲，則&= 可見採用相關檢測，有效抑制了噪聲的影響，提高了信噪比。使用基於相關檢測的鎖相放大器可以最大限度的抑制噪聲影響，提高衰減測量系統的測量準確度。鎖相放大器需要與測試信號嚴格相關的參考信號，且參考信號的質量將直接決定衰減測量的性能。目前，現有的使用與射頻源共時基的函數發生器產生參考信號的單通道法和採用參考混頻器構成獨立的參考支路的雙通道法在毫米波測量系統中均不適用。本發明設計了適用於毫米波衰減測量系統的鎖相放大器的參考信號產生方法。參考信號的產生方法中，先將毫米波信號混頻至頻率較高的中頻(I. 5GHz)，對其進行低噪聲放大和窄帶濾波，以提高中頻信號的信噪比。然後再將此中頻信號通過基波混頻器下變頻至感應分壓器的工作頻率(IkHz或10kHz)，進行低噪聲放大後送入感應分壓器。在感應分壓器輸出端使用BNC三通將輸出信號一分為二, 一路直接作為測試信號送入鎖相放大器的測試通道，另一路送入高阻放大器(輸入阻抗大於IMQ )放大後作為參考信號送入鎖相放大器參考通道。如圖I所示為本發明鎖相放大器參考信號產生裝置的結構原理圖，該裝置包括依次連接的毫米波信號源I、隔離衰減器2、隔離衰減器3、毫米波諧波混頻器4、第一中頻放大器5、帶通濾波器6、中頻基波混頻器7、第二中頻放大器8、感應分壓器9和鎖相放大器10，所述感應分壓器9的一輸出端還通過第三中頻放大器11連接到鎖相放大器。所述毫米波 諧波混頻器4和中頻基波混頻器7的一輸入端分別連接有第一本振源12和第二本振源13。上述裝置進行測量時，將毫米波信號源信號輸出端與被測衰減器輸入端相連，將被測衰減器輸出端連接至毫米波諧波混頻器信號輸入端，同時應用高準確度的本振源為毫米波諧波混頻器提供本振信號；毫米波諧波混頻器中頻輸出端連接至中頻低噪聲放大器與窄帶帶通濾波器；將濾波器輸出端連接至中頻基波混頻器信號輸入端，同時採用高準確度本振源為中頻基波混頻器提供本振信號；將基波混頻器中頻輸出端連接至低中頻低噪聲放大器輸入端，放大器輸出端連接至感應分壓器信號輸出端；在感應分壓器輸出端接入BNC三通，將其輸出信號一分為二，將其中一路使用BNC電纜送入鎖相放大器信號輸入端，另一路使用BNC電纜連接至低中頻高阻放大器信號輸入端，將放大器輸出端通過電纜連接至鎖相放大器器參考信號輸入端。本發明中感應分壓器的輸出阻抗小於0. 5 Q ,後級放大器輸入阻抗大於IMQ，使得信號分離器件對測量信號幅度的影響降至最低，同時又能保證參考信號和測試信號的嚴格相關。上述鎖相放大器參考信號的產生裝置採用二次混頻的方式，將被測信號混頻至感應分壓器的工作頻率後，取感應分壓器輸出的信號經過功分器一分兩路，一路作為鎖相放大器的測量通路信號，一路作為鎖相放大器的參考信號，由於測量信號和參考信號由同一個信號產生，所以保證了二者的嚴格相關，保證了鎖相放大器作為中頻接收機的測量準確度；另一方面，由於參考信號是經過混頻後再經過感應分壓器後輸出的低頻信號，這樣就避免了在微波頻段進行參考信號的分離導致的串擾問題，確保鎖相放大器的測量準確度；另夕卜，本發明設計的裝置中只需一個毫米波混頻器就能完成參考信號的產生，大大降低了毫米波衰減測量系統的成本。下面舉例對毫米波衰減測量系統中鎖相放大器的參考信號產生方法進行說明，該方法鎖相放大器作為中頻檢波和指示裝置，以串聯低中頻替代法為基礎。測量系統中，將毫米波信號源信號輸出端與兩個隔離衰減器相連，並將一測衰減器輸出端連接至毫米波諧波混頻器信號輸入端，同時應用高準確度的本振源為毫米波諧波混頻器提供本振信號；毫米波諧波混頻器中頻輸出端連接至中頻低噪聲放大器與窄帶帶通濾波器；將濾波器輸出端連接至中頻基波混頻器信號輸入端，同時採用高準確度本振源為中頻基波混頻器提供本振信號；將基波混頻器中頻輸出端連接至低中頻低噪聲放大器輸入端，放大器輸出端連接至感應分壓器信號輸出端；在感應分壓器輸出端接入BNC三通，將其輸出信號一分為二，將其中一路使用BNC電纜送入鎖相放大器信號輸入端,另一路使用BNC電纜連接至低中頻高阻放大器信號輸入端，將放大器輸出端通過電纜連接至鎖相放大器器參考信號輸入端。所述的毫米波信號源與毫米波混頻器、中頻基波混頻器所採用的本振源採用共時基方式信號源。例如，可以將毫米波信號源IOMHz時基輸出用BNC三通一分為二，一路連接至毫米波諧波混頻器本振源的IOMHz時基輸入端，另一路連接至中頻基波混頻器本振源IOMHz時基輸入端。另一方面對系統中信號源頻率和功率進行設置，將系統中毫米波信號源頻率調整 為測試所需頻率,功率_15dBm ;設置毫米波諧波混頻器本振源功率為+15dBm，並根據諧波混頻器諧波次數和測試信號頻率計算本振源輸出頻率，使諧波混頻器輸出中頻信號頻率為
I.5GHz ;設置基波混頻器本振源功率+13dBm，頻率為I. 500010GHz，使得混頻器輸出頻率為IOkHz。首先對測衰減器未接入上述測量系統時進行測試。先將兩隔離器直接連接，設置感應分壓器分壓比對應的衰減量為系統動態範圍的上限值80dB，此時信號未經衰減直接下變頻至低中頻10kHz，以最大信噪比通過感應分壓器，然後在感應分壓器輸出端將信號分離，得到參考信號和被測信號。例如，用鎖相放大器監測被測信號幅度為校準狀態的參考值60 u V，此時記下此時感應分壓器各個盤的數值Al、A2……、AS，感應分壓器的分壓比DO=Al X KT1+A2 X 10_2+......+A8 X 10_8。再對被測衰減器接入上述測量系統時進行測試。將被測衰減器接入兩隔離衰減器之間，此時測量信號經被測衰減器後變頻至低中頻10kHz，感應分壓器輸出端將此信號分離，得到參考信號和被測信號。例如，再用鎖相放大器監測的被測信號幅度偏離校準狀態的參考值60 u V，調節感應分壓器各個盤的位置使鎖相放大器的讀數再次為60 u V，此時記下此時感應分壓器各個盤的數值Al'、A2'……、A8'，感應分壓器的分壓比Dl=Al' X 10^2' X10_2+......+A8' X 10_8。得到由上述參考信號產生方法構成的衰減測量系統的衰減量為A=ZOlogltl(D1ZDci)dB,從而得到鎖相放大器的參考信號。本發明中，參考信號的產生技術區別於現有的任何方法，直接通過分離感應分壓器輸出端信號獲得。此法獲得了與測試信號嚴格相關的參考信號，然後對其進行高阻放大，高阻放大器的輸入阻抗要求在兆歐量級，以避免取用測試信號能量影響測量準確度。應當理解，以上藉助優選實施例對本發明的技術方案進行的詳細說明是示意性的而非限制性的。本領域的普通技術人員在閱讀本發明說明書的基礎上可以對各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。
權利要求
1.毫米波衰減測量系統中鎖相放大器參考信號產生裝置，其特徵在於，該裝置包括依次連接的毫米波信號源、第一隔離衰減器、第二隔離衰減器、毫米波諧波混頻器、第一中頻放大器、帶通濾波器、中頻基波混頻器、第二中頻放大器、感應分壓器，所述感應分壓器還分別連接有鎖相放大器和第三中頻放大器，該中頻放大器的輸出端連接至所述鎖相放大器的輸入端。
2.根據權利要求I所述的毫米波衰減測量系統中鎖相放大器參考信號產生裝置，其特徵在於，所述感應分壓器的信號輸出端通過BNC連接器將感應分壓器的輸出信號分成兩路信號，一路參考信號接入鎖相放大器的一信號輸入端，一路被測信號接入中頻高阻放大器的信號輸入端。
3.根據權利要求2所述的毫米波衰減測量系統中鎖相放大器參考信號產生裝置，其特徵在於，所述毫米波諧波混頻器的一輸入端連接有第一本振源，所述中頻基波混頻器的一輸入端連接有第二本振源。
4.根據權利要求3所述的毫米波衰減測量系統中鎖相放大器參考信號產生裝置，其特徵在於，所述第一本振源、第二本振源與所述毫米波信號源採用共時基方式連接。
5.根據權利要求4所述的毫米波衰減測量系統中鎖相放大器參考信號產生裝置，其特徵在於，所述感應分壓器的輸出阻抗小於0. 5 Q ,鎖相放大器輸入阻抗大於IMQ。
6.毫米波衰減測量系統中鎖相放大器參考信號產生方法，其特徵在於，該方法為 1)將毫米波信號源輸入第一隔離衰減器的輸入端，所述第一隔離衰減器還依次連接有第二隔離衰減器、毫米波諧混頻器、第一中頻放大器、帶通濾波器、中頻基波混頻器、第二中頻放大器、感應分壓器，所述感應分壓器的信號輸出端接入BNC連接器，該BNC連接器將輸出信號分成參考信號和被測信號，所述參考信號接入鎖相放大器的一信號輸入端，所述被測信號接入中頻高阻放大器的信號輸入端，該中頻高阻放大器的信號輸出端再連接至鎖相放大器的另一信號輸入端； 2)用鎖相放大器測量被測信號的某一幅度值，記下此時感應分壓器各個盤的數值Al、A2......、A8，得出感應分壓器的分壓比AOsAlXlOiASXKT2+......+A8X1(T8 ； 3)將毫米波信號源輸入第一隔離衰減器的輸入端，所述第一隔離衰減器的輸出端連接被測衰減器的輸入端，被測衰減器的輸出端連接有第二隔離衰減器，該第二隔離衰減器的輸出端依次連接毫米波諧混頻器、第一中頻放大器、帶通濾波器、中頻基波混頻器、第二中頻放大器、感應分壓器，所述感應分壓器的信號輸出端連接BNC連接器，該BNC連接器將輸出信號分成參考信號和被測信號，所述參考信號接入鎖相放大器的一信號輸入端，所述被測信號接入中頻高阻放大器的信號輸入端，該中頻高阻放大器的信號輸出端再連接至鎖相放大器的另一信號輸入端； 4)用鎖相放大器測量被測信號的幅度值，當該幅度值與所述步驟2中的幅度值相同時，記下此時感應分壓器各個盤的數值Al'、A2'……、A8'，得出感應分壓器的分壓比Dl=Al' X 10^2' X10_2+......+A8' X 10_8 ; 5)計算該衰減測量系統的衰減量A=201og1(l(D1ZDtl) dB，得到鎖相放大器的參考信號。
7.根據權利要求5所述的毫米波衰減測量系統中鎖相放大器參考信號產生方法，其特徵在於，所述毫米波諧波混頻器的一輸入端連接有第一本振源，所述中頻基波混頻器的一輸入端連接有第二本振源。
8.根據權利要求6所述的毫米波衰減測量系統中鎖相放大器參考信號產生方法，其特徵在於，所述第一本振源、第二本振源與所述毫米波信號源採用共時基方式連接。
全文摘要
本發明涉及毫米波衰減測量系統鎖相放大器參考信號產生裝置及方法，該裝置包括依次連接的毫米波信號源、第一隔離衰減器、第二隔離衰減器、毫米波諧波混頻器、第一中頻放大器、帶通濾波器、中頻基波混頻器、第二中頻放大器、感應分壓器，所述感應分壓器還分別連接有鎖相放大器和第三中頻放大器，該中頻放大器的輸出端連接至所述鎖相放大器的輸入端。本發明參考信號產生裝置及產生方法能確保鎖相放大器的測量準確度，同時該裝置中只需一個毫米波混頻器就能完成參考信號的產生，大大降低了毫米波衰減測量系統的成本。
文檔編號H04B17/00GK102752061SQ20121019889
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月14日 優先權日2012年6月14日
發明者劉傑, 張國華, 陳婷 申請人:北京無線電計量測試研究所