CN112564628B - 一种宽频带高本振抑制度的调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带高本振抑制度的调制器，该调制器包括：调制信号产生模块、本振信号产生模块、MCU、本振抑制校准模块和调制输出模块；调制信号产生模块包括顺序串联连接的中频信号输入模块和I、Q混频器1；本振信号产生模块包括顺序串联连接的宽带频率合成器、功放&衰减模块1、功分模块，本振抑制校准模块包括顺序串联连接的负压模块、I、Q混频器2和幅度调整模块，调制输出模块包括顺序串联连接的合路器和功放&衰减模块2；调制信号产生模块中输出的宽带调制信号和本振抑制校准模块中的反相本振作为合路器的输入端。该调制器用于宽带发射机及宽带高性能仪表中，具有宽频带、高本振抑制度的特点。
Description
技术领域
本发明属于微波/毫米波器件技术领域，涉及宽频带的测试仪表，尤其涉及一种高本振抑制度的宽带直接调制器。
背景技术
随着现在电子与通信***的迅速发展，特别是5G普及以来，对无线通信测试仪器的要求也在不断提高。常用的无线通信宽带测试仪器有网络分析仪、频谱仪、扫频仪及信号源等。这些测试仪器一直被西方国家进行技术垄断，国内测试仪器的发展相对比较缓慢且落后。其中，调制器作为无线通信测试仪器的重要组成部件，调制器的带宽、噪声性能、本振抑制度、边带抑制度直接影响了无线测试仪器的性能。提出高性能的调制器的设计方法变得至关重要。
直接调制器具有结构简单、组合频率干扰少、易于集成的特点，因此在宽带测试仪器的设计中一直被广泛采用。由于直接调制具有本振泄露、I、Q失配的严重缺点，导致目前商用的直接调制器的调制带宽较窄、输出频率范围较窄，因此提出具有宽调制带宽的高性能宽带直接调制器的方法变得至关重要。
本发明提出了一种宽频带、高本振抑制度的调制器的设计方法，该方法取代无线测试仪表中的调制器，具有低相噪、高本振抑制度、高边带平衡度的优点。
发明内容
技术问题：作为无线通信测试仪表中的重要部件，本发明提出了一种宽频带高本振抑制度调制器的实现方法和实验装置，可设计出具有低相噪、宽频带、高本振抑制度、高边带平衡度性能的调制器，可以有效降低测试仪表的成本，提高测试仪表的测试精度。
技术方案：本发明的一种宽频带高本振抑制度的调制器，该调制器包括：调制信号产生模块、本振信号产生模块、MCU、本振抑制校准模块和调制输出模块；
所述调制信号产生模块包括顺序串联连接的中频信号输入模块和I、Q混频器1，该模块产生宽带调制信号；
所述本振信号产生模块包括顺序串联连接的宽带频率合成器、功放&衰减模块1、功分模块，该模块产生供给调制信号产生模块所需的本振1信号和抑制校准模块所需的本振2信号
所述本振抑制校准模块包括顺序串联连接的负压模块、I、Q混频器2和幅度调整模块，该模块产生反相本振信号；
所述调制输出模块包括顺序串联连接的合路器和功放&衰减模块2；所述调制信号产生模块中输出的宽带调制信号和本振抑制校准模块中的反相本振作为合路器的输入端。
所述调制信号产生模块输出的宽带调制信号与本振抑制校准模块输出的反相本振经合成以抑制调制信号的本振信号，具体实现方法为，利用调制信号产生模块中的I、Q混频器1将本振信号产生模块中产生的本振1与中频I、Q信号混频得到宽带调制信号，本振抑制校准模块产生与调制信号产生模块中本振反相的信号，并经过幅度调整模块对反相本振信号的幅度进行调整，得到理想功率的本振反相信号；将两路输出信号通过微带功率合成器合路以抑制调制信号中的本振分量，最终实现输出宽频带高本振抑制度的调制器。
所述调制信号产生模块中，来自本振信号产生模块中产生的本振1与中频信号输入模块中的正交中频信号通过I、Q混频器1混频得到宽带调制信号；本振抑制校准模块中的负压模块产生可调的负压值作为I、Q混频器2的中频输入信号，该负压信号与本振信号产生模块中的本振2混频得到反相的本振信号，再经过本振抑制校准模块中的幅度调整模块对反相本振的幅度进行调整并输出反相本振；两路输出信号通过调制输出模块中的宽带合路器合路输出，并通过功放&衰减模块2得到幅度可调的宽频带高本振抑制度的调制信号；调制信号的带宽范围为DC～5GHz；调制信号产生模块的中频信号输入范围为DC～5GHz，即所述的调制信号范围为DC～5GHz；调制信号与本振信号经过I、Q混频，通过调制信号产生模块与本振抑制校准模块合路输出宽带调制信号，该信号的频率范围为6GHz～28GHz。
所述本振抑制校准模块中的负压模块由高位数精密DAC电路与运放电路组成；DAC电路产生低噪声、大小精确可调的直流电压，并通过运放反相电路产生负直流电压作为本振抑制校准模块中I、Q混频器2中频输入信号，从而实现宽频带的180度的精准相移；所述I、Q混频器2采用负直流电压加载入I、Q混频器2，产生与调制信号产生模块中的本振信号有180度相移的本振校准信号。
所述功放&衰减模块1和功放&衰减模块2都包括宽频带步进衰减器与功率放大器，工作频率范围为6GHz～28GHz。其中本振信号产生模块中的功放&衰减模块1与调制输出模块中的功放&衰减模块2，电路形式是相同；本振信号通过功放&衰减模块1将功率调至理想大小，具体实现方法是通过宽频功率放大器将本振信号放大，并通过可控的步进衰减器将功率大小调整到环路最优，最终本振抑制校准模块的输出信号作为一路合路信号；为保持输入输出端动态平衡，在功放的前后两端各放置数控衰减器1和数控衰减器2。
所述本振信号产生模块中的功分模块与调制输出模块中的合路器通用；采用六阶威尔金森结构，其工作频率范围为5GHz～30GHz，隔离度高；频率范围为6～28GHz的本振信号通过功率&衰减模块1后通过功分模块产生两路功率大小相等、相位相同的两路信号本振1和本振2分别作为本振抑制校准模块与调制信号产生模块的本振信号；通过合路器将调制信号产生模块产生的宽带调制信号与本振抑制校准模块产生的反相本振的两路信号合路，产生***最终射频输出信号；功分模块与合路器的幅度平衡度、相位平衡度、隔离度影响合成射频信号的本振抑制性能。
所述本振抑制校准模块中的负压模块是由DAC的控制电路和运放电路组成的，即所述负压模块主要包括LDO_I、LDO_Q、DAC_I、DAC_Q、运放I和运放Q组成；负压模块为本振抑制校准模块提供低噪声且大小精确可控的负直流电压作为中频输入信号，负压与本振信号混频可得到反相本振信号；负压模块工作方法是，LDO产生低噪声稳定的电压作为DAC的供电电压，MCU产生的SPI信号作为DAC的输入信号控制DAC以输出精确模拟电压，DAC的输出电压作为反相运放电路的输入信号，最后运放电路输出的负压作为本振抑制校准模块的中频输入信号。
所述本振信号产生模块中的功放&衰减模块1主要包括数控衰减器和放大器，实现可变增益功能；幅度调整模块的功能是将接收到的反相本振输入信号进行可控衰减输出，通过输入控制字改变衰减值，观察***输出性能，确定在特定频点处的衰减最优值，幅度调整模块的输出反相本振作为一路合路信号。
所述调制信号产生模块中的中频信号输入模块主要包括中频自动增益控制电路，工作频率范围为DC～5GHz；中频信号输入模块的功能是为调制信号产生模块提供调制信号，来自基带I和基带Q信号，经过中频自动增益控制电路各自放大输出，输出的I、Q信号幅度可调，可以进一步抑制I、Q混频器的输出的本振信号。
所述MCU发出控制信号对功放&衰减模块1和2中的数控衰减器进行控制，将功率大小调整到模块最优值；由MCU发出SPI信号对负压模块中的高精度DAC_I和DAC_Q进行控制，通过精准调整负压大小来调整反相本振信号的大小。通过MCU的控制，使本振信号产生模块、本振抑制校准模块、调制输出模块的功率输出精准可调，进而实现宽频带高本振抑制度的调制器。
有益效果：本发明的一种宽频带高本振抑制度的调制器提出的实现方法可用于点对点微波无线电雷达、宽带***仪器仪表以及自动测试设备中。宽频带高本振抑制度的调制器的实验装置输出频率范围为5GHz～28GHz，可以覆盖第五代移动通信***的毫米波频段，所提出的实验方法理论上可以拓展到任意频段，可作为应用于6G移动通信***的调制器的设计方法。
附图说明
图1为宽频带高本振抑制度调制器的实现框图。
图2为宽频带高本振抑制度调制器的实验装置。
具体实现方式
本发明提出的一种频带高本振抑制度调制器的实现方法，主要技术方案如下：
1)调制器包括：调制信号产生模块、本振信号产生模块、本振抑制校准模块、调制输出模块和MCU；所述调制信号产生模块包括顺序串联连接的中频信号输入模块和I、Q混频器1，该模块产生宽带调制信号；所述本振信号产生模块包括顺序串联连接的宽带频率合成器、功放&衰减模块1、功分模块，该模块产生供给调制信号产生模块所需的本振1和本振抑制校准模块所需的本振2；所述本振抑制校准模块包括顺序串联连接的负压模块、I、Q混频器2和幅度调整模块，该模块产生反相本振信号；所述调制输出模块包括顺序串联连接的合路器和功放&衰减模块2；所述调制信号产生模块中输出的宽带调制信号和本振抑制校准模块中的反相本振作为合路器的输入端。
2)采用调制信号产生模块输出的宽带调制信号与本振抑制校准模块输出的反相本振经合成以抑制调制信号的本振信号的方法，该方法适用于任何频段的宽带调制器的实现。具体的实现方法为，利用调制信号产生模块中的I、Q混频器1将本振信号产生模块中产生的本振1与中频信号混频得到宽带调制信号。由于该信号中存在泄露的本振信号，不满足高性能宽带调制信号的要求。本振抑制校准模块产生与调制信号产生模块中本振反相的信号，并经过幅度调整模块对反相本振信号的幅度进行调整，得到理想功率的本振反相信号。将两路输出信号通过微带功率合成器合路以抑制调制信号中的本振分量，最终实现输出宽频带高本振抑制度的调制器。
3)在调制信号产生模块中，来自本振信号产生模块中产生的本振1与中频信号输入模块中的正交中频信号通过I、Q混频器1混频得到宽带调制信号；本振抑制校准模块中的负压模块产生可调的负压值作为I、Q混频器2的中频输入信号，该负压信号与本振信号产生模块中的本振2混频得到反相的本振信号，再经过本振抑制校准模块中的幅度调整模块对反相本振的幅度进行调整并输出反相本振。两路输出信号通过调制输出模块中的宽带合路器合路输出，并通过功放&衰减模块2得到幅度可调的宽频带高本振抑制度的调制信号。
4)采用负直流电压加载入I、Q混频器2，产生与调制信号产生模块中的本振信号有180度相移的本振校准信号。目前商用移相器很难实现超宽带范围内的180度的精准移相。
5)负压模块主要由高位数精密DAC电路与运放电路组成。DAC电路产生低噪声、大小精确可调的直流电压，并通过运放反相电路产生负直流电压作为本振抑制校准模块中I、Q混频器2中频输入信号，从而实现宽频带的180度的精准相移。
6)调制信号的带宽范围为DC～5GHz。调制信号产生模块的中频信号输入范围为DC～5GHz，即本发明所述的实验装置调制信号范围为DC～5GHz。调制信号与本振信号经过I、Q混频，通过调制信号产生模块与本振抑制校准模块合路输出宽带调制信号，该信号的频率范围为6GHz～28GHz。
7)所述功放&衰减模块1和2都包括宽频带步进衰减器与功率放大器，工作频率范围为6GHz～28GHz。其中本振信号产生模块中的功放&衰减模块1与调制输出模块中的功放&衰减模块2，电路形式是相同。本振信号通过功放&衰减模块1将功率调至理想大小，具体实现方法是通过宽频功率放大器将本振信号放大，并通过可控的步进衰减器将功率大小调整到环路最优，最终本振抑制校准模块的输出信号作为一路合路信号。为保持输入输出端动态平衡，在功放的前后两端各放置数控衰减器1和数控衰减器2。
8)所述本振信号产生模块中的功分模块与调制输出模块中的合路器通用。采用六阶威尔金森结构，其工作频率范围为5GHz～30GHz，隔离度高。频率范围为6～28GHz的本振信号通过功率&衰减模块1后通过功分模块产生两路功率大小相等、相位相同的两路信号本振1和本振2分别作为本振抑制校准模块与调制信号产生模块的本振信号。通过合路器将调制信号产生模块产生的宽带调制信号与本振抑制校准模块产生的反相本振的两路信号合路，产生***最终射频输出信号。功分模块与合路器的幅度平衡度、相位平衡度、隔离度影响合成射频信号的本振抑制性能。
9)本振抑制校准模块中的负压模块是由DAC的控制电路和运放电路组成的，即所述负压模块主要包括LDO_I、LDO_Q、DAC_I、DAC_Q、运放I和运放Q组成。负压模块功能是为本振抑制校准模块提供低噪声且大小精确可控的负直流电压作为中频输入信号。负压与本振信号混频可得到反相本振信号。负压模块工作方法是，LDO产生低噪声稳定的电压作为DAC的供电电压，MCU产生的SPI信号作为DAC的输入信号控制DAC以输出精确模拟电压。DAC的输出电压作为反相运放电路的输入信号，最后运放电路输出的负压作为本振抑制校准模块的中频输入信号。负压的大小及噪声性能决定***输出性能，因此采用轨对轨输出、低噪声的运算放大器，采用低噪声、精度高且轨对轨输出的DAC芯片，采用低噪声的稳压芯片给有源芯片供电，确保负压具有低噪声性能，并且大小精确可调。
10)所述本振信号产生模块中的功放&衰减模块1主要包括数控衰减器和放大器，实现可变增益功能。幅度调整模块的功能是将接收到的反相本振输入信号进行可控衰减输出。通过输入控制字改变衰减值，观察***输出性能，确定在特定频点处的衰减最优值。幅度调整模块的输出反相本振作为一路合路信号。
11)所述调制信号产生模块中的中频信号输入模块主要包括中频自动增益控制电路，工作频率范围为DC～5GHz。中频信号输入模块的功能是为调制信号产生模块提供调制信号。来自基带I和基带Q信号，经过中频自动增益控制电路(IFAGC_I和IFAGC_Q)各自放大输出，输出的I、Q信号幅度可调，可以进一步抑制I、Q混频器的输出的本振信号。
12)由MCU发出控制信号对功放&衰减模块1和2中的数控衰减器进行控制，将功率大小调整到模块最优值；由MCU发出SPI信号对负压模块中的高精度DAC_I和DAC_Q进行控制，通过精准调整负压大小来调整反相本振信号的大小。通过MCU的控制，使本振信号产生模块、本振抑制校准模块、调制输出模块的功率输出精准可调，进而实现宽频带高本振抑制度的调制器。
所提出的频带高本振抑制度调制器可用于点对点微波无线电雷达、宽带***仪器仪表以及自动测试设备中。宽频带高本振抑制度的调制器的实验装置输出频率范围为5GHz～28GHz，可以覆盖第五代移动通信***的毫米波频段，所提出的实验方法理论上可以拓展到任意频段，可作为应用于6G移动通信***的调制器的设计方法。
宽频带、高本振抑制度调制器的实现方法和实验装置，调制器包括：调制信号产生模块、本振信号产生模块、本振抑制校准模块、调制输出模块和MCU。
本振信号产生模块包含宽带频率合成器、功放&衰减模块1、威尔金森结构的功分器，其中功放&衰减模块1由数控衰减器与功率放大器组成；调制信号产生模块包含中频信号输入模块、I、Q混频器1，其中中频信号输入模块中频可变增益放大器组成；本振抑制校准模块包含负压模块、幅度调整模块及I、Q混频器2，其中负压模块由LDO、可控DAC电路和运算放大器组成，幅度调整模块由数控衰减器3组成；调制输出模块包含威尔金森结构的宽频合路器及功放&衰减模块2，其中功放&衰减模块2由数控衰减器与功率放大器组成。
本振信号产生模块得到大小可控的频带范围为6GHz～28GHz的宽频本振输入信号作为功分器的输入端。功分器生成两路大小相等、相位相同的射频信号作为本振抑制校准模块与调制信号产生模块的I、Q混频器的本振输入信号。其中，调制信号产生模块包括I、Q混频器1与中频信号输入模块。在中频信号输入模块中，将基带来的I信号和Q信号经过中频可变放大器对信号的幅度进行调整，输出频率范围为DC～5GHz的正交信号，并与本振信号I、Q混频得到宽带调制信号。本振抑制校准模块包括负压模块、I、Q混频器2及幅度调整模块。负压模块通过可控的DAC模块和具有轨对轨输出性能的运放电路产生低噪声、精确可调的负直流电压。利用负直流电压与本振信号混频得到反相本振信号，数控衰减器将本振反相信号衰减到理想幅值。将调制信号产生模块输出的宽带调制信号与本振抑制校准模块产生的反相本振经信号合路输出，由于两路信号的本振分量相位相反、幅值相近，本振分量被抑制，最终得到高本振抑制度的射频调制信号。
Claims (8)
1.一种宽频带高本振抑制度的调制器，其特征在于，该调制器包括：调制信号产生模块、本振信号产生模块、MCU、本振抑制校准模块和调制输出模块；
所述调制信号产生模块包括顺序串联连接的中频信号输入模块和I、Q混频器1，该模块产生宽带调制信号；
所述本振信号产生模块包括顺序串联连接的宽带频率合成器、功放&衰减模块1、功分模块，该模块产生供给调制信号产生模块所需的本振1信号和本振抑制校准模块所需的本振2信号；
所述本振抑制校准模块包括顺序串联连接的负压模块、I、Q混频器2和幅度调整模块，该模块产生反相本振信号；
所述调制输出模块包括顺序串联连接的合路器和功放&衰减模块2；所述调制信号产生模块中输出的宽带调制信号和本振抑制校准模块中的反相本振作为合路器的输入端；
所述本振抑制校准模块中的负压模块是由DAC的控制电路和运放电路组成的，即所述负压模块主要包括LDO_I、LDO_Q、DAC_I、DAC_Q、运放I和运放Q组成；负压模块为本振抑制校准模块提供低噪声且大小精确可控的负直流电压作为中频输入信号，负压与本振信号混频可得到反相本振信号；负压模块工作方法是，LDO产生低噪声稳定的电压作为DAC的供电电压，MCU产生的SPI信号作为DAC的输入信号控制DAC以输出精确模拟电压，DAC的输出电压作为反相运放电路的输入信号，最后运放电路输出的负压作为本振抑制校准模块的中频输入信号；
所述MCU发出控制信号对功放&衰减模块1和2中的数控衰减器进行控制，将功率大小调整到模块最优值；由MCU发出SPI信号对负压模块中的高精度DAC_I和DAC_Q进行控制，通过精准调整负压大小来调整反相本振信号的大小；通过MCU的控制，使本振信号产生模块、本振抑制校准模块、调制输出模块的功率输出精准可调，进而实现宽频带高本振抑制度的调制器。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带高本振抑制度的调制器，其特征在于，所述调制信号产生模块输出的宽带调制信号与本振抑制校准模块输出的反相本振经合成以抑制调制信号的本振信号，具体实现方法为，利用调制信号产生模块中的I、Q混频器1将本振信号产生模块中产生的本振1与中频I、Q信号混频得到宽带调制信号，本振抑制校准模块产生与调制信号产生模块中本振反相的信号，并经过幅度调整模块对反相本振信号的幅度进行调整，得到理想功率的本振反相信号；将两路输出信号通过微带功率合成器合路以抑制调制信号中的本振分量，最终实现输出宽频带高本振抑制度的调制器。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽频带高本振抑制度的调制器，其特征在于，所述调制信号产生模块中，来自本振信号产生模块中产生的本振1与中频信号输入模块中的正交中频信号通过I、Q混频器1混频得到宽带调制信号；本振抑制校准模块中的负压模块产生可调的负压值作为I、Q混频器2的中频输入信号，负压信号与本振信号产生模块中的本振2混频得到反相的本振信号，再经过本振抑制校准模块中的幅度调整模块对反相本振的幅度进行调整并输出反相本振；两路输出信号通过调制输出模块中的宽带合路器合路输出，并通过功放&衰减模块2得到幅度可调的宽频带高本振抑制度的调制信号；调制信号的带宽范围为DC~5GHz；调制信号产生模块的中频信号输入范围为DC~5GHz，即所述的调制信号范围为DC~5GHz；调制信号与本振信号经过I、Q混频，通过调制信号产生模块与本振抑制校准模块合路输出宽带调制信号，该信号的频率范围为6GHz~28GHz。
4.根据权利要求1所述的一种宽频带高本振抑制度的调制器，其特征在于，所述本振抑制校准模块中的负压模块由高位数精密DAC电路与运放电路组成；DAC电路产生低噪声、大小精确可调的直流电压，并通过运放反相电路产生负直流电压作为本振抑制校准模块中I、Q混频器2中频输入信号，从而实现宽频带的180度的精准相移；所述I、Q混频器2采用负直流电压加载入I、Q混频器2，产生与调制信号产生模块中的本振信号有180度相移的本振校准信号。
5.根据权利要求1所述的一种宽频带高本振抑制度的调制器，其特征在于，所述功放&衰减模块1和功放&衰减模块2都包括宽频带步进衰减器与功率放大器，工作频率范围为6GHz~28GHz；其中本振信号产生模块中的功放&衰减模块1与调制输出模块中的功放&衰减模块2，电路形式是相同；本振信号通过功放&衰减模块1将功率调至理想大小，具体实现方法是通过宽频功率放大器将本振信号放大，并通过可控的步进衰减器将功率大小调整到环路最优，最终本振抑制校准模块的输出信号作为一路合路信号；为保持输入输出端动态平衡，在功放的前后两端各放置数控衰减器1和数控衰减器2。
6.根据权利要求1所述的一种宽频带高本振抑制度的调制器，其特征在于，所述本振信号产生模块中的功分模块与调制输出模块中的合路器通用；采用六阶威尔金森结构，其工作频率范围为5GHz~30GHz，隔离度高；频率范围为6~28GHz的本振信号通过功率&衰减模块1后通过功分模块产生两路功率大小相等、相位相同的两路信号本振1和本振2分别作为本振抑制校准模块与调制信号产生模块的本振信号；通过合路器将调制信号产生模块产生的宽带调制信号与本振抑制校准模块产生的反相本振的两路信号合路，产生***最终射频输出信号；功分模块与合路器的幅度平衡度、相位平衡度、隔离度影响合成射频信号的本振抑制性能。
7.根据权利要求1所述的一种宽频带高本振抑制度的调制器，其特征在于，所述本振信号产生模块中的功放&衰减模块1主要包括数控衰减器和放大器，实现可变增益功能；幅度调整模块的功能是将接收到的反相本振输入信号进行可控衰减输出，通过输入控制字改变衰减值，观察***输出性能，确定在特定频点处的衰减最优值，幅度调整模块的输出反相本振作为一路合路信号。
8.根据权利要求1所述的一种宽频带高本振抑制度的调制器，其特征在于，所述调制信号产生模块中的中频信号输入模块主要包括中频自动增益控制电路，工作频率范围为DC~5GHz；中频信号输入模块的功能是为调制信号产生模块提供调制信号，来自基带I和基带Q信号，经过中频自动增益控制电路各自放大输出，输出的I、Q信号幅度可调，可以进一步抑制I、Q混频器的输出的本振信号。
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