CN203632646U - 一种微波宽带频率合成模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种微波宽带频率合成模块，由输入参考信号（1）、输入参考信号（2）、鉴相器(3)，环路滤波器(4)，线性调节电路(5)、开关电路(6)，VCO(7)、VCO(8)、耦合器(9)、射频放大器(10)、射频放大器(11)、分频器(12)、开关电路(13)、分频器(14)、分频器(15)、开关电路(16)、低通滤波器(17)、低通滤波器(18)、开关电路(19)、混频器(20)、带通滤波器(21)、开关电路(22)、中频放大器(23)、控制单元(24)、电源模块(25)组成。采用上述方案，使得锁相环的输出频率覆盖范围能达到5～12GHz，远远超过了现有的频率合成器的输出频率范围。

Description

一种微波宽带频率合成模块

技术领域

本实用新型属于微波宽带频率合成技术领域，尤其涉及的是一种微波宽带频率合成模块。

背景技术

伴随测量技术的飞速发展，各种复杂信号的测量越来越需要高性能的测量仪器，人们对各种测量仪器的测量范围、频率准确度提出越来越高的要求，而决定着测量仪器性能的一个关键技术就是本振源电路的设计，因此人们在设计上不断设法提高本振信号源的性能。本振源电路一般由频率合成器来实现，它应具有频段宽、频率高、低相噪等特点。

目前频率合成技术有很多，但其基本构成都是一个锁相环电路，锁相环电路主要由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器等部分组成。电路设计中首先将压控振荡器的输出信号经过分频器分频，然后输入鉴相器与基准参考信号进行鉴相，再经过环路滤波器形成压控振荡器的调谐电压，来调整压控振荡器的输出信号频率，当分频后的信号与参考信号一致时，输出信号保持稳定。通过调整变频器的分频比，就能够得到不同频率的输出信号。对于微波段的频率，为了降低输出信号的相位噪声，不能有太高的分频比，因此采用锁相环电路与外差电路相结合的方式，将压控振荡器的输出信号与另一基准参考信号混频变为较低的频率，再进行分频，这样就可以得到纯正度更高的信号，为了拓宽输出信号的频率范围，输入混频器的参考信号必须是可变的。另外，输出信号的精度与参考信号的精度有关，为了提高输出信号的精度，可以让鉴相器的参考信号以很小的步进量改变，实现高准确度的输出信号。

现有技术有以下三个方面的不足：

其一：频率合成器的输出信号频率不高，而且频率范围过窄，不能够满足本振源的频率要求，有的电路为了达到较宽的输出频率范围，用多个锁相环电路和开关选择电路组合实现，这种做法所需的电路结构设计复杂，增加了电路空间和成本，调试工作量随之加大，不利于后期的研发和生产工作。

其二：有的频率合成器能够达到本振源的频率要求，但存在相位噪声差、步进量不够等问题，影响了整机的性能指标。

其三：设计如此高频段的频率合成电路，往往将整个频率合成电路做成一个微波组件，用屏蔽盒包住整个组件，只留出输入和输出信号端口，这样能够避免空间辐射和信号衰减的影响，保证信号质量。但是由于整个电路处于屏蔽盒内，并且采用很多微波电路，同样存在着调试困难，成本高等问题。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种微波宽带频率合成模块。

本实用新型的技术方案如下：

一种微波宽带频率合成模块，由第一输入参考信号（1）、第二输入参考信号（2）、鉴相器(3)，环路滤波器（4），线性调节电路（5）、开关电路（6），VCO（7）、VCO（8）、开关电路（9），耦合器（10）、射频放大器（11）、射频放大器(12)、分频器(13)、开关电路(14)、分频器(15)、分频器(16)、开关电路(17)、低通滤波器(18)、低通滤波器(19)、开关电路(20)、混频器(21)、带通滤波器(22)、开关电路(23)、中频放大器(24)、控制单元(25)、电源模块（26）组成;其中第一输入参考信号（1）的输出端口与鉴相器（3）的第一输入端口连接，鉴相器（3）的第三输出端口与环路滤波器（4）的第一输入端口连接，环路滤波器（4）的第二输出端口与线性调节电路（5）的输入端口连接，线性调节电路（5）的输出端口与开关电路（6）的第一输入端口连接，开关电路（6）的第二输出端口与VCO（7）的第一输入端口连接，开关电路（6）的第三输出端口与VCO（8）的第一输入端口连接，VCO（7）第二输出端口与开关电路（9）的第二输入端口连接，VCO（8）第二输出端口与开关电路（9）的第三输入端口连接，开关电路（9）的第一输出端口与耦合器（10）的第一输入端口连接，耦合器（10）的第二输出端口与射频放大器（11）的第一输入端口连接，耦合器（10）的第三输出端口与射频放大器（12）的第一输入端口连接，射频放大器(12)的第二输出端口与分频器（13）的第一输入端口连接，分频器(13)的第二输出端口与开关电路（14）的第一输入端口连接，开关电路(14)的第二输出端口与分频器（15）的第一输入端口连接，开关电路(14)的第三输出端口与开关电路（17）的第一输入端口连接，分频器(15)的第二输出端口与分频器(16)的第一输入端口连接，分频器（16）的第二输出端口与开关电路（23）的第三输入端口连接，开关电路（17）的第二输出端口与低通滤波器（18）的第一输入端口连接，低通滤波器（18）的第二输出端口与开关电路(20)的第二输入端口连接，开关电路（17）的第三输出端口与低通滤波器（19）的第一输入端口连接，低通滤波器（19）的第二输出端口与开关电路(20)的第三输入端口连接，开关电路(20)的第一输出端口1与混频器(21)的第二输入端口连接，输入参考信号（2）的输出端口与带通滤波器(22)的第一输入端口连接，带通滤波器(22)的第二输出端口与混频器(21)的第一输入端口连接，混频器(21)的第三输出端口与开关电路（23）的第二输入端口连接，开关电路（23）的第一输出端口与中频放大器（24）的第一输入端口连接，中频放大器(24)的第二输出端口与鉴相器（3）的第二输入端口连接。

采用上述方案：1、电路中采用的双VCO的方式，使得锁相环的输出频率覆盖范围能达到5～12GHz，远远超过了现有的频率合成器的输出频率范围；2、整个本振模块采用PXI总线3U尺寸的结构，由3块普通的电路板实现，避免了以往的微波组件同PCB电路组合的方式，节省了电路成本和设计空间，也方便了电路调试。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明克服现有技术的不足，设计的宽带频率合成电路能够产生高稳定的扫频本振源，该合成电路结构简单，稳定性强，通过超外差电路的降频方式，有效降低了环路分频比，从而提高了本振信号的相噪比。同时，电路存在着两个VCO，通过开关电路来选择不同的VCO来参加频率合成，大大拓宽了频率合成电路的输出本振信号的范围，其频率范围可达到5GHz---12GHz。另外，鉴相参考信号通过数字扫频技术获得，这使得本振源信号有足够小的步进量，最小频率步进可达到1Hz。整个本振模块由3块PCB电路板组合实现，打破了以往微波波段频率合成电路采用的PCB电路板与VCO微波件组合的方式，设计方法新颖，具有方便电路调试，节省成本的优点。

频率合成电路结构如图所示，本发明由第一输入参考信号1、第二输入参考信号2、鉴相器3，环路滤波器4，线性调节电路5、开关电路6，VCO7、VCO8、开关电路9，耦合器10、射频放大器11、射频放大器12、分频器13、开关电路14、分频器15、分频器16、开关电路17、低通滤波器18、低通滤波器19、开关电路20、混频器21、带通滤波器22、开关电路23、中频放大器24、控制单元25、电源模块26组成。

其中第一输入参考信号1的输出端口与鉴相器3的输入端口1连接，鉴相器3的输出端口3与环路滤波器4的输入端口1连接，环路滤波器4的输出端口2与线性调节电路5的输入端口连接，线性调节电路5的输出端口与开关电路6的输入端口1连接，开关电路6的输出端口2与VCO7的输入端口1连接，开关电路6的输出端口3与VCO8的输入端口1连接，VCO7输出端口2与开关电路9的输入端口2连接，VCO8输出端口2与开关电路9的输入端口3连接，开关电路9的输出端口1与耦合器10的输入端口1连接，耦合器10的输出端口2与射频放大器11的输入端口1连接，耦合器10的输出端口3与射频放大器12的输入端口1连接，射频放大器12的输出端口2与分频器13的输入端口1连接，分频器13的输出端口2与开关电路14的输入端口1连接，开关电路14的输出端口2与分频器15的输入端口1连接，开关电路14的输出端口3与开关电路17的输入端口1连接，分频器15的输出端口2与分频器16的输入端口1连接，分频器16的输出端口2与开关电路23的输入端口3连接，开关电路17的输出端口2与低通滤波器18的输入端口1连接，低通滤波器18的输出端口2与开关电路20的的输入端口2连接，开关电路17的输出端口3与低通滤波器19的输入端口1连接，低通滤波器19的输出端口2与开关电路20的的输入端口3连接，开关电路20的的输出端口1与混频器21的输入端口2连接，输入参考信号2的输出端口与带通滤波器22的输入端口1连接，带通滤波器22的输出端口2与混频器21的输入端口1连接，混频器21的输出端口3与开关电路23的输入端口2连接，开关电路23的输出端口1与中频放大器24的输入端口1连接，中频放大器24的输出端口2与鉴相器3的输入端口2连接，控制单元25和电源模块26与各部件相应端口连接。

第一输入参考信号1由数字分频的锁相环路产生，用来作为本振环路鉴相器3的参考频率，它的特征是相噪低，步进小，输出频率范围为20～50MHz，它使得本振源信号的最小步进频率能达到1Hz；输入参考信号2也是由锁相环路产生，它的输出是具200-220MHz范围内的参考频率，它通过混频方式与本振信号进行混频，降低了本振环路的分频比，有效提高了本振输出信号的相位噪声性能。鉴相器3的作用是将输入参考信号1与本振信号经过分频、降频后的信号进行相位比较，环路滤波器4能够对鉴相器3的输出电压进行滤除，减小纹波电压对输出信号的影响；线性调节电路5对输出电压进行调整，使其满足压控振荡器的输入电压要求；开关电路6用来选择不同的VCO来进行锁相，它是通过控制两个VCO的电源电压和输出通道的选择来实现的，开关电路的隔离度要足够高，保证输出信号的纯正性；VCO1、VCO2两个压控振荡器的输出频率不同，两者结合在一起的覆盖范围可以达到5～12GHz，通过开关电路选择不同的VCO来参加频率合成，达到拓宽频率范围的目的；由于输出信号频率较高，为了减小功率损耗，耦合器10采用了微带线耦合的方式，输出信号分为两路，一路通过射频放大器10作为本振信号输出，另外一路反馈用作频率合成使用；射频放大器12的作用是将耦合器10的输出信号放大至分频器13所需的功率电平；分频器15、16分别完成输入信号的1/8分频、1/16分频，分频后的信号进入鉴相器3，由于分频比过高会影响输出信号的信噪比，因此环路中采用了另外一种锁相的方案，通过开关电路14、17、20、23的选择，将2分频后的本振信号分别经过低通滤波器18、19后与输入参考信号2的谐波进行混频，低通滤波器18、19能够滤除分频输出信号中所含的高频信号，提高信号质量，降低干扰；混频器21的作用是实现输入射频信号的相减，参考信号2的谐波与本振信号分频后的信号进行差频，输出的差频信号进入鉴相器3同输入参考信号1进行比较鉴相；带通滤波器22对输入的参考信号2进行滤波，除去输入信号中的杂散信号，以免这些信号及其谐波对本振信号产生调制干扰；中频放大器24的作用是对混频器21的输出信号进行放大以提高信号电平，以满足鉴相器3的工作要求。控制单元25根据***设置的频率来计算出需要的本振源频率和参考频率值，并控制参考信号1和参考信号2输出相应的信号，供本振频率合成使用，同时控制开关电路和VCO电源电路来选择不同的VCO来参加频率合成；电源模块26为各个部件提供直流工作电压，主要有+15V、－5V、+5V。

本发明的工作原理如下：首先接通电源，根据设置的频率值计算出需要的本振频率值以及相应的参考信号1和参考信号2的频率值，等参考信号1和参考信号2的输出频率稳定之后，再由需要的输出本振频率值选择相应的VCO来参加频率合成，并设置好开关电路，开始本振环路的频率合成工作。VCO的输出经过耦合器10后分为两路，一路作为输出信号输出，另一路经过射频放大器12进行放大，然后依次经过分频器15、分频器16的变频，进入鉴相器进行鉴相，使输出本振频率变为需要的频率值，但此时由于分频比过高，导致本振信号的相位噪声恶化。此时再控制开关电路14、17、20、23，让本振信号与与输入的参考信号2的谐波进行混频，输出的差频信号经过中频放大器24后，与输入参考信号1进行鉴相，经过环路滤波器形成VCO的调谐电压，控制相应的VCO输出本振信号，这样输出的本振信号就会有比较好的相位噪声。由于VCO的输出信号范围较宽，为了防止VCO切换时引起的环路失锁，可以在调谐电压处加上限压电路，使调谐电压保持在一定范围内。当VCO的输出信号等于需要的本振频率值时，锁相环进入正常工作状态并保证稳定的输出频率。

本发明的设计结构如下：该设计完全采用PCB实现，全部的电路由3块长×宽为160mm×100mm的印制板组成。由于电路中的信号频率高达12GHz，为了减小信号的损耗，整个电路板采用了特殊的印制板材料制作，并对微波段的电路如滤波器、耦合器、合路器等采用了微波电路仿真设计，通过仿真计算出了信号线所需的宽度、厚度以及PCB各介质层的厚度，在PCB板上实现出整个微波部分的电路。为了防止信号串扰，所有的印制板均加上了屏蔽盒，每块印制板的屏蔽盒体采用上下双层、多槽结构，通过电路板间的过孔将电路板夹在中间，实现了整个结构的密封，既有效隔离了电磁信号的空间辐射，又方便了射频信号的就近充分接地，避免了微波信号在屏蔽盒内部的相互干扰。输出本振信号及输入参考信号均通过SMA电缆连接器连接，并在本振信号接头处采用了导电布密封方式，防止本振信号的空间辐射。

采用上述方案：1、电路中采用的双VCO的方式，使得锁相环的输出频率覆盖范围能达到5～12GHz，远远超过了现有的频率合成器的输出频率范围；2、本振模块采用PXI总线3U尺寸的结构，占据2槽(4mm)的宽度，具有体积小，拆装方便的特点，并且整个模块由3块电路板组成，将不同的功能电路分开，每块电路板均加有屏蔽盒，有效地避免了各个频段间信号的相互串扰。并且将微波段的本振电路在PCB电路板上实现出来，这种设计方法思路新颖，并且节省了电路成本，也方便了调试工作。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种微波宽带频率合成模块，其特征在于，由第一输入参考信号（1）、第二输入参考信号（2）、鉴相器(3)，环路滤波器（4），线性调节电路（5）、开关电路（6），VCO（7）、VCO（8）、开关电路（9），耦合器（10）、射频放大器（11）、射频放大器(12)、分频器(13)、开关电路(14)、分频器(15)、分频器(16)、开关电路(17)、低通滤波器(18)、低通滤波器(19)、开关电路(20)、混频器(21)、带通滤波器(22)、开关电路(23)、中频放大器(24)、控制单元(25)、电源模块（26）组成;其中第一输入参考信号（1）的输出端口与鉴相器（3）的第一输入端口连接，鉴相器（3）的第三输出端口与环路滤波器（4）的第一输入端口连接，环路滤波器（4）的第二输出端口与线性调节电路（5）的输入端口连接，线性调节电路（5）的输出端口与开关电路（6）的第一输入端口连接，开关电路（6）的第二输出端口与VCO（7）的第一输入端口连接，开关电路（6）的第三输出端口与VCO（8）的第一输入端口连接，VCO（7）第二输出端口与开关电路（9）的第二输入端口连接，VCO（8）第二输出端口与开关电路（9）的第三输入端口连接，开关电路（9）的第一输出端口与耦合器（10）的第一输入端口连接，耦合器（10）的第二输出端口与射频放大器（11）的第一输入端口连接，耦合器（10）的第三输出端口与射频放大器（12）的第一输入端口连接，射频放大器(12)的第二输出端口与分频器（13）的第一输入端口连接，分频器(13)的第二输出端口与开关电路（14）的第一输入端口连接，开关电路(14)的第二输出端口与分频器（15）的第一输入端口连接，开关电路(14)的第三输出端口与开关电路（17）的第一输入端口连接，分频器(15)的第二输出端口与分频器(16)的第一输入端口连接，分频器（16）的第二输出端口与开关电路（23）的第三输入端口连接，开关电路（17）的第二输出端口与低通滤波器（18）的第一输入端口连接，低通滤波器（18）的第二输出端口与开关电路(20)的第二输入端口连接，开关电路（17）的第三输出端口与低通滤波器（19）的第一输入端口连接，低通滤波器（19）的第二输出端口与开关电路(20)的第三输入端口连接，开关电路(20)的第一输出端口1与混频器(21)的第二输入端口连接，输入参考信号（2）的输出端口与带通滤波器(22)的第一输入端口连接，带通滤波器(22)的第二输出端口与混频器(21)的第一输入端口连接，混频器(21)的第三输出端口与开关电路（23）的第二输入端口连接，开关电路（23）的第一输出端口与中频放大器（24）的第一输入端口连接，中频放大器(24)的第二输出端口与鉴相器（3）的第二输入端口连接。

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