CN207780650U - 宽频带低相噪频率合成模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于电子测试测量领域，涉及虚拟仪器技术，具体涉及一种可搭建基于标准总线平台的频谱分析与EMI信号测量***。宽频带低相噪频率合成模块，包括射频子板以及数字电源母板，所述的射频子板包括通过功分器划分宽频带本振信号通道以及窄频带本振信号通道；还包括基准信号通道；本实用新型的主要特点是支持三路本振信号和两种频率的基准信号输出；宽频带本振信号支持54MHz~10GHz频率范围，两档输出信号功率；在3.5GHz~10GHz不低于70dBc的谐波杂散抑制；输出1GHz频率时，相位噪声低于‑120dBc/Hz@100kHz。窄频带本振信号可支持4.4GHz~5.2GHz频率范围，50mW输出信号功率；谐波杂散不低于70dB抑制；输出4.8GHz频率时，相位噪声低于‑105dBc/Hz@100kHz。
Description
技术领域
本实用新型属于电子测试测量领域，涉及虚拟仪器技术，具体涉及一种可搭建基于标准总线平台的频谱分析与EMI信号测量***。
背景技术
目前，国内已有一些频率合成模块产品，但存工作频率低、频率范围窄、相噪性能差和杂散抑制度低等技术问题。然而，随着科学技术的迅速发展，测试测量领域所涉及的信号频段范围愈来愈高，测量信号的真实性要求愈来愈高。因此，国内现有的频率合成模块已经不能完全满足现在高频信号和微弱信号测试***的市场需求。
发明内容
本实用新型旨在针对上述问题，提出一种宽频带低相噪频率合成模块的研制方法。
本实用新型的技术方案在于：
宽频带低相噪频率合成模块，包括射频子板以及数字电源母板，其特征在于：
宽频带低相噪频率合成模块，包括射频子板以及数字电源母板，所述的射频子板包括通过功分器划分宽频带本振信号通道以及窄频带本振信号通道；还包括基准信号通道；
所述的宽频带本振信号通道产生频率范围为54MHz~10GHz宽频带本振信号，包括依次连接的第一锁相环、分段滤波及功率调整电路、功率放大电路以及两路输出电路；所述的窄频带本振信号通道产生频率范围为4.4GHz~5.2GHz窄频带本振信号，包括依次连接的第一耦合器、第二锁相环、第一带通滤波器、第二耦合器、第一功率放大器、第一固定衰减器、第二功率放大器以及第二带通滤波器；所述的基准信号包括两条支路、第三耦合器以及射频检波器，第一支路包括数字步进衰减器，数字步进衰减器与第一耦合器连接；第二条支路包括可变增益放大器，可变增益放大器与第二耦合器连接，数字步进衰减器与可变增益放大器的另一端通过射频开关与第三耦合器连接，第三耦合器还连接射频检波器；
所述的数字电源母板包括供电电源、FPGA控制电路以及PCIe总线模块，所述的供电电源与射频子板连接，FPGA控制电路与射频子板电连接，PCIe总线模块一端与FPGA控制电路连接，另一端与外部上位机进行连接。
所述的分段滤波及功率调整电路包括七路滤波及功率调整电路，为了提高杂散抑制度、减小宽频输出功率波动，采取分段滤波及功率调整电路将54MHz~10GHz宽频带本振信号分成7个不同频段：＜3.5GHz、3.5GHz~5GHz、5GHz~6GHz、6GHz~6.8GHz、6.8GHz~8GHz、8GHz~9.7GHz、9.7GHz~11GHz，每一路滤波及功率调整电路包括依次连接的带通滤波器以滤除带外杂散以及固定衰减器以进行功率调整。所述的功率放大电路包括依次连接的两个功率放大器。即将7个不同频段经功率调整之后再经两级功率放大器进行放大处理，再通过两级本振信号选择性输出。3.5GHz~10GHz支持不低于70dBc的谐波杂散抑制；输出1GHz频率时，相位噪声低于-120dBc/Hz@100kHz。
窄频带本振信号通道实现输出信号功率为50mW；谐波杂散不低于70dB抑制；输出4.8GHz频率时，相位噪声低于-105dBc/Hz@100kHz。
所述的供电电源包括+ 12V和+3.3V电源，所述12V电源依次连接直流转换芯片以及低压差稳压器转换成锁相环、第一功率放大器、第二功率放大器、数字步进衰减器、可变增益放大器、射频检波器、射频开关的所需电源，其中，锁相环、数字步进衰减器以及可变增益放大器为+5V电源，射频检波器为+3.3V电源，射频开关为+3.3V电源、-3.3V以及-2.5V电源；+3.3V电源一边直接与FPGA控制电路连接，另一边通过低压差稳压器转换出+1.2V电源与FPGA控制电路连接。
本实用新型的技术效果在于：
本实用新型的主要特点是支持三路本振信号和两种频率的基准信号输出；宽频带本振信号支持54MHz~10GHz频率范围，两档输出信号功率；在3.5GHz~10GHz不低于70dBc的谐波杂散抑制；输出1GHz频率时，相位噪声低于-120dBc/Hz@100kHz。窄频带本振信号可支持4.4GHz~5.2GHz频率范围，50mW输出信号功率；谐波杂散不低于70dB抑制；输出4.8GHz频率时，相位噪声低于-105dBc/Hz@100kHz。解决了当前频率合成模块差工作频率低、频率范围窄、相噪性能差和杂散抑制度低等应用问题，能够搭建基于标准总线平台的频谱分析与EMI信号测量***。
附图说明
图1为本实用新型频率合成模块架构示意图；
图2为本实用新型频率合成模块射频子板设计框图；
图3为本实用新型FPGA控制电路设计功能框架；
图4为本实用新型PCIe总线模块功能框图；
图5为本实用新型电源供电原理框图。
附图标记：1-第一锁相环，2-第二锁相环，3-两级功率放大电路，4-可变增益放大器，5-数字步进衰减器，6-射频检波器，7-第一耦合器，8-第一带通滤波器，9-第一耦合器，10-第一功率放大器，11-第一固定衰减器，12-第二功率放大器，13-第二带通滤波器，14-第三耦合器。
具体实施方式
宽频带低相噪频率合成模块，包括射频子板以及数字电源母板，图1为本实用新型频率合成模块架构示意图；
所述的射频子板包括通过功分器划分宽频带本振信号通道以及窄频带本振信号通道；还包括基准信号通道；如图2所示；
宽频带本振信号通道产生54MHz~10GHz宽频带本振信号和4.4GHz~5.2GHz窄频带本振信号。宽频带本振信号通过分段滤波及功率调整电路，抑制谐波杂散干扰，减小功率波动；通过两级功率选择放大，可输出两档功率本振信号。窄频带本振信号通过带通滤波及两级功率放大输出50mW的单音信号。基准信号通过数字步进衰减器5和可变增益放大器4进行输出功率调整。
所述的宽频带本振信号通道产生频率范围为54MHz~10GHz宽频带本振信号，包括依次连接的第一锁相环1、分段滤波及功率调整电路、两级功率放大电路3以及两路输出电路；其中，分段滤波及功率调整电路包括七路滤波及功率调整电路，为了提高杂散抑制度、减小宽频输出功率波动，采取分段滤波及功率调整电路将54MHz~10GHz宽频带本振信号分成7个不同频段：＜3.5GHz、3.5GHz~5GHz、5GHz~6GHz、6GHz~6.8GHz、6.8GHz~8GHz、8GHz~9.7GHz、9.7GHz~11GHz，每一路滤波及功率调整电路包括依次连接的带通滤波器以滤除带外杂散以及固定衰减器以进行功率调整。即将7个不同频段经功率调整之后再经两级功率放大器进行放大处理，再通过两级本振信号选择性输出。3.5GHz~10GHz支持不低于70dBc的谐波杂散抑制；输出1GHz频率时，相位噪声低于-120dBc/Hz@100kHz；七路滤波及功率调整电路一端通过射频开关与锁相环连接，另一端通过射频开关与两级功率放大器连接。
所述的窄频带本振信号通道产生频率范围为4.4GHz~5.2GHz窄频带本振信号，包括依次连接的第一耦合器7、第二锁相环2、第一带通滤波器8、第二耦合器9、第一功率放大器10、第一固定衰减器11、第二功率放大器12以及第二带通滤波器13；所述的基准信号包括两条支路、第三耦合器14以及射频检波器6，第一支路包括数字步进衰减器5，数字步进衰减器5与第一耦合器7连接；第二条支路包括可变增益放大器4，可变增益放大器4与第二耦合器9连接，数字步进衰减器5与可变增益放大器4的另一端通过射频开关与第三耦合器14连接，第三耦合器14还连接射频检波器6；窄频带本振信号通道实现输出信号功率为50mW；谐波杂散不低于70dB抑制；输出4.8GHz频率时，相位噪声低于-105dBc/Hz@100kHz。
图3为本实用新型FPGA控制电路；FPGA控制电路包括命令解析模块以及与命令解析模块分别连接的子板控制模块、触发控制模块以及PCIe总线模块，PCIe总线模块还连接有FRAM模块；FPGA控制电路还包括时钟复位模块，子板控制模块包括通道模块以及本振配置；触发控制模块包括依次连接的触发检测模块以及路由控制模块；命令解析模块分别与触发检测模块以及路由控制模块连接，触发控制模块实现触发源的选择，并实现各种触发功能；命令解析模块实现所有***资源的配置与调度；子板控制模块完成模拟通道控制和锁相环芯片寄存器配置；FRAM控制模块实现对FRAM数据读写功能；PCIe总线模块实现功能模块与背板总线的数据交换功能，以及对射频子板的数据通信控制功能。
图4为本实用新型PCIe总线模块功能框图。PCIe总线模块完成功能板卡与背板总线的数据交换，主要利用FPGA内部集成的高速串行通信接口，采用PCIe端口模块配合逻辑调度来实现。图4中展示了PCIe总线模块和用户功能模块、PCIe端点模块之间的相互关系，其中的***时钟由功能板卡提供，为125M或者100MHz，以差分方式输入至FPGA内部；***复位信号为单板的上电复位信号，低有效。此外，PCIe链路所需要用到的收发数据线由FPGA集成的高速串行总线提供，其中接收数据线接收PCIe总线的数据，并将数据传输到FPGA内部的PCIe端点模块，实现PCIe协议中的物理层功能，发送数据线用于实现FPGA内部的端点模块向上位机发送数据。
所述的数字电源母板包括供电电源、FPGA控制电路以及PCIe总线模块，所述的供电电源与射频子板连接，FPGA控制电路与射频子板电连接，PCIe总线模块一端与FPGA控制电路连接，另一端与外部上位机进行连接。FPGA控制电路对射频子板进行通道控制和本振寄存器配置。
图5为本实用新型电源供电原理框图。供电电源包括+12V和+3.3V电源，频率合成模块所使用的各种数字电源和模拟电源直接使用+12V和+3.3V的机箱电源，或着由+12V和+3.3V转换生成。+12V和+3.3V电源均由背板提供， FPGA控制电路所需电源为+3.3V以及+1.2V电源。+12V电源依次连接直流转换芯片以及低压差稳压器转换成锁相环、第一功率放大器10、第二功率放大器12、数字步进衰减器5、可变增益放大器4、射频检波器6以及射频开关的所需电源。+1.2V是FPGA的核电压，最大消耗不高于800mA，采用低压差稳压器产生该电压。+5V主要为锁相环、功率放大器、可变增益放大器4、数字步进衰减器5供电；+3.3V为射频检波器6供电；+3.3V、-3.3V和-2.5V为射频开关供电。正电压由背板+12V通过直流转换芯片变为5.5V，再由低压差稳压器稳压到所需的电压值，-3.3V、-2.5V由背板+12V通过直流转换芯片变为-4V，再由低压差稳压器稳压到相应的电压值。
本发明应用在微波射频信号变频***中，实现频谱分析和EMI信号测量***，可对频率高、带宽大、以及瞬时性强的复杂信号进行高精度的分析和测量。
Claims (4)
1.宽频带低相噪频率合成模块，包括射频子板以及数字电源母板，其特征在于：
所述的射频子板包括通过功分器划分宽频带本振信号通道以及窄频带本振信号通道；还包括基准信号通道；所述的宽频带本振信号通道产生频率范围为54MHz~10GHz宽频带本振信号，包括依次连接的第一锁相环（1）、分段滤波及功率调整电路、功率放大电路以及两路输出电路；所述的窄频带本振信号通道产生频率范围为4.4GHz~5.2GHz窄频带本振信号，包括依次连接的第一耦合器（7）、第二锁相环（2）、第一带通滤波器（8）、第二耦合器（9）、第一功率放大器（10）、第一固定衰减器（11）、第二功率放大器（12）以及第二带通滤波器（13）；所述的基准信号包括两条支路、第三耦合器（14）以及射频检波器（6），第一支路包括数字步进衰减器（5），数字步进衰减器（5）与第一耦合器（7）连接；第二条支路包括可变增益放大器（4），可变增益放大器（4）与第二耦合器（9）连接，数字步进衰减器（5）与可变增益放大器（4）的另一端通过射频开关与第三耦合器（14）连接，第三耦合器（14）还连接射频检波器（6）；
所述的数字电源母板包括供电电源、FPGA控制电路以及PCIe总线模块，所述的供电电源与射频子板连接，FPGA控制电路与射频子板电连接，PCIe总线模块一端与FPGA控制电路连接，另一端与外部上位机进行连接。
2.根据权利要求1所述的宽频带低相噪频率合成模块，其特征在于：所述的分段滤波及功率调整电路包括七路滤波及功率调整电路，将54MHz~10GHz宽频带本振信号分成7个不同频段；每一路滤波及功率调整电路包括依次连接的带通滤波器以及固定衰减器。
3.根据权利要求2所述的宽频带低相噪频率合成模块，其特征在于：所述的功率放大电路包括依次连接的两个功率放大器。
4.根据权利要求3所述的宽频带低相噪频率合成模块，其特征在于：所述的供电电源包括+ 12V和+3.3V电源，所述12V电源依次连接直流转换芯片以及低压差稳压器转换成锁相环、第一功率放大器（10）、第二功率放大器（12）、数字步进衰减器（5）、可变增益放大器（4）、射频检波器（6）、射频开关的所需电源，其中，锁相环、数字步进衰减器（5）以及可变增益放大器（4）为+5V电源，射频检波器（6）为+3.3V电源，射频开关为+3.3V、-3.3V以及-2.5V电源；+3.3V电源一边直接与FPGA控制电路连接，另一边通过低压差稳压器转换出+1.2V电源与FPGA控制电路连接。
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| CN113553280A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-10-26 | 上海机电工程研究所 | 基于i2c总线的综合电子平台多模块分时上电方法及*** |
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