CN102324929A

CN102324929A - 用于毫米波全息成像系统前端的跳频频率合成器

Info

Publication number: CN102324929A
Application number: CN201110103138A
Authority: CN
Inventors: 孙晓玮; 陈敏华; 时翔; 李江夏; 李凌云
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明涉及一种用于毫米波全息成像系统前端的跳频频率合成器。它由多路锁相环回路，单刀多掷开关，倍频器和单片机组成。单片机控制多路锁相环回路的跳频及单刀多掷开关的打开或关闭。所述的多路锁相环路包括N个单路锁相环回路，N路数越多则整个跳频源的频率转换时间越短，N路锁相环回路的跳频时间缩短为单路环回路跳频时间的N分之一。所述单路锁相环回路包括：晶体振荡器、鉴频鉴相器、滤波器、压控振荡器和功分器，其中，鉴频鉴相器输入与晶体振荡器和从压控振荡器提供的反馈信号相连，输出与滤波器相连，所述功分器让所述压控振荡器的输出分为两路，一路输出到所述单刀多掷开关，另一路反馈到鉴频鉴相器本发明跳频频率合成器输出24GHz-36GHz的宽频带毫米波信号。

Description

用于毫米波全息成像系统前端的跳频频率合成器

技术领域

本发明涉及一种用于毫米波全息成像系统前端的跳频频率合成器，更确切地说涉及一种具有快速跳频功能的锁相环频率合成器，可用作毫米波全息成像系统的本振信号源。

背景技术

毫米波全息成像系统基于毫米波反射原理，利用反射毫米波对人体进行扫描检测，能够在不直接接触人体的情况下有效检测出藏匿于人体衣物下的违禁品和危险品，并以图像的方式显示检测结果，能满足机场、车站、重要集会活动等场所的人体安检需求。与被动式毫米波成像系统相比，毫米波全息成像系统是主动式的，它需要毫米波本振源的发生装置。当毫米波本振源能在一个宽频带内实现快速跳频功能时，主动式毫米波系统能够对被检对象成三维图像，所以毫米波全息成像需要一个具有快速跳频功能的频率合成器作为本振源。

目前主要的跳频频率合成器有三类：直接频率合成(DS)，直接数字频率合成(DDS)和锁相环频率合成(PLL)。直接频率合成技术是利用一个或者多个晶振为基准信号源，经过倍频、分频、混频等途径直接产生多个离散频率的输出信号。这种方法得到的信号稳定度高，频率切换速度快，但调试难度大，杂散抑制差。直接数字频率合成技术从相位的角度出发进行频率合成，采用数字采样存储技术，具有相位精确，频率切换时间短等缺点，但是输出频率不高。锁相环频率合成技术是利用锁相环这个相位误差控制系统，它通过比较输入信号和压控振荡器经分频后的信号之间的相位差，用产生的误差控制电压来调整压控振荡器的频率，达到与输入信号倍频的关系。这种单回路的方法可以达到很高的输出频率，具有很好的相噪和杂散特性，缺点是频率转换时间较长(参见金国琼，L波段低相噪、快锁定频率合成器研制，电子对抗，2009，2(2)：32-37；武永军，沈保锁，跳频频率合成器频率转换速度和频谱纯度的研究，天津工业大学学报，2002，21(1)：20-23)。所以，直接应用现有的跳频频率合成器是满足不了毫米波全息成像系统的要求，这就需要改进的频率合成器，从而因到处本发明的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于毫米波全息成像系统前端的跳频频率合成器，以克服现有技术存在的不足，本发明提供的一种具有快速跳频功能的锁相环频率合成器，与普通单回路锁相环频率合成器相比至少可以缩短一半的锁定时间。该跳频频率合成器可用作毫米波全息成像系统的本振信号源，同时还具有低相噪、低杂散、低成本的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案有：所述跳频频率合成器它是由多路锁相环回路，单刀多掷开关、倍频器及单片机构成。所述多路锁相环回路输出的信号经所述单刀多掷开关选择后经所述倍频器倍频到毫米波段输出，锁相环回路的选择及开关的打开或关闭是由所述的单片机控制。

所述的多路锁相环回路包括N个单路锁相环回路，路数N越多则整个跳频源的频率转换时间越短，N路锁相环回路的跳频时间缩短为单路锁相环回路跳频时间的N分之一，N≥2。最常取N为2、4或者8。

所述的单路锁相环回路由晶体振荡器、鉴频鉴相器、滤波器、压控振荡器和功分器组成。所述单路锁相环回路包括：晶体振荡器、鉴频鉴相器、滤波器、压控振荡器和功分器，其中，鉴频鉴相器输入与晶体振荡器和从压控振荡器提供的反馈信号相连，输出与滤波器相连，所述功分器使压控振荡器的输出分为两路，一路输出到单刀多掷开关，另一路反馈到鉴频鉴相器。其中，所述晶体振荡器输出参考信号，考虑频率稳定度一般采用温补晶体振荡器或者恒温晶体振荡器，输出电平是TTL、CMOS或者削顶正弦波。所述鉴频鉴相器在回路中起到一个误差放大器的作用，它可以检测晶体振荡器和从压控振荡器提供的反馈信号之间的频率及相位差，输出误差信号给滤波器。所述滤波器为低通滤波器，为无源滤波器或者有源滤波器，阶数为一阶到四阶中的任一种。低通滤波器抑制了所述鉴频鉴相器输出信号中的高频部分，只允许直流分量来控制所述压控振荡器的频率。所述压控振荡器的输出频率受滤波器输出电压控制，为了实现宽频带的快速跳频，压控振荡器具有宽带的输出频率范围及较大的增益。所述功分器让压控振荡器的输出分为两路，一路输出到所述单刀多掷开关，另一路反馈到所述鉴频鉴相器。所述功分器可以采用集总参数功分器或者分布参数功分器。

所述的单刀多掷开关为毫米波单刀M掷开关，采用PIN二极管管芯的单片毫米波集成电路，M的数量与锁相环路的路数N相同。开关的打开或关闭控制着是哪一路锁相环的信号输出。

所述的单片机用来控制每一路锁相环回路和单刀多掷开关。所述单片机输出信号的时序决定了每一路锁相环回路何时频率输出，何时跳频，何时等待，以及开关何时把哪一路打开，把哪一路关闭。

所述的倍频器把锁相环回路输出的低频信号倍频到毫米波波段。该倍频器可以是单极的倍频也可以是多级倍频器串联而成。

由于采用以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下显著优点：本发明采用了锁相环回路，具有低相位噪声，低杂散的特点。本发明采用外部单片机来控制多个锁相环路和开关，可以实现快速的跳频功能，且结构简单，调试方便。本发明采用倍频方式来实现毫米波段跳频信号的输出，具有成本低的特点。所提供的跳频频率合成器具有跳频快，低成本，易于调试的优点，以满足毫米波全息成像系统的要求。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的有源低通滤波器电路图；

图3是本发明的电阻式功分器电路图；

图4是本发明的单片机输出信号时序图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：双回路跳频频率合成器结构框图如图1所示。本实施例包括：单片机1，单路锁相环回路2，另一个单路锁相环回路3，单刀双掷开关14，二倍频器A15，二倍频器B16及二倍频器C17。单片机1控制锁相环回路2和锁相环回路3的跳频以及单刀双掷开关14的打开或关闭，单刀双掷开关14输出的信号经二倍频器A15、二倍频器B16及二倍频器C17三级倍频后输出。

所述的单路锁相环回路2由温补晶振4，鉴频鉴相器6，有源低通滤波器8，宽带压控振荡器10及电阻式功分器12组成。

所述的另一个锁相环回路3由温补晶振5，鉴频鉴相器7，有源低通滤波器9，宽带压控振荡器11及电阻式功分器13组成。

所述的温补晶振4、5输出频率为20MHz，频率稳定度小于1ppm，输出为CMOS电平。

所述的鉴频鉴相器6、7为单片微波集成电路，能检测温补晶振4、5和从宽带压控振荡器10、11提供的反馈信号之间的频率及相位差，输出误差信号给有源低通滤波器8、9。

所述的有源低通滤波器8、9的电路原理图如图2所示，其具体参数为R1＝100Ω，R2＝1.25kΩ，R3＝1kΩ，C1＝159pF，C2＝389pF，C3＝52pF，Vr＝2.5V。这种滤波器还具有放大功能，以满足后面宽带压控振荡器10、11对调谐电压的要求。

所述的宽带压控振荡器10、11采用单片微波集成电路，输出频率范围为2.5GHz-5GHz，调谐电压范围为1V-9V。

所述的电阻式功分器12、13为集总参数功分器，由三个16.9欧姆的电阻组成，结构简单，如图3所示，其损耗为6dB。

所述的单刀双掷开关采14用PIN二极管管芯的单片毫米波集成电路芯片，开关的打开或关闭决定了锁相环回路2和锁相环回路3哪路信号的输出。

所述的单片机1用来控制锁相环回路2、3和单刀双掷开关14。单片机1输出控制信号的时序图如图4所示，它决定了每一路锁相环回路何时频率输出，何时跳频，何时等待，以及开关何时把哪一路打开，把哪一路关闭。工作时，首先单片机1让锁相环回路2工作于频率f1，而锁相环回路3开始跳频，同时控制单刀双掷开关14对锁相环回路2打开输出信号f1，而对锁相环回路3关闭。当锁相环回路3完成跳频到f2后单片机1马上让锁相环回路2开始跳频，锁相环回路2开始输出信号，同时控制单刀双掷开关14对锁相环回路3打开输出信号f2，而对锁相环回路2关闭，如此周而复始实现频率的快速切换。

所述的二倍频器A15采用GaAs PHEMT为核心单片毫米波集成电路芯片，输出频率6GHz-9GHz的宽带信号。

所述的二倍频器B16采用GaAs PHEMT为核心单片毫米波集成电路芯片，输出频率12GHz-18GHz的宽带信号。

所述的二倍频器C17采用GaAs PHEMT为核心单片毫米波集成电路芯片，输出频率24GHz-36GHz的毫米波宽带信号，满足毫米波全息成像系统前端的要求。

本实施例采用双锁相环回路，其跳频时间是单锁相环回路的一半。输出信号24GHz-36GHz可以满足毫米波全息成像系统前端的要求。本实施例仅仅作为例子，本发明并不仅仅限于以上实施例，当需要更快的跳频时间时，可采用更多的锁相环回路，同时采用对应的单刀多掷开关。倍频器的级数和倍数可根据输出信号的频段要求进行调节。

Claims

1.一种用于毫米波全息成像系统前端的跳频频率合成器，其特征在于包括：多路锁相环回路，单刀多掷开关、倍频器及单片机；所述的多路锁相环回路输出的信号经单刀多掷开关选择后经倍频器倍频到毫米波段输出，锁相环回路的选择及单刀多掷开关的打开或关闭由单片机控制。

2.根据权利要求1所述的跳频频率合成器，其特征在于所述的多路锁相环路包括N个单路锁相环回路，N路数越多则整个跳频源的频率转换时间越短，N路锁相环回路的跳频时间缩短为单路环回路跳频时间的N分之一，N≥2。

3.根据权利要求1或2所述的跳频频率合成器，其特征在于所述多路锁相环回路为2个、4个或者8个。

4.根据权利要求1或2所述的跳频频率合成器，其特征在于所述单路锁相环回路包括：晶体振荡器、鉴频鉴相器、滤波器、压控振荡器和功分器，其中，鉴频鉴相器输入与晶体振荡器和从压控振荡器提供的反馈信号相连，输出与滤波器相连，所述功分器使所述压控振荡器的输出分为两路，一路输出到单刀多掷开关，另一路反馈到鉴频鉴相器。

5.根据权利要求4所述的跳频频率合成器，其特征在于：

(1)所述的晶体振荡器为温度补偿晶体振荡器或恒温晶体振荡器，输出电平为TTL、CMOS或削顶正弦波；

(2)所述的滤波器为无源低通滤波器或有源低通滤波器，阶数为一阶到四阶中的任一种；

(3)所述的压控振荡器的输出频率受滤波器输出电压控制，具有宽带的输出频率和大的增益；

(4)所述的功分器采用集总参数功分器或公布参数功分器；

(5)所述的鉴相鉴频器为单片微波集成电路。

6.根据权利要求1或2所述的跳频频率合成器，其特征在于所述单刀多掷开关为毫米波单刀M掷开关，采用PIN二极管管芯的单片毫米波集成电路，M的数量与锁相环路的路数N相同。

7.根据权利要求1所述的跳频频率合成器，其特征在于所述单片机用来控制每一路所述锁相环回路和所述单刀多掷开关；所述单片机输出控制信号的时序决定了每一路锁相环回路何时频率输出，何时跳频，何时等待，以及开关何时把哪一路打开，把哪一路关闭。

8.根据权利要求1所述的跳频频率合成器，其特征在于所述倍频器是单极的倍频或者多级倍频器串联而成。

9.根据权利要求5所述的跳频频率合成器，其特征在于：

(1)所述温度补偿晶体振荡器的输出频率为20MHz，频率稳定度小于1ppm；

(2)所述的有源低通滤波器具有放大功能；

(3)所述的压控振荡器采用单片微波集成电路，输出频率范围为2.5-5GHz，调谐电压为1-9V；

(4)所述的功分器为电阻式功分器，由三个16.9欧姆的电阻构成。

10.根据权利要求8所述的跳频频率合成器，其特征在于多级倍频器中三级倍频器采用GaAs PHEMT为核心单片毫米集成电路芯片，输出频率分别为6-12GHz、12-18GHz、和24-36GHz。

11.根据权利要求1所述的跳频频率合成器的应用，其特征在于用作毫米波全息成像系统的本征信号源。