CN102752061A - 毫米波衰减测量系统锁相放大器参考信号产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及毫米波衰减测量系统锁相放大器参考信号产生装置及方法，该装置包括依次连接的毫米波信号源、第一隔离衰减器、第二隔离衰减器、毫米波谐波混频器、第一中频放大器、带通滤波器、中频基波混频器、第二中频放大器、感应分压器，所述感应分压器还分别连接有锁相放大器和第三中频放大器，该中频放大器的输出端连接至所述锁相放大器的输入端。本发明参考信号产生装置及产生方法能确保锁相放大器的测量准确度，同时该装置中只需一个毫米波混频器就能完成参考信号的产生，大大降低了毫米波衰减测量系统的成本。

Description

毫米波衰减测量系统锁相放大器参考信号产生装置及方法

技术领域

本发明涉及了一种锁相放大器参考信号产生装置及方法，特别是涉及毫米波衰减测量系统锁相放大器参考信号产生装置及方法，应用于毫米波衰减测量系统中。

背景技术

衰减是无线电计量中的基本参量，其表征了无线电信号的幅度在传输过程中减弱的程度。衰减计量在无线电计量中具有重要的地位，可为功率、S参数等提供溯源途径。因此，各个国家的各级计量机构均需建立相应的衰减校准系统，以保证衰减的量值准确和统一。

随着无线电技术的发展，频率资源变得日益紧张，毫米波这门集微波及光学优点于一身的综合性交叉学科应运而生。毫米波频段的主要特点是波长短、频率范围宽、与大气成分有选择性的相互作用，使其具有波束窄、容量大、抗干扰能力强等优点。扩展了通信容量的同时也可满足保密、抗干扰等特殊需求，因此，毫米波技术在军事和民用领域得到了日益广泛的应用，而建立毫米波各个频段的衰减标准的需求也越来越迫切。

衰减的测量方法很多，其中串联低中频替代法因其测量准确度高、动态范围大，而被大部分国家的衰减基准所采用。串联低中频替代法以感应分压器作为中频标准衰减器，用锁相放大器作为中频接收和零指示器，从而有效的抑制了噪声的影响，提高了系统的测量准确性。为了充分发挥锁相放大器相关检测的优势，必须为其提供稳定的、与测试信号同频、同相或有固定初相差的参考信号。在以锁相放大器作为中频检波和指示装置的衰减测量系统中，按照锁相放大器参考信号的产生方式可将测量系统分为单通道和双通道串联低中频测量系统。

当频率小于4GHz时，锁相放大器参考信号多采用单通道法产生。在单通道衰减测量系统中，参考信号由与射频源和本振源二者共时基的任意函数发生器产生，使得测试系统结构简单，且由于不存在测试通道和参考通道的串扰问题，测量准确度很高。但当工作频率升高时由于射频源和本振源相位噪声的影响，测试信号和参考信号频率难以严格一致，使得锁相放大器测试中频的稳定程度明显下降，测量不确定度增加，所以这种方法不适用于高频尤其是毫米波频段衰减量的测试。

当频率在4GHz-40GHz范围内时，锁相放大器参考信号多采用双通道法产生。在双通道衰减测量系统中，参考信号由定向耦合器和参考混频器等构成的参考支路产生，因此其频率稳定度与测试信号严格一致，此时锁相放大器指示信号稳定，测量准确度高。但是在频率更高的毫米波频段由于两通道之间串扰严重，将使得测量不确定度大大增加，难以获得较高的测量准确度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题和不足，提出一种毫米波衰减测量系统锁相放大器参考信号产生装置及方法，使得信号分离器件对测量信号幅度的影响降至最低，同时又能保证参考信号和测试信号的严格相关。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

毫米波衰减测量系统中锁相放大器参考信号产生装置，该装置包括依次连接的毫米波信号源、第一隔离衰减器、第二隔离衰减器、毫米波谐波混频器、第一中频放大器、带通滤波器、中频基波混频器、第二中频放大器、感应分压器，所述感应分压器还分别连接有锁相放大器和第三中频放大器，该中频放大器的输出端连接至所述锁相放大器的输入端。

进一步，所述感应分压器的信号输出端通过BNC连接器将感应分压器的输出信号分成两路信号，一路参考信号接入锁相放大器的一信号输入端，一路被测信号接入中频高阻放大器的信号输入端。

进一步，所述毫米波谐波混频器的一输入端连接有第一本振源，所述中频基波混频器的一输入端连接有第二本振源。

进一步，所述第一本振源、第二本振源与所述毫米波信号源采用共时基方式连接。

进一步，所述感应分压器的输出阻抗小于0.5Ω，锁相放大器输入阻抗大于1MΩ。

毫米波衰减测量系统中锁相放大器参考信号产生方法，该方法为：

1)将毫米波信号源输入第一隔离衰减器的输入端，所述第一隔离衰减器还依次连接有第二隔离衰减器、毫米波谐混频器、第一中频放大器、带通滤波器、中频基波混频器、第二中频放大器、感应分压器，所述感应分压器的信号输出端接入BNC连接器，该BNC连接器将输出信号分成参考信号和被测信号，所述参考信号接入锁相放大器的一信号输入端，所述被测信号接入中频高阻放大器的信号输入端，该中频高阻放大器的信号输出端再连接至锁相放大器的另一信号输入端；

2)用锁相放大器测量被测信号的某一幅度值，记下此时感应分压器各个盘的数值A1、A2……、A8，得出感应分压器的分压比：D0=A1×10^-1+A2×10^-2+……+A8×10^-3；

3)将毫米波信号源输入第一隔离衰减器的输入端，所述第一隔离衰减器的输出端连接被测衰减器的输入端，被测衰减器的输出端连接有第二隔离衰减器，该第二隔离衰减器的输出端依次连接毫米波谐混频器、第一中频放大器、带通滤波器、中频基波混频器、第二中频放大器、感应分压器，所述感应分压器的信号输出端连接BNC连接器，该BNC连接器将输出信号分成参考信号和被测信号，所述参考信号接入锁相放大器的一信号输入端，所述被测信号接入中频高阻放大器的信号输入端，该中频高阻放大器的信号输出端再连接至锁相放大器的另一信号输入端；

4)用锁相放大器测量被测信号的幅度值，当该幅度值与所述步骤2中的幅度值相同时，记下此时感应分压器各个盘的数值A1′、A2′……、A8′，得出感应分压器的分压比：D1=A1′×10^-1+A2′×10^-2+……+A8′×10^-8；

5)计算该衰减测量系统的衰减量：A=20log₁₀(D₁/D₀)dB，得到锁相放大器的参考信号；

进一步，所述毫米波谐波混频器的一输入端连接有第一本振源，所述中频基波混频器的一输入端连接有第二本振源。

进一步，所述第一本振源、第二本振源与所述毫米波信号源采用共时基方式连接。本发明的优点在于：

本发明设计的参考信号产生方法尤其适用于以锁相放大器为中频检波和指示装置，以串联低中频替代法为基础。该方法易于实现，结构简单且成本较低。通过该方法获得的参考信号与测试信号严格相关，因此在整个测试过程中，锁相放大器显示中频信号幅度稳定。采用此种参考信号产生方法组建的衰减测量系统，在频率为2GHz，0dB-50dB衰减范围内衰减测试结果与国家衰减基准测试数据之差小于0.036dB，精度高。同时，采用该方法组建的2mm波段衰减测量系统，衰减测量结果与衰减器指标一致。

附图说明

图1：本发明锁相放大器参考信号产生装置的结构原理图。

具体实施方式

本发明利用串联低中频替代法作为锁相放大器参考信号产生方法的基础。串联低中频替代法因其具有较高的测量准确度和较大的动态范围而广泛的应用在宽带微波衰减测量中。该方法基于射频信号和低中频信号的频率变换，将射频信号的幅度线性的转换为低中频信号的幅度，然后通过与准确的低中频标准衰减器比较确定衰减量。

串联低中频替代法的核心是将射频信号的幅度线性的变换为低中频信号的幅度，要实现频率的变换就需要用到混频器件。在140-220GHz频段，为了降低对本振源频率的要求，混频器往往采用高次谐波混频器（36次谐波甚者更高）。然而随之而来的就是巨大的变频损耗，典型值在50dB左右。再由于毫米波信号源输出功率限制（通常为-15dBm）和被测衰减器40dB的衰减量，系统中反映被测衰减量的有用信号非常微弱，其功率小于-120dBm。因此，对中频接收系统提出了很高的要求。

面对-120dBm的微弱信号和恶劣的信噪比，传统的放大器不能满足系统要求。因此必须采用更为有效的抑制噪声的方法，采用基于相关检测方法的锁相放大器作为中频检波和指示装置。

在系统中，假设叠加有噪声的测试信号为f₁(t)=s₁(t)+n(t)，参考信号f₂(t)＝s₂(t)，则其相关函数为

$R_{12}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T{f}_1\left(t\right)f_2(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

$=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T[s_1\left(t\right)+n\left(t\right)]s_2(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

$=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T{s}_1\left(t\right)s_2(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}+\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^{T}n\left(t\right)s_2(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

$=R_{s_1{s}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{{\mathrm{ns}}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)---\left(1\right)$

因为测试信号s₁(t)与参考信号s₂(t)相关，而与噪声信号n(t)不相关，假设(1)式中n(t)为高斯白噪声，则

可见采用相关检测，有效抑制了噪声的影响，提高了信噪比。

使用基于相关检测的锁相放大器可以最大限度的抑制噪声影响，提高衰减测量系统的测量准确度。锁相放大器需要与测试信号严格相关的参考信号，且参考信号的质量将直接决定衰减测量的性能。目前，现有的使用与射频源共时基的函数发生器产生参考信号的单通道法和采用参考混频器构成独立的参考支路的双通道法在毫米波测量系统中均不适用。

本发明设计了适用于毫米波衰减测量系统的锁相放大器的参考信号产生方法。参考信号的产生方法中，先将毫米波信号混频至频率较高的中频（1.5GHz），对其进行低噪声放大和窄带滤波，以提高中频信号的信噪比。然后再将此中频信号通过基波混频器下变频至感应分压器的工作频率（1kHz或10kHz），进行低噪声放大后送入感应分压器。在感应分压器输出端使用BNC三通将输出信号一分为二，一路直接作为测试信号送入锁相放大器的测试通道，另一路送入高阻放大器（输入阻抗大于1MΩ）放大后作为参考信号送入锁相放大器参考通道。

如图1所示为本发明锁相放大器参考信号产生装置的结构原理图，该装置包括依次连接的毫米波信号源1、隔离衰减器2、隔离衰减器3、毫米波谐波混频器4、第一中频放大器5、带通滤波器6、中频基波混频器7、第二中频放大器8、感应分压器9和锁相放大器10，所述感应分压器9的一输出端还通过第三中频放大器11连接到锁相放大器。所述毫米波谐波混频器4和中频基波混频器7的一输入端分别连接有第一本振源12和第二本振源13。

上述装置进行测量时，将毫米波信号源信号输出端与被测衰减器输入端相连，将被测衰减器输出端连接至毫米波谐波混频器信号输入端，同时应用高准确度的本振源为毫米波谐波混频器提供本振信号；毫米波谐波混频器中频输出端连接至中频低噪声放大器与窄带带通滤波器；将滤波器输出端连接至中频基波混频器信号输入端，同时采用高准确度本振源为中频基波混频器提供本振信号；将基波混频器中频输出端连接至低中频低噪声放大器输入端，放大器输出端连接至感应分压器信号输出端；在感应分压器输出端接入BNC三通，将其输出信号一分为二，将其中一路使用BNC电缆送入锁相放大器信号输入端，另一路使用BNC电缆连接至低中频高阻放大器信号输入端，将放大器输出端通过电缆连接至锁相放大器器参考信号输入端。本发明中感应分压器的输出阻抗小于0.5Ω，后级放大器输入阻抗大于1MΩ，使得信号分离器件对测量信号幅度的影响降至最低，同时又能保证参考信号和测试信号的严格相关。

上述锁相放大器参考信号的产生装置采用二次混频的方式，将被测信号混频至感应分压器的工作频率后，取感应分压器输出的信号经过功分器一分两路，一路作为锁相放大器的测量通路信号，一路作为锁相放大器的参考信号，由于测量信号和参考信号由同一个信号产生，所以保证了二者的严格相关，保证了锁相放大器作为中频接收机的测量准确度；另一方面，由于参考信号是经过混频后再经过感应分压器后输出的低频信号，这样就避免了在微波频段进行参考信号的分离导致的串扰问题，确保锁相放大器的测量准确度；另外，本发明设计的装置中只需一个毫米波混频器就能完成参考信号的产生，大大降低了毫米波衰减测量系统的成本。

下面举例对毫米波衰减测量系统中锁相放大器的参考信号产生方法进行说明，该方法锁相放大器作为中频检波和指示装置，以串联低中频替代法为基础。

测量系统中，将毫米波信号源信号输出端与两个隔离衰减器相连，并将一测衰减器输出端连接至毫米波谐波混频器信号输入端，同时应用高准确度的本振源为毫米波谐波混频器提供本振信号；毫米波谐波混频器中频输出端连接至中频低噪声放大器与窄带带通滤波器；将滤波器输出端连接至中频基波混频器信号输入端，同时采用高准确度本振源为中频基波混频器提供本振信号；将基波混频器中频输出端连接至低中频低噪声放大器输入端，放大器输出端连接至感应分压器信号输出端；在感应分压器输出端接入BNC三通，将其输出信号一分为二，将其中一路使用BNC电缆送入锁相放大器信号输入端，另一路使用BNC电缆连接至低中频高阻放大器信号输入端，将放大器输出端通过电缆连接至锁相放大器器参考信号输入端。

所述的毫米波信号源与毫米波混频器、中频基波混频器所采用的本振源采用共时基方式信号源。例如，可以将毫米波信号源10MHz时基输出用BNC三通一分为二，一路连接至毫米波谐波混频器本振源的10MHz时基输入端，另一路连接至中频基波混频器本振源10MHz时基输入端。

另一方面对系统中信号源频率和功率进行设置，将系统中毫米波信号源频率调整为测试所需频率，功率-15dBm；设置毫米波谐波混频器本振源功率为+15dBm，并根据谐波混频器谐波次数和测试信号频率计算本振源输出频率，使谐波混频器输出中频信号频率为1.5GHz；设置基波混频器本振源功率+13dBm，频率为1.500010GHz，使得混频器输出频率为10kHz。

首先对测衰减器未接入上述测量系统时进行测试。先将两隔离器直接连接，设置感应分压器分压比对应的衰减量为系统动态范围的上限值80dB，此时信号未经衰减直接下变频至低中频10kHz，以最大信噪比通过感应分压器，然后在感应分压器输出端将信号分离，得到参考信号和被测信号。例如，用锁相放大器监测被测信号幅度为校准状态的参考值60μV，此时记下此时感应分压器各个盘的数值A1、A2……、A8，感应分压器的分压比D0=A1×10^-1+A2×10^-2+……+A8×10^-8。

再对被测衰减器接入上述测量系统时进行测试。将被测衰减器接入两隔离衰减器之间，此时测量信号经被测衰减器后变频至低中频10kHz，感应分压器输出端将此信号分离，得到参考信号和被测信号。例如，再用锁相放大器监测的被测信号幅度偏离校准状态的参考值60μV，调节感应分压器各个盘的位置使锁相放大器的读数再次为60μV，此时记下此时感应分压器各个盘的数值A1′、A2′……、A8′，感应分压器的分压比D1=A1′×10^-1+A2′×10^-2+……+A8′×10^-8。

得到由上述参考信号产生方法构成的衰减测量系统的衰减量为A=20log₁₀(D₁/D₀)dB，从而得到锁相放大器的参考信号。

本发明中，参考信号的产生技术区别于现有的任何方法，直接通过分离感应分压器输出端信号获得。此法获得了与测试信号严格相关的参考信号，然后对其进行高阻放大，高阻放大器的输入阻抗要求在兆欧量级，以避免取用测试信号能量影响测量准确度。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.毫米波衰减测量系统中锁相放大器参考信号产生装置，其特征在于，该装置包括依次连接的毫米波信号源、第一隔离衰减器、第二隔离衰减器、毫米波谐波混频器、第一中频放大器、带通滤波器、中频基波混频器、第二中频放大器、感应分压器，所述感应分压器还分别连接有锁相放大器和第三中频放大器，该中频放大器的输出端连接至所述锁相放大器的输入端。

2.根据权利要求1所述的毫米波衰减测量系统中锁相放大器参考信号产生装置，其特征在于，所述感应分压器的信号输出端通过BNC连接器将感应分压器的输出信号分成两路信号，一路参考信号接入锁相放大器的一信号输入端，一路被测信号接入中频高阻放大器的信号输入端。

3.根据权利要求2所述的毫米波衰减测量系统中锁相放大器参考信号产生装置，其特征在于，所述毫米波谐波混频器的一输入端连接有第一本振源，所述中频基波混频器的一输入端连接有第二本振源。

4.根据权利要求3所述的毫米波衰减测量系统中锁相放大器参考信号产生装置，其特征在于，所述第一本振源、第二本振源与所述毫米波信号源采用共时基方式连接。

5.根据权利要求4所述的毫米波衰减测量系统中锁相放大器参考信号产生装置，其特征在于，所述感应分压器的输出阻抗小于0.5Ω，锁相放大器输入阻抗大于1MΩ。

6.毫米波衰减测量系统中锁相放大器参考信号产生方法，其特征在于，该方法为：

1)将毫米波信号源输入第一隔离衰减器的输入端，所述第一隔离衰减器还依次连接有第二隔离衰减器、毫米波谐混频器、第一中频放大器、带通滤波器、中频基波混频器、第二中频放大器、感应分压器，所述感应分压器的信号输出端接入BNC连接器，该BNC连接器将输出信号分成参考信号和被测信号，所述参考信号接入锁相放大器的一信号输入端，所述被测信号接入中频高阻放大器的信号输入端，该中频高阻放大器的信号输出端再连接至锁相放大器的另一信号输入端；

2)用锁相放大器测量被测信号的某一幅度值，记下此时感应分压器各个盘的数值A1、A2……、A8，得出感应分压器的分压比：D0=A1×10^-1+A2×10^-2+……+A8×10^-8；

3)将毫米波信号源输入第一隔离衰减器的输入端，所述第一隔离衰减器的输出端连接被测衰减器的输入端，被测衰减器的输出端连接有第二隔离衰减器，该第二隔离衰减器的输出端依次连接毫米波谐混频器、第一中频放大器、带通滤波器、中频基波混频器、第二中频放大器、感应分压器，所述感应分压器的信号输出端连接BNC连接器，该BNC连接器将输出信号分成参考信号和被测信号，所述参考信号接入锁相放大器的一信号输入端，所述被测信号接入中频高阻放大器的信号输入端，该中频高阻放大器的信号输出端再连接至锁相放大器的另一信号输入端；

4)用锁相放大器测量被测信号的幅度值，当该幅度值与所述步骤2中的幅度值相同时，记下此时感应分压器各个盘的数值A1′、A2′……、A8′，得出感应分压器的分压比：D1=A1′×10^-1+A2′×10^-2+……+A8′×10^-8；

5)计算该衰减测量系统的衰减量：A=20log₁₀(D₁/D₀)dB，得到锁相放大器的参考信号。

7.根据权利要求5所述的毫米波衰减测量系统中锁相放大器参考信号产生方法，其特征在于，所述毫米波谐波混频器的一输入端连接有第一本振源，所述中频基波混频器的一输入端连接有第二本振源。

8.根据权利要求6所述的毫米波衰减测量系统中锁相放大器参考信号产生方法，其特征在于，所述第一本振源、第二本振源与所述毫米波信号源采用共时基方式连接。