CN105790730B - 一种自动频率控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动频率控制装置，包括频率设置模块和频率校正模块，频率设置模块用于设置第一波源信号的频率，频率校正模块用于将频率校正至腔谐振频率，由此将频率设置和频率校正功能分开，在这种功能分开情况下，频率设置模块和频率校正模块可以自由选择灵敏度，又因为频率校正模块的灵敏度较高时会使得信号生成模块中生成的信号幅度较小，导致自动频率控制装置输出的第一波源信号的信噪比降低，为此在本发明中频率校正模块可以选取灵敏度较低的器件使得信号生成模块中生成的信号幅度提高，进而提高自动频率控制装置输出的第一波源信号的信噪比，当输出的第一波源信号的信噪比提高，其对应的电子顺磁共振谱仪的信噪比和灵敏度也得到提高。

Description

一种自动频率控制装置

技术领域

本发明属于自动频率控制技术领域，更具体的说，尤其涉及一种自动频率控制装置。

背景技术

自动频率控制是一种自动调节微波载波频率至目标频率的自动校正技术，以实现频率的自动跟踪。目前随着电子、通信及相关研究领域的快速发展，自动频率控制在诸多领域，如电子顺磁共振谱仪中得到了广泛的应用。

在电子顺磁共振谱仪中，由于谐振腔与测试样品相互作用，导致谐振腔与测试样品发生共振现象时，谐振腔的腔谐振频率变化，并且腔谐振频率也会由于外界温度和振动等因素发生变化，进而引起电子顺磁共振谱线失真。

为避免电子顺磁共振谱线失真，要求波源信号的频率始终与腔谐振频率相同，通常在电子顺磁共振谱仪中设置AFC(Automatic Frequency Control，自动频率控制)装置，通过AFC装置来控制波源信号的频率，以使其与腔谐振频率相同。

目前AFC装置中频率设置功能与频率校正功能集成在一起，如美国专利US7868616使用模块VCO(Voltage Controlled Oscillator，压控振荡器)作为 AFC装置的波源，在模块VCO中频率设置控制信号与AFC反馈信号(用于频率校正)共同作用于VCO的调频端口，实现波源信号频率的设置以及频率的自动校正。但是频率设置控制信号与AFC反馈信号共同作用于VCO的调频端口的方式使得电子顺磁共振谱仪的信噪比和灵敏度降低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自动频率控制装置，用于提高电子顺磁共振谱仪的信噪比和灵敏度。技术方案如下：

本发明提供一种自动频率控制装置，所述装置包括：频率设置模块、信号生成模块和频率校正模块；

所述频率设置模块，用于设置电子顺磁共振谱仪所需第一波源信号的频率；

所述信号生成模块，用于测量所述电子顺磁共振谱仪中谐振腔的腔谐振频率以及用于生成自动频率控制AFC反馈信号，并将所述AFC反馈信号反馈给所述频率校正模块；

所述频率校正模块，用于在所述AFC反馈信号控制下，将所述第一波源信号的频率校正至所述腔谐振频率。

优选地，所述频率设置模块和所述频率校正模块集成在波源处理模块中，且所述波源处理模块具有第一输入端和第二输入端；

其中所述第一输入端用于接收频率设置控制信号，所述频率设置控制信号用于控制所述频率设置模块设置所述第一波源信号的频率；

所述第二输入端用于接收所述AFC反馈信号，所述AFC反馈信号用于控制所述频率校正模块将所述第一波源信号的频率校正至所述腔谐振频率。

优选地，所述频率设置模块包括：频率综合器，其中所述频率综合器的输入端为所述第一输入端，所述频率综合器的输入端接收所述频率设置控制信号，并在所述频率设置控制信号作用下，生成所述频率为低频频率的所述第一波源信号，且所述低频频率的范围在预设范围内；

所述频率校正模块包括：介质振荡器和混频器，所述介质振荡器的输入端为所述第二输入端，所述介质振荡器的输入端连接所述信号生成模块的输出端，且所述介质振荡器在所述AFC反馈信号作用下，生成用于校正所述频率的第二波源信号；

所述混频器，用于将所述第二波源信号的频率混合到所述第一波源信号的频率上，以将所述第一波源信号的频率校正至所述腔谐振频率。

优选地，所述介质振荡器为低频窄带的振荡器。

优选地，所述混频器的本振信号LO端口连接所述频率综合器的输出端，所述混频器的中频信号IF端口连接所述介质振荡器的输出端；

或者

所述混频器的LO端口连接所述介质振荡器的输出端，所述混频器的IF 端口连接所述频率综合器的输出端。

优选地，所述波源处理模块还包括带通滤波器，用于对混合有所述第二波源信号的频率的第一波源信号进行滤波处理。

优选地，所述频率设置模块和所述频率校正模块集成在钇铁石榴石调谐振荡器中；

所述频率设置模块包括所述钇铁石榴石调谐振荡器的线圈，所述线圈的输入端接收所述频率设置控制信号；

所述频率校正模块包括所述钇铁石榴石调谐振荡器的耦合环，所述耦合环的输入端接收所述AFC反馈信号。

优选地，所述信号生成模块包括：环形器、内部振荡器、调制调节幅度电路、放大器、检波二极管、第一低通滤波器、第二低通滤波器、混频器、控制器、移相器、第一加法器、第二加法器、第一开关和第二开关；

所述环形器的一端连接所述频率校正模块的输出端、所述环形器的另一端连接所述电子顺磁共振谱仪中的谐振腔；

所述内部振荡器的输出端连接所述混频器的LO端口，且所述内部振荡器的输出端连接所述调制调节幅度电路的输入端；

所述调制调节幅度电路的输出端连接所述第一加法器的第一输入端，且所述第一加法器的第二输入端连接所述移相器的输出端，所述第一加法器的输出端通过所述第一开关连接所述第二加法器的第一输入端；

所述第二加法器的第二输入端输入直流信号，所述第二加法器的输出端连接所述介质振荡器的输入端；

所述放大器的输入端连接所述环形器的输出端，且所述放大器的输出端连接所述检波二极管的输入端，所述检波二极管的输出端通过第二开关连接所述第一低通滤波器的输入端，所述第一低通滤波器的输出端连接所述混频器的射频信号RF端口；

所述混频器的IF端口通过所述第二低通滤波器连接所述控制器的输入端，且所述控制器的输出端连接所述移相器的输入端。

与现有技术相比，本发明提供的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的自动频率控制装置包括频率设置模块和频率校正模块，其中频率设置模块用于设置第一波源信号的频率，频率校正模块则用于将频率校正至腔谐振频率，由此将频率设置和频率校正功能分开。在频率设置和频率校正功能分开的情况下，频率设置模块和频率校正模块可以自由选择灵敏度，又因为频率校正模块的灵敏度较高时会使得信号生成模块中生成的信号幅度较小，导致自动频率控制装置输出的波源信号的信噪比降低，为此在本发明中频率校正模块可以选取灵敏度较低的器件使得信号生成模块中生成的信号幅度提高，进而提高自动频率控制装置输出的波源信号(即本发明中的第一波源信号)的信噪比，当输出的波源信号的信噪比提高，其对应的电子顺磁共振谱仪的信噪比和灵敏度也得到提高。

并且上述频率设置装置设置频率的方式为电调谐方式，相对于机械调谐方式来说，降低温度对频率设置的影响，从而提高频率的精确度，并且在AFC 反馈信号的作用下可以将频率校正至腔谐振频率，以保持频率与腔谐振频率的一致，降低因频率与腔谐振频率不一致而导致的谱线失真的概率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的自动频率控制装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的自动频率控制装置的电路图；

图3是本发明实施例提供的频率设置模块和频率校正模块的一种电路图；

图4是本发明实施例提供的频率设置模块和频率校正模块的另一种电路图。

具体实施方式

发明人对现有自动频率控制装置进行研究发现，现有自动频率控制装置中频率设置功能和频率校正功能混合在一起，如美国专利US7868616中频率设置控制信号与AFC反馈信号共同作用于VCO的调频端口，通过VCO这一个器件可以同时实现频率设置和频率校正，但是这种频率设置和频率校正集成在同一个器件的方式使得无法分别选取频率设置和频率校正的灵敏度，导致自动频率控制装置输出的波源信号的信噪比降低，进而降低对应的电子顺磁共振谱仪的信噪比和灵敏度。

为解决上述问题，本发明实施例提供的自动频率控制装置的思想是：将频率设置和频率校正功能分开，这样就可以通过不同器件来单独实现这两个功能，以此来单独设置频率设置和频率校正这两个功能对应的器件的灵敏度，以提高自动频率控制装置输出的波源信号的信噪比降低，进而提高对应的电子顺磁共振谱仪的信噪比和灵敏度。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，其示出了本发明实施例提供的自动频率控制装置的结构示意图，可以包括：频率设置模块11、信号生成模块12和频率校正模块13。

频率设置模块11，用于设置电子顺磁共振谱仪所需第一波源信号的频率。其中频率设置模块11设置的频率是第一波源信号的初始频率，且所述初始频率与电子顺磁共振谱仪中谐振腔的腔谐振频率之间存在一定差异，因此若不对初始频率进行校正，则会导致电子顺磁共振谱仪的谱线失真。为此在设置第一波源信号的频率后还需要对第一波源信号的频率进行校正，以使其与腔谐振频率相等，降低因第一波源信号的频率与腔谐振频率不相等而导致谱线失真的概率。

信号生成模块12，用于测量电子顺磁共振谱仪中谐振腔的腔谐振频率以及用于生成AFC反馈信号，并将AFC反馈信号反馈给频率校正模块13。

当谐振腔与样品发生共振时由于样品的加入和外界环境的影响会导致原始的腔谐振频率发生变化，进而导致谱线失真，因此本发明实施例提供的自动频率控制装置要保证输出的波源信号(本实施例中的第一波源信号)的频率始终与谐振腔的原始的腔谐振频率相等，这样即使谐振腔与样品发生共振，电子顺磁共振谱仪得到的频率仍维持在原始的腔谐振频率，为此在本发明实施例中，信号生成模块12需要首先测量到原始的腔谐振频率。在测量到原始的腔谐振频率之后，信号生成模块12则需要生成AFC反馈信号来对波源的频率进行校正。

频率校正模块13，用于在AFC反馈信号控制下，将第一波源信号的频率校正至腔谐振频率，其中将第一波源信号的频率校正至腔谐振频率是指：将第一波源信号的频率的取值调整至腔谐振频率的取值，使得第一波源信号的频率等于腔谐振频率。

从上述技术方案可知，本发明实施例提供的自动频率控制装置包括频率设置模块和频率校正模块，其中频率设置模块用于设置第一波源信号的频率，频率校正模块则用于将频率校正至腔谐振频率，由此将频率设置和频率校正功能分开。在频率设置和频率校正功能分开的情况下，频率设置模块和频率校正模块可以自由选择灵敏度，又因为频率校正模块的灵敏度较高时会使得信号生成模块中生成的信号幅度较小，导致自动频率控制装置输出的第一波源信号的信噪比降低，为此在本发明中频率校正模块可以选取灵敏度较低的器件使得信号生成模块中生成的信号幅度提高，进而提高自动频率控制装置输出的第一波源信号的信噪比，当输出的第一波源信号的信噪比提高，其对应的电子顺磁共振谱仪的信噪比和灵敏度也得到提高。

并且上述频率设置装置设置频率的方式为电调谐方式，相对于机械调谐方式来说，降低温度对频率设置的影响，从而提高频率的精确度，并且在AFC 反馈信号的作用下可以将频率校正至腔谐振频率，以保持频率与腔谐振频率的一致，降低因频率与腔谐振频率不一致而导致的谱线失真的概率。

在本发明实施例中，上述各个模块的电路图如图2所示，其中频率设置模块11和频率校正模块13集成在波源处理模块中(虚线框所示部分)，信号生成模块独立于波源处理模块之外，即本发明实施例提供的自动频率控制装置包括：波源处理模块和信号生成模块两部分，其中波源处理模块输出一个频率为腔谐振频率的波源信号(即本实施例中的第一波源信号)，信号生成模块则用于测量腔谐振频率以及用于生成AFC反馈信号。下面对波源处理模块和信号生成模块进行详细介绍。

波源处理模块具有第一输入端和第二输入端。其中第一输入端用于接收频率设置控制信号，所述频率设置控制信号用于控制频率设置模块设置第一波源信号的频率；相应的第二输入端用于接收AFC反馈信号，所述AFC反馈信号用于控制频率校正模块将第一波源信号的频率校正至腔谐振频率。

也就是说，上述波源处理模块包括频率设置功能和频率校正功能相互独立的两个模块，并且通过相应的输入端将对应信号发送至对应模块中，以通过信号来控制对应模块实现频率设置和频率校正。

具体的，频率设置模块11至少包括频率综合器111，其中频率综合器111 的输入端为第一输入端，所述频率综合器111的输入端接收频率设置控制信号，这样频率综合器111在频率设置控制信号作用下，生成频率为低频频率的第一波源信号，且低频频率的范围在预设范围内。

即在设计频率设置模块11时，可以选用一个低频宽带的频率综合器111，这样上述频率综合器111在频率设置控制信号作用下，可以生成一个宽频带且低相噪的第一波源信号，例如选用的频率综合器111是一个频率在1GHz 至2GHz(吉赫)，这样频率综合器111在设置第一波源信号的频率时，可以在1GHz至2GHz范围内来设置，使得第一波源信号是一个宽频带的波源信号 (即低频频率的范围在预设范围内)。并且当频率综合器111是一个低频的器件时，其可以生成一个相位噪声较好的第一波源信号，即使得第一波源信号是一个低相噪的波源信号。

其中频率设置控制信号可以由电子设备发送至频率综合器111的输入端，通过电子设备来精确地控制频率综合器111在宽带范围内设置频率，所谓宽带是指在预设范围内来设置频率，如上述1GHz至2GHz。并且电子设备中的频率设置控制信号是根据波源的频率和频率综合器111，由程序人员预先编写输入到电子设备中的。

相应的，上述频率校正模块13至少包括：介质振荡器131和混频器132。介质振荡器131的输入端为第二输入端，所述介质振荡器131的输入端连接信号生成模块12的输出端，这样介质振荡器131通过输入端接收AFC反馈信号，在AFC反馈信号作用下，生成用于校正频率的第二波源信号。

在本发明实施例中，上述介质振荡器131也选取一个低频窄带的振荡器，使得介质振荡器131可以输出一个低相噪单频率的第二波源信号，但第二波源信号的频率大于第一波源信号的频率。比如在上述频率综合器111选取一个1GHz至2GHz的器件的情况下，介质振荡器131选取一个8GHz的器件，介质振荡器131则会生成一个频率在8GHz的第二波源信号，其频率大于上述频率综合器111生成的第一波源信号的频率。

混频器132，用于将第二波源信号的频率混合到第一波源信号的频率上，以将第一波源信号的频率校正至腔谐振频率，通过混频器的频谱搬移技术将低频的波源信号变换成一个高频的波源信号输出。如上述第二波源信号的频率为8GHz，第一波源信号的频率为1GHz至2GHz，则通过混频器132的频谱搬移技术，第一波源信号的频率校正至9GHz至10GHz，即通过混频器132 的频谱搬移技术，可以得到一个9GHz至10GHz的高频的第一波源信号输出。

对于混频器132来说，混频器的LO(Local Oscillator，本振信号)端口连接介质振荡器131的输出端，混频器的IF(Intermediate Frequency，中频信号)端口连接频率综合器111的输出端，之所以如此连接，是因为介质振荡器131输出功率较大，能够达到混频器132的LO端口的驱动功率，并且介质振荡器131输出的第二波源信号的频率大于频率综合器111输出的第一波源信号的频率，可以满足LO端口的频率高于IF端口的频率的要求。

并且从上述图2所示电路图中可知，信号生成模块12中内部振荡器产生的部分信号输入到信号生成模块12中混频器的LO端口，信号生成模块12 中混频器的输出通过一系列器件，连同AFC反馈信号一起输入到介质振荡器 131的输入端，这会导致输入至介质振荡器中的信号的频率在一定范围内波动，进而导致频率校正模块13中混频器132的LO端口输入的信号的频率也在一定范围内波动，而混频器的LO端口要求信号的频率较为稳定，因此将介质振荡器131的输出端连接混频器的LO端口虽能实现第一波源信号的频率的校正，但是此种连接方式并不是目前本领域技术人员惯用的连接方式。

为此本发明实施例提供的波源处理模块中，混频器132的LO端口可以连接频率综合器111的输出端，混频器132的IF端口可以连接介质振荡器131 的输出端，如图3所示。频率综合器111虽然由电子设备控制，但是其输出第一波源信号的频率变化通过程序控制可以使得其在很短的一段时间内不变，比如6ms(毫秒)内是不变的，而这点混频器132的LO端口是可以承受的。并且为了保证混频器132正常工作，频率综合器111的频率高于介质振荡器132的频率，如要输出X波段在9GHz至10GHz的第一波源信号，频率综合器111的频率选择8GHz，介质振荡器的频率选择1GHz至2GHz，即混频器132采用图3方式连接情况下，频率综合器111的频率等于混频器132 采用图2方式连接情况下介质振荡器131的频率，相应的混频器132采用图3 方式连接情况下，介质振荡器131的频率等于混频器132采用图2方式连接情况下频率综合器111的频率。

进一步，为了提高杂散抑制程度，上述波源处理模块还包括带通滤波器 100，用于对混合有第二波源信号的频率的第一波源信号进行滤波处理。带通滤波器100具有通带带内平坦度好和阻带抑制程度高的特点，这样波源在经过带通滤波器100后可以有效抑制杂散信号。此外上述波源处理模块中还包括隔离器101、隔离器102、隔离器103和低噪声放大器104，其中隔离器101、 102和103的作用是减小反射信号对前置器件的干扰，避免反射信号造成混频器132，介质振荡器131和低噪声放大器104等敏感器件损坏。低噪声放大器 104用于提高波源输出功率。

通过上述波源处理模块中各个器件的处理，波源处理模块可以输出一个相位噪声低、杂散抑制程度高且频率等于腔谐振频率的波源，之所以相对于 VCO模块来说波源的噪声低、杂散抑制程度高是因为：目前9GHz至10GHz 频段的VCO的相位噪声差在-100dBc/Hz左右。而采用上述低频宽带的频率综合器和低频窄带的介质振荡器可以得到相位噪声很好的波源信号，例如在 -120dBc/Hz左右，在经过频谱搬移得到的相位噪声也在-115dBc/Hz至 -120dBc/Hz范围内，因此可以输出相位噪声低的高频的第一波源信号，其中dBc/Hz是在频率1Hz带宽内的信号功率与信号总功率的比值，dBc是以dB 为单位的1Hz频率处信号功率与信号总功率的比值。

而杂散抑制程度高主要原因有两个：一个是介质振荡器131和频率综合器111的谐波和非谐波的抑制程度好，另一个是波源处理模块还包括一个 8.9GHz至10.1GHz的带通滤波器，带通滤波器的阻带抑制能到-45dB，这样能够将9GHz至10GHz以外的杂散信号全部抑制在-60dBc以下，其抑制效果明显优于单独使用一个9GHz至10GHz的VCO模块，因此通过频谱搬移技术能够得到相位噪声低且杂散抑制程度高的高频的第一波源信号。

在这里需要说明的一点是：对于介质振荡器和频率综合器这两个器件来说，其低频是相较于波源处理模块最终输出的第一波源信号的频率，如上述波源处理模块最终输出的第一波源信号的频率是9GHz至10GHz，而介质振荡器的频率是8GHz，频率综合器的频率是1GHz至2GHz，这两个频率相对于9GHz至10GHz是低频。之所以选用上述两种频率的器件，是因为只有这种频率的介质振荡器和频率综合器的性能最好，其他频段的器件通过混频器最终输出的波源信号的相位噪声和杂散抑制不能达到要求。

从上述电路图可知，频率综合器111用来设置第一波源信号的频率，例如频率范围在1GHz至2GHz，而控制电压在10V左右，需要的灵敏度在几百 MHz量级。而介质振荡器131用来生成校正第一波源信号的频率的第二波源信号，若介质振荡器131的灵敏度与频率综合器111的灵敏度相同，则会导致信号生成模块12中内部振荡器生成的信号幅度太小，而这一点是很难实现，因此上述介质振荡器131的灵敏度较低，为此需要将频率设置和频率校正两种功能分开。并且通过上述波源处理模块可以输出一个相位噪声低、杂散抑制程度高的第一波源信号，在将此第一波源信号应用于电子顺磁共振谱仪中，可以提高电子顺磁共振谱仪的信噪比和灵敏度。而且波源的频率等于腔谐振频率，保证在电子顺磁共振实验中第一波源信号的频率对腔谐振频率的跟踪，在检测电子顺磁共振吸收谱时避免谱线的失真。

上述图2所示信号生成模块12包括环形器121、内部振荡器122、调制调节幅度电路(Modulation Adjust)123、放大器124、检波二极管125、第一低通滤波器126、第二低通滤波器127、混频器128、控制器(PI Controler) 129、移相器130、第一加法器133、第二加法器134、第一开关135和第二开关136。

环形器121的一端连接频率校正模块13的输出端，环形器121的另一端连接电子顺磁共振谱仪中的谐振腔。其中当频率校正模块13的输出端为波源的最终输出端时，环形器121的一端直接连接频率校正模块13的输出端，若频率校正模块13输出的第一波源信号经过其他部件处理后，如图2或图3所示，低噪声放大器104最终输出频率校正模块13输出的第一波源信号，则环形器121的一端连接低噪声放大器104的输出端，即波源处理模块的输出端。

内部振荡器122的输出端连接混频器128的LO端口，且内部振荡器122 的输出端连接调制调节幅度电路123的输入端。即内部振荡器122输出的信号被划分成两路，其中一路信号输出至混频器128的LO端口，另一路信号输出至调制调节幅度电路123的输入端。

调制调节幅度电路123的输出端连接第一加法器133的第一输入端，且第一加法器133的第二输入端连接移相器130的输出端，第一加法器133的输出端通过第一开关135连接第二加法器134的第一输入端。第二加法器134 的第二输入端输入有直流信号，且第二加法器134的输出端连接介质振荡器 131的输入端。其中直流信号可以通过DAC(Digital toAnalog Converter，数字模拟转换器)输出，即第二加法器134的第二输入端可以输入一个随时间不变的信号，此信号和内部振荡器输出的信号通过第二加法器134共同作用到介质振荡器131上，第二加法器134和第一加法器133可以利用印刷电路板上的运算放大器来实现。

放大器124的输入端连接环形器121的输出端，且放大器124的输出端连接检波二极管125的输入端，检波二极管125的输出端通过第二开关136 连接第一低通滤波器126的输入端，第一低通滤波器的输出端连接混频器128 的RF(Radio Frequency，射频信号)端口。混频器128的IF端口通过第二低通滤波器连接控制器129的输入端，且控制器129的输出端连接移相器130 的输入端。

在本发明实施例中，上述信号生成模块12的工作过程是：内部振荡器122 输出一个低频的正弦信号，所述正弦信号分为两部分：其中一部分输出至混频器128的LO端口，另一部分输出至调制调节幅度电路123的输入端，进行信号幅度的调整，使得幅度调整后的信号可以对介质振荡器131进行频率的调制。波源处理模块输出的第一波源信号经过电子顺磁共振谱仪中谐振腔3 的反射转变为幅度调制信号，通过放大器124的信号放大以及检波二极管125 的解调，得到与内部振荡器122同频的信号，且这一信号的幅度与相位包含第一波源信号的频率与腔谐振频率相对大小的信息。

在第二开关136(K2)置于调谐模式(Tuning Mode)下，第一开关135 (K1)接地时，信号生成模块12的自动频率控制功能关闭，实现测量谐振腔 (3)的谐振频率的功能。在第二开关136置于实验模式(Experment Mode) 下，第一开关135与第一加法器133连接时，与内部振荡器122同频的信号将通过混频器128进一步解调，经过第二低通滤波器127滤波后得到近乎直流的校正信号。上述第一开关135和第二开关136可以通过继电器开关芯片实现其置于某种模式下，通过单片机产生高低电平进而控制继电器产生的磁场来实现开关的模式控制。

控制器129将得到的全部校正信号累加得到AFC反馈信号，并且控制器 129还可以通过设置比例项和积分项的相对大小来控制校正信号达到稳定状态的时间，以使校正信号较快达到稳定状态，当校正信号较快达到稳定状态时，表明第一波源信号的频率也会尽快等于腔谐振频率，进而提高校正效率。 AFC反馈信号同调制调节幅度电路123得到的信号通过第一加法器133和第二加法器134输出给介质振荡器131，以对第一波源信号的频率进行校正，实现第一波源信号的频率对腔谐振频率的锁定功能。

其中上述移相器129的作用在于调整AFC反馈信号的极性。当第一波源信号的频率偏小时，AFC反馈信号极性为正，当第一波源信号的频率偏大时， AFC反馈信号极性为负。上述第一低通滤波器126和第二低通滤波器127的作用是滤除高频谐波成分。

此外上述信号生成模块12还可以采用其他电路图，如基于谐振腔相频关系的自动频率控制方式中，利用谐振腔的腔入射信号和腔反射信号的相位差与信号频率的关系，通过参考信号和腔反射信号的比较得到AFC反馈信号，对于此种方式的信号生成模块12的电路图不再进行详述。

同样的，对于上述频率设置模块11和频率校正模块13来说，其也可以采用其他电路图，如将上述频率设置模块11和频率校正模块13集成在YIG 调谐振荡器(Yttrium IronGarnet，钇铁石榴石)中，如图4所示。

其中频率设置模块11包括YIG调谐振荡器的线圈，线圈的输入端接收频率设置控制信号，在频率设置控制信号作用下控制流经线圈中的电流以控制线圈生成的磁场，即通过控制线圈中的电流实现对磁场的控制，而一定磁场对应一定频率，因此通过控制电流可以设置第一波源信号的频率。

频率校正模块13包括YIG调谐振荡器的耦合环，耦合环的输入端接收 AFC反馈信号，在AFC反馈信号作用下，耦合环控制YIG调谐振荡器中YIG 小球的谐振腔结构变化来校正第一波源信号的频率至腔谐振频率。频率校正模块13校正后的第一波源信号通过有源器件与反馈、匹配网络的优化处理后输出给信号生成模块12，具体的，输出至信号生成模块12的环形器121中。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得设备不仅包括那些要素，而且还包括设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自动频率控制装置，其特征在于，所述装置包括：频率设置模块、信号生成模块和频率校正模块；

所述频率设置模块，用于设置电子顺磁共振谱仪所需第一波源信号的频率；

所述信号生成模块，用于测量所述电子顺磁共振谱仪中谐振腔的腔谐振频率以及用于生成自动频率控制AFC反馈信号，并将所述AFC反馈信号反馈给所述频率校正模块；

所述频率校正模块，用于在所述AFC反馈信号控制下，将所述第一波源信号的频率校正至所述腔谐振频率；

其中，所述频率设置模块和所述频率校正模块集成在波源处理模块中，且所述波源处理模块具有第一输入端和第二输入端；

其中所述第一输入端用于接收频率设置控制信号，所述频率设置控制信号用于控制所述频率设置模块设置所述第一波源信号的频率；

所述第二输入端用于接收所述AFC反馈信号，所述AFC反馈信号用于控制所述频率校正模块将所述第一波源信号的频率校正至所述腔谐振频率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述频率设置模块包括：频率综合器，其中所述频率综合器的输入端为所述第一输入端，所述频率综合器的输入端接收所述频率设置控制信号，并在所述频率设置控制信号作用下，生成所述频率为低频频率的所述第一波源信号，且所述低频频率的范围在预设范围内；

所述频率校正模块包括：介质振荡器和混频器，所述介质振荡器的输入端为所述第二输入端，所述介质振荡器的输入端连接所述信号生成模块的输出端，且所述介质振荡器在所述AFC反馈信号作用下，生成用于校正所述频率的第二波源信号；

所述混频器，用于将所述第二波源信号的频率混合到所述第一波源信号的频率上，以将所述第一波源信号的频率校正至所述腔谐振频率。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述介质振荡器为低频窄带的振荡器。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述混频器的本振信号LO端口连接所述频率综合器的输出端，所述混频器的中频信号IF端口连接所述介质振荡器的输出端；

或者

所述混频器的LO端口连接所述介质振荡器的输出端，所述混频器的IF端口连接所述频率综合器的输出端。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述波源处理模块还包括带通滤波器，用于对混合有所述第二波源信号的频率的第一波源信号进行滤波处理。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述频率设置模块和所述频率校正模块集成在钇铁石榴石调谐振荡器中；

所述频率设置模块包括所述钇铁石榴石调谐振荡器的线圈，所述线圈的输入端接收所述频率设置控制信号；

所述频率校正模块包括所述钇铁石榴石调谐振荡器的耦合环，所述耦合环的输入端接收所述AFC反馈信号。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信号生成模块包括：环形器、内部振荡器、调制调节幅度电路、放大器、检波二极管、第一低通滤波器、第二低通滤波器、混频器、控制器、移相器、第一加法器、第二加法器、第一开关和第二开关；

所述环形器的一端连接所述频率校正模块的输出端、所述环形器的另一端连接所述电子顺磁共振谱仪中的谐振腔；

所述内部振荡器的输出端连接所述混频器的LO端口，且所述内部振荡器的输出端连接所述调制调节幅度电路的输入端；

所述调制调节幅度电路的输出端连接所述第一加法器的第一输入端，且所述第一加法器的第二输入端连接所述移相器的输出端，所述第一加法器的输出端通过所述第一开关连接所述第二加法器的第一输入端；

所述第二加法器的第二输入端输入直流信号，所述第二加法器的输出端连接所述介质振荡器的输入端；

所述放大器的输入端连接所述环形器的输出端，且所述放大器的输出端连接所述检波二极管的输入端，所述检波二极管的输出端通过第二开关连接所述第一低通滤波器的输入端，所述第一低通滤波器的输出端连接所述混频器的射频信号RF端口；

所述混频器的IF端口通过所述第二低通滤波器连接所述控制器的输入端，且所述控制器的输出端连接所述移相器的输入端。