CN107483049A - 一种宽带捷变频频率源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带捷变频频率源，包括依次连接的同步晶振模块、基频模块、变频模块、功率校准模块和开关滤波模块；通过对基频采用连续分频取谐波的方式实现了超宽带、小步进、捷变频的目的，改善了杂散指标、缩短系统变频时间，提高了系统的可靠性。

Description

一种宽带捷变频频率源
技术领域
本发明涉及频率源设计领域，尤其涉及一种宽带捷变频频率源。
背景技术
随着现代通信技术的发展，频率源在通信中的作用越来越重要。在通信雷达、无线通信、微波测试设备和频谱监测等系统的射频前端中，都需要使用宽频带、低杂散、低相位噪声的微波频率源来提高系统的的抗干扰能力以及通信的保密能力。微波频率源是一个微波系统的心脏，它决定了系统性能的好坏。在高精度测距雷达上，微波频率源就决定了雷达距离分辨率等指标。随着信号源、频谱分析仪、矢量网络分析仪等射频微波测试设备的发展，对频率源的各方面指标都提出了越来越高的要求。
频率源中多用到频率合成技术，随着技术的发展，许多新技术被融合在一起用到了频率合成器中，其中使用较为广泛的是直接频率合成技术(DDS)和锁相环技术(PLL)。这些技术使得频率源能够产生多种能够满足各种需求的频率信号，同时也伴随着一些问题，比如杂散。而一般情况下，杂散只能依靠在频率源中选择特定的频率点或者使用滤波器来滤除。所以，在使用这些技术的同时要综合考虑指标满足设计需求。
因此，研究宽频带、低相噪、低杂散的微波频率源具有非常重要的意义。
发明内容
为了解决现有频率源无法同时满足超宽带、小步进、捷变频的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种宽带捷变频频率源，通过对基频采用连续分频取谐波的方式实现了超宽带、小步进、捷变频的目的，改善了杂散指标、缩短系统变频时间，提高了系统的可靠性，有极好的经济效益和应用前景。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种宽带捷变频频率源，包括依次连接的同步晶振模块、基频模块、变频模块和开关滤波模块；
所述同步晶振模块，用于向基频模块提供参考信号，同时对外提供内外同步参考信号；
所述基频模块，用于对同步晶振模块提供的参考信号进行混频锁相，得到窄带基频信号；
所述变频模块，用于对窄带基频信号进行变频取谐波，得到宽带变频信号；
所述开关滤波模块，用于通过控制开关将宽带变频信号选到对应的滤波支路进行滤波，输出最终信号。
本发明的有益效果：通过变频模块对基频变频取谐波的方式，实现了超宽带、小步进、捷变频的目的，改善了杂散指标、缩短系统变频时间，提高了系统的可靠性，弥补了目前市场上捷变“窄带低频”的缺点。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括功率校准模块，所述功率校准模块连接在所述变频模块和开关滤波模块之间，用于对变频信号进行功率校准，输出平坦信号。
采用上述进一步方案的有益效果是：实现输出功率的可控化。
进一步，所述同步晶振模块包括第一耦合器，所述第一耦合器的一输出端连接第一鉴相器，所述第一鉴相器连接第一开关的一输入端，所述第一耦合器的另一输出端连接检波器，所述检波器连接到比较器的正向输入端，所述比较器的输出端连接第一开关的控制端，所述比较器的负向输入端和第一开关的另一输入端均连接参考电压，所述第一开关的输出端通过恒温晶振连接到第一功分器的输入端，所述第一功分器的一输出端连接第二功分器的输入端；所述第二功分器的一输出端反馈到所述第一鉴相器，另一输出端输出参考信号；所述第一功分器的另一输出端连接到第二耦合器，所述第二耦合器输出两路信号作为参考信号。
采用上述进一步方案的有益效果是：将晶振信号分为四路实现各自功能，为整个频率源提供源头上的参考信号,可实现参考信号的同步，进一步地能达到多个捷变频的同频同相功能。
进一步，所述第一鉴相器和第一开关之间还连接有第一低通滤波器，所述第一功分器和第二功分器之间还连接有第二低通滤波器，所述第一功分器和第二耦合器之间还连接有第三低通滤波器，所述第二功分器和鉴相器之间还连接有衰减器。
采用上述进一步方案的有益效果是：能滤掉各路信号的噪声及杂波，输出有用信号。
进一步，所述基频模块包括第二倍频器，所述第二倍频器连接第二混频器的R端；所述第二混频器的I端连接第二鉴相器，所述第二鉴相器通过无源环路滤波器连接窄带VCO，所述窄带VCO连接第三功分器的输入端，所述第三功分器的一输出端连接DDS模块，所述DDS模块连接第一混频器的I端；所述第三功分器的另一输出端通过第二运放连接第四功分器，所述第四功分器的一输出端连接第一倍频器，所述第一倍频器的输出端连接第一混频器的L端；所述第四功分器的另一输出端连接第二混频器的L端，所述第一混频器的R端作为信号输出端。
采用上述进一步方案的有益效果是：产生优异相位噪声的点频源信号，从而保证整个频率源的相位噪声的优异指标。
进一步，所述第三功分器的一输出端和DDS模块之间连接有第一运放，所述DDS模块与第一混频器之间连接有第四低通滤波器，所述第一倍频器和第一混频器之间依次连接有腔体滤波器和第四运放，所述第四功分器和第二混频器之间依次连接有第五低通滤波器和第三运放，所述第二鉴相器和第二混频器之间依次连接有第六运放和高通滤波器，所述第二倍频器和第二混频器之间依次连接有第五运放和滤波器。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过混频的方式将低频点源信号变化为高频窄带的捷变频信号，同时对杂散的恶化程度较小。
进一步，所述变频模块包括至少一级分频单元，所述分频单元包括依次连接的第一腔体滤波器、第七运放和分频器，所述分频器连接第二开关的输入端，所述第二开关的两输出端分别通过第二腔体滤波器和第三腔体滤波器连接第三开关的两输入端，所述第三开关的输出端输出信号。
采用上述进一步方案的有益效果是：实现了频率从窄带到宽带的变化，同时对相位噪声的恶化程度较小。
进一步，所述开关滤波模块包括至少一级开关滤波单元，所述开关滤波单元包括相连接的第四开关和低通滤波器。
采用上述进一步方案的有益效果是：可通过低通滤波器来实现宽带的滤波。
进一步，所述功率校准模块包括至少一级放大衰减单元，所述放大衰减单元包括相连接的第八运放和数控衰减器组成。
采用上述进一步方案的有益效果是：实现输出功率的可控化。
附图说明
图1为本发明的整体框图；
图2为本发明的同步晶振结构图；
图3为本发明的基频模块结构图；
图4为本发明的变频模块结构图；
图5为本发明的功率校准模块结构图；
图6为本发明的开关滤波模块结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明为了解决为了解决现有频率源无法同时满足超宽带、小步进、捷变频的问题，提供了一种宽带捷变频频率源，包括依次连接的同步晶振模块、基频模块、变频模块、功率校准模块和开关滤波模块；
所述同步晶振模块，用于向基频模块提供参考信号，同时对外提供内外同步参考信号；
所述基频模块，用于对同步晶振模块提供的参考信号进行混频锁相，得到窄带基频信号；
所述变频模块，用于对窄带基频信号进行变频，得到宽带变频信号；
所述功率校准模块，用于对变频信号进行功率校准，输出平坦信号；
所述开关滤波模块，用于通过控制开关将宽带变频信号选到对应的滤波支路进行滤波，输出最终信号。
如图2所示，所述同步晶振模块包括第一耦合器，所述第一耦合器的一输出端连接第一鉴相器，所述第一鉴相器连接第一开关的一输入端，所述第一耦合器的另一输出端连接检波器，所述检波器连接到比较器的正向输入端，所述比较器的输出端连接第一开关的控制端，所述比较器的负向输入端和第一开关的另一输入端均连接参考电压，所述第一开关的输出端通过恒温晶振连接到第一功分器的输入端，所述第一功分器的一输出端连接第二功分器的输入端；所述第二功分器的一输出端反馈到所述第一鉴相器，另一输出端输出参考信号；所述第一功分器的另一输出端连接到第二耦合器，所述第二耦合器输出两路信号作为参考信号。
所述鉴相器和第一开关之间还连接有第一低通滤波器，所述第一功分器和第二功分器之间还连接有第二低通滤波器，所述第一功分器和第二耦合器之间还连接有第三低通滤波器，所述第二功分器和鉴相器之间还连接有衰减器。
当有10MHz外部参考信号输入时，参考信号经过第一耦合器耦合后，一路给第一鉴相器，一路给检波器；第一鉴相器比较外部参考电压与内部恒温晶振信号后输出泵电流，该泵电流经过环路低通滤波器转变成压控电压Vt；检波器检测到外部参考信号后输出检波电压，该检波电压与比较器预置的参考电压比较输出一个定值电压作为第一开关的控制电压；通过该控制电压控制第一开关选择Vt输出到恒温晶振的控制管脚来实现晶振与外部参考信号的同步；
10MHz外部参考信号输入时，第一开关选择预置电压输出给恒温晶振使恒温晶振正常工作。
恒温晶振的输出信号经过第一功分器分成两路，一路经过第二低通滤波器后输出到第二功分器，一路经过第三低通滤波器后输出到第二耦合器；第二功分器将100MHz信号功分成两路，一路经过衰减器反馈到第一鉴相器进行比较，一路作为产品输出信号；第二耦合器将100MHz信号分为通路信号和耦合信号。
如图3所示，所述基频模块包括第二倍频器，所述第二倍频器连接第二混频器的R端；所述第二混频器的I端连接第二鉴相器，所述第二鉴相器通过无源环路滤波器连接窄带VCO，所述窄带VCO连接第三功分器的输入端，所述第三功分器的一输出端连接DDS模块，所述DDS模块连接第一混频器的I端；所述第三功分器的另一输出端通过第二运放连接第四功分器，所述第四功分器的一输出端连接第一倍频器，所述第一倍频器的输出端连接第一混频器的L端；所述第四功分器的另一输出端连接第二混频器的L端，所述第一混频器的R端作为信号输出端。
所述第三功分器的一输出端和DDS模块之间连接有第一运放，所述DDS模块与第一混频器之间连接有第四低通滤波器，所述第一倍频器和第一混频器之间依次连接有腔体滤波器和第四运放，所述第四功分器和第二混频器之间依次连接有第五低通滤波器和第三运放，所述第二鉴相器和第二混频器之间依次连接有第六运放和高通滤波器，所述第二倍频器和第二混频器之间依次连接有第五运放和滤波器。
信号经过第二倍频器成为扩频信号,经过第五运放放大信号后再经过滤波器滤除谐波，信号经过滤波器滤掉倍频杂散后作为第二混频器的射频信号；该射频信号与本振信号混频后输出中频信号，中频信号经过高通滤波器滤掉低频信号后经过第六运放进行放大，再反馈到第二鉴相器来实现环路的锁定，通过混频锁相环的方式能避免直接锁定方式带来的相噪恶化。
耦合信号经过第二鉴相器做参考信号；第二鉴相器比较参考信号与反馈信号输出泵电流，泵电流经过无源环路滤波器成为压控电压，压控电压控制窄带VCO输出一个点频信号；点频信号经过第三功分器分成两路，一路功分信号经过第一运放后再经过DDS模块输出低频率、小步进、捷变频的DDS信号；DDS信号经过第四滤波器后作为第一混频器的中频信号；另一路功分信号经过第二运放后输出到第四功分器功分成两路，一路信号经过第一倍频器、腔体滤波器和第四运放后作为第一混频器的本振信号；第四功分器另一路信号经过第五低通滤波器和第三运放进行滤波放大后作为第二混频器的本振信号；本振信号与中频信号混频后输出高频率，小步进、捷变频的基频信号；基频模块端关键点在于通过混频锁相的方式来获得高频率，小步进、捷变频的基频信号。
如图4所示，所述变频模块包括至少一级分频单元，每级所述分频单元包括依次连接的第一腔体滤波器、第七运放和分频器，所述分频器连接第二开关的输入端，所述第二开关的两输出端分别通过第二腔体滤波器和第三腔体滤波器连接第三开关的两输入端，所述第三开关的输出端输出信号。
对于每级分频单元，基频信号先后经过第一腔体滤波器、第七运放进行滤波放大后输出到SPI分频器，其中，SPI分频器的分频数为1～232-1，通过FPGA芯片控制分频器的分频数将基频信号变成不同的变频信号；通过控制第二开关来选择不同的变频信号到对应的第二腔体滤波器和第三腔体滤波器来选择变频信号的谐波信号，再经过第三开关选出谐波信号。
对于多级分频单元，则重复上面的每级分频单元，经过连续的变频操作后，窄带小步进捷变频的基频信号变成0.2～20GHz的宽带小步进捷变频信号。变频模块为本发明的关键点，其关键在于通过对基频采用分频后取谐波的方式来实现频率范围的扩宽，这种方式对产品的相位噪声影响也很小。而且采用这种方式理论上能将频率扩展到更宽的带宽。
如图5所示，所述功率校准模块包括至少一级放大衰减单元，每级所述放大衰减单元包括相连接的第八运放和数控衰减器组成。
宽带信号经过第八运放放大后输出到数控衰减器，数控衰减器的作用是控制宽带信号的功率来校准信号的平坦度。也可通过连续多级的放大衰减，能够保证有足够的衰减余量将产品的平坦度控制在±1dB指标内，通过它来实现输出功率信号的最大化。
如图6所示，所述开关滤波模块包括至少一级开关滤波单元，每级所述开关滤波单元包括相连接的第四开关和低通滤波器。
这里，通过第四开关将宽带信号分成4段，但也可选择其他开关，通过这种方式将功率校准模块的输出信号切换到不同的滤波支路滤波后再经过末级的第六低通滤波器滤波输出最终信号。
本发明特别适用于通信雷达、无线通信、微波测试设备和频谱监测等系统，以及各种射频微波测试仪器的设计。由于通常实现宽频带的同时往往杂散较多、且锁定时间较长，采用该微波频率源后可以大大改善杂散指标、缩短系统锁定时间，提高系统的可靠性，有极好的经济效益和应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种宽带捷变频频率源，其特征在于，包括依次连接的同步晶振模块、基频模块、变频模块和开关滤波模块；
所述同步晶振模块，用于向基频模块提供参考信号，同时对外提供内外同步参考信号；
所述基频模块，用于对同步晶振模块提供的参考信号进行混频锁相，得到窄带基频信号；
所述变频模块，用于对窄带基频信号进行变频取谐波，得到宽带变频信号；
所述开关滤波模块，用于通过控制开关将宽带变频信号选到对应的滤波支路进行滤波，输出最终信号。
2.根据权利要求1所述的宽带捷变频频率源，其特征在于，还包括功率校准模块，所述功率校准模块连接在所述变频模块和开关滤波模块之间，用于对变频信号进行功率校准，输出平坦信号。
3.根据权利要求1所述的宽带捷变频频率源，其特征在于，所述同步晶振模块包括第一耦合器，所述第一耦合器的一输出端连接第一鉴相器，所述第一鉴相器连接第一开关的一输入端，所述第一耦合器的另一输出端连接检波器，所述检波器连接比较器的正向输入端，所述比较器的输出端连接第一开关的控制端，所述比较器的负向输入端和第一开关的另一输入端均连接参考电压，所述第一开关的输出端通过恒温晶振连接第一功分器的输入端，所述第一功分器的一输出端连接第二功分器的输入端；所述第二功分器的一输出端反馈到所述第一鉴相器，另一输出端输出参考信号；所述第一功分器的另一输出端连接到第二耦合器，所述第二耦合器输出两路信号作为参考信号。
4.根据权利要求3所述的宽带捷变频频率源，其特征在于，所述第一鉴相器和第一开关之间还连接有第一低通滤波器，所述第一功分器和第二功分器之间还连接有第二低通滤波器，所述第一功分器和第二耦合器之间还连接有第三低通滤波器，所述第二功分器和鉴相器之间还连接有衰减器。
5.根据权利要求1所述的宽带捷变频频率源，其特征在于，所述基频模块包括第二倍频器，所述第二倍频器连接第二混频器的R端；所述第二混频器的I端连接第二鉴相器，所述第二鉴相器通过无源环路滤波器连接窄带VCO，所述窄带VCO连接第三功分器的输入端，所述第三功分器的一输出端连接DDS模块，所述DDS模块连接第一混频器的I端；所述第三功分器的另一输出端通过第二运放连接第四功分器，所述第四功分器的一输出端连接第一倍频器，所述第一倍频器的输出端连接第一混频器的L端；所述第四功分器的另一输出端连接第二混频器的L端，所述第一混频器的R端作为信号输出端。
6.根据权利要求5所述的宽带捷变频频率源，其特征在于，所述第三功分器的一输出端和DDS模块之间连接有第一运放，所述DDS模块与第一混频器之间连接有第四低通滤波器，所述第一倍频器和第一混频器之间依次连接有腔体滤波器和第四运放，所述第四功分器和第二混频器之间依次连接有第五低通滤波器和第三运放，所述第二鉴相器和第二混频器之间依次连接有第六运放和高通滤波器，所述第二倍频器和第二混频器之间依次连接有第五运放和滤波器。
7.根据权利要求1所述的宽带捷变频频率源，其特征在于，所述变频模块包括至少一级分频单元，每级所述分频单元包括依次连接的第一腔体滤波器、第七运放和分频器，所述分频器连接第二开关的输入端，所述第二开关的两输出端分别通过第二腔体滤波器和第三腔体滤波器连接第三开关的两输入端，所述第三开关的输出端输出信号。
8.根据权利要求1所述的宽带捷变频频率源，其特征在于，所述开关滤波模块包括至少一级开关滤波单元，每级所述开关滤波单元包括相连接的第四开关和低通滤波器。
9.根据权利要求2所述的宽带捷变频频率源，其特征在于，所述功率校准模块包括至少一级放大衰减单元，每级所述放大衰减单元包括相连接的第八运放和数控衰减器组成。
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