CN110545101B - 一种基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及射频微波技术领域，公开了一种基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法。将恒温槽应用于锁相环，针对系统需求对锁相环及恒温槽设计要求进行细化，由系统需求的相位稳定度要求及锁相环相位温度敏感度确定恒温槽内温度达到恒温目标温度后的温度稳定度，并设计锁相环尺寸、重量、功耗等参数；将锁相环和恒温槽进行一体化集成。集成整体在加电工作后某确定时间内，恒温槽实现预期的温度稳定效果，锁相环在近似恒温的条件下工作，弱化环境温度对锁相环的影响，使锁相环输出信号相位达到一定的稳定状态。
Description
技术领域
本发明涉及射频微波技术领域，特别是一种基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法。
背景技术
锁相环广泛应用于射频微波电路与系统。通过大量试验测试验证，环境温度变化对锁相环输出信号相位影响较大，表现为：伴随环境温度变化，锁相环输出信号的相位会产生漂移。同时该问题具有一定离散性，表现在同一型设计的锁相环生产加工出的不同个体之间，输出信号相位受温度变化的影响程度不同。在以往的系统应用中，需要在系统上电后经过一定的时间，锁相环工作环境达到一定稳定状态，锁相环输出信号相位才能随之进入一定的稳定状态，但工作环境温度一旦发生变化，锁相环输出信号相位又会随之改变。对相位要求不高的系统不关注该问题，但对于相位要求较高的系统应用而言，该问题对系统的影响凸显；对工作在宽温区或环境温度变化较剧烈条件下的系统而言，锁相环输出信号相位漂移问题更加突出；尤其对于将多个同频锁相环应用于系统不同位置的分布式系统而言，每个锁相环个体的输出信号相位不能处于一定的稳定状态，将使多个同频锁相环输出信号之间的相位关系混乱变化，致使系统指标恶化，甚至使系统无法正常工作。
恒温槽在电子电路中应用方向较少，主要在恒温晶体振荡器电路中应用，以解决晶体振荡器性能指标易受温度影响的问题。例如专利“附恒温槽的晶体振荡器及温度控制电路(CN201220224645)”、专利“附恒温槽的晶体振荡器(CN201710098206)”及专利“一种高稳定信标源(CN201310375017)”等，都涉及恒温槽在晶体振荡器中的应用。恒温槽在晶体振荡器中通常应用方法是：将晶体振荡器置于恒温槽内，使用外壳进行一体化集成，作为整体进行工作；恒温槽内放置温度传感器及温度控制单元，进行温度控制，使晶体振荡器在某一较恒定的温度点环境下工作，以提高晶体振荡器的指标。
将恒温槽应用于锁相环解决锁相环输出信号相位稳定性问题的方法，业界暂无该应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，将恒温槽应用于锁相环，针对系统需求对锁相环及恒温槽设计要求进行细化，将锁相环和恒温槽进行一体化集成，集成整体在加电工作后的一个确定时间内，恒温槽实现预期的温度稳定效果，锁相环在近似恒温的条件下工作，弱化环境温度对锁相环的影响，使锁相环输出信号相位达到一定的稳定状态。
本发明采用的技术方案如下：一种基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，包括：
步骤S1，分解系统需求，确定锁相环设计方案；
步骤S2，进行锁相环设计并给出锁相环的相位温度敏感度；
步骤S3，由系统需求的相位稳定度要求及锁相环相位温度敏感度确定恒温槽内温度达到恒温目标温度后的温度稳定度；
步骤S4，由锁相环设计，通过设计统计或测试，得出锁相环结构尺寸、锁相环物料及重量、锁相环功耗(用Ppll表示)；
步骤S5，由系统需求的供电和锁相环功耗确定恒温槽供电及功耗；
步骤S6，由系统对锁相环及恒温槽一体化集成整体的工作环境条件、相位上电稳定时间及恒温目标温度，确定变温速率；
步骤S7，确定锁相环与恒温槽的一体化集成形式；
步骤S8，确定供电及射频信号传输接口形式给锁相环和恒温槽一体化集成整体进行供电及实现射频信号传输；
步骤S9，制定恒温槽设计要求，所述恒温槽设计要求包括步骤S1到步骤S8中获取的要素以及系统对恒温槽和锁相环一体化集成整体结构外形要求和工作环境条件；
步骤S10，判断恒温槽设计要求是否超出设计能力，超出设计能力则向系统需求及锁相环设计反馈，进行修改迭代；未超出设计能力则进行步骤S11；
步骤S11，按步骤S7中预定的一体化集成形式，将锁相环与恒温槽进行一体化集成；
步骤S12，对集成整体进行相位上电稳定时间及相位稳定度进行测试；
步骤S13，判断测试结果是否满足系统需求，满足系统需求则完成任务；不满足系统需求则进行修改迭代，改进锁相环及恒温槽设计。
进一步的，所述步骤S1中，所述锁相环设计方案为：将系统需求的输出频率、谐波抑制、杂散抑制、输出功率、相位噪声这五个指标映射到锁相环设计中，所述指标在锁相环工作温度范围内必须满足系统需求。
进一步的，所述步骤S1中，所述锁相环工作温度范围由锁相环设计决定，所述锁相环工作温度范围由锁相环设计中的器件正常工作温度范围确定，在锁相环工作温度范围内选取恒温目标温度；公式表达为：
Ta∈(T1,T2) (公式1)
Ta为恒温槽内希望实现的恒温目标温度，T1为锁相环可正常工作的温度下限，T2为锁相环可正常工作的温度上限。
进一步的，所述步骤S2中，所述相位温度敏感度在锁相环工作范围内的不同温度点上具有不同的值；在工程实现上，针对恒温目标温度Ta，可以简化地使用一个近似值表示相位温度敏感度；公式表达为：
Sha@Ta (公式2)
并限定Sha∈[0,360]。
进一步的，所述步骤S3中，所述温度稳定度用恒温槽内温度相对于恒温目标温度的偏移量ΔT来表征，需满足以下条件：
Sha×|ΔT|≤|Xpha| (公式3)
其中Sha引自公式2，ΔT为恒温槽内温度相对于恒温目标温度的偏移量，Xpha为锁相环输出信号相位相对于稳定相位的最大允许偏移量，表征相位波动，Xpha由系统需求给出；并必须保证：
Ta+ΔT∈[T1,T2] (公式4)
即锁相环所处环境温度始终不可超出锁相环工作温度范围。
进一步的，所述步骤S5中，所述恒温槽的供电电压等于系统需求的供电电压，恒温槽的功耗小于等于系统可提供的总供电功率减去锁相环功耗，用公式表达为：
Vinc＝Vsys (公式5)
Pinc≤Psys-Ppll (公式6)
其中Vinc为恒温槽的供电电压，Vsys为系统需求的供电电压；Pinc为恒温槽的功耗，Psys为系统可提供给锁相环和恒温槽的总供电功率，Ppll为锁相环功耗。
进一步的，所述步骤S6中，所述变温速率满足：
tsys×(RT-Rmar)>ΔTc (公式7)
其中tsys为系统要求的相位上电稳定时间；RT为恒温槽变温速率，Rmar为变温速率的工程裕量，ΔTc为需要变化的温度量值，所述ΔTc由公式8确定：
ΔTc＝max{|Ta-TH|,|Ta-TL|} (公式8)
Ta引自公式1，TH为系统给出的锁相环及恒温槽一体化集成整体的工作环境温度上限温度值，TL为系统给出的锁相环及恒温槽一体化集成整体的工作环境温度下限温度值
进一步的，所述步骤S7中，所述锁相环与恒温槽的一体化集成形式可以是完全包裹形式(即将锁相环完全置于恒温槽内)或部分包裹形式(即恒温槽对锁相环未形成完全包裹)。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：采用本发明的技术方案，可以利用恒温槽对温度的控制能力，在某确定时间内，将锁相环的工作温度限定在一定的范围内，弱化环境温度及其变化对锁相环输出信号相位的影响，从而使锁相环输出信号相位达到一定的稳定状态。
附图说明
图1是一种基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法的流程图。
图2是一体化集成形式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
在某系统中，使用高稳定基准源及锁相环进行频率综合，为实现系统目标，对某型锁相环提出以下要求：使用与被测锁相环共参考的信号源上电预热稳定后的输出信号作为标准信号，以锁相环上电工作20分钟处锁相环的输出信号与标准信号间的相位差作为基线，所述相位差即锁相环输出信号相位相对于标准信号相位(稳定相位)的偏移量，要求在上电工作20分钟至上电工作6小时的过程中，锁相环输出信号与标准信号之间的相位差稳定在基线±3度以内。该指标在室温20℃～25℃条件下考核，同时设计保证在-40℃～+65℃温区指标可实现。
锁相环与信号源的参考信号同样来自高稳定基准源的无源功分信号，可以排除参考信号对相位差变化的影响。关键点是在上电工作20分钟以内的时间里，使锁相环输出信号相位达到并保持一定的稳定状态，从而保证上电工作20分钟至上电工作6小时的过程中锁相环的输出信号相位稳定在系统要求范围内。
为验证本发明描述的方法有效性，使用网络分析仪(本文采用KEYSIGHT公司N5242A PNA-X微波网络分析仪)、信号源(本文采用KEYSIGHT公司E8257D PSG模拟信号发生器)搭建测试系统。信号源与锁相环采用来自同一个高稳定基准源的无源功分信号作为参考信号，并输出同频率信号。信号源经加电预热后进入稳定工作状态，将信号源的输出信号作为标准。利用网络分析仪的相位差测量功能，通过测取标准信号与锁相环输出信号之间的相位差变化情况来衡量锁相环输出信号相位稳定性。
选定锁相环A(输出频率4.5GHz)，在不采用本发明描述的方法条件下开展测试。在室温20℃～25℃条件下，锁相环A上电工作20分钟时测得其输出信号与标准信号之间的相位差约为12.5度。进行持续监测，发现相位差处于变化状态，至上电工作2小时时测得两路锁相环输出信号相位差约为-159度。在上电20分钟至上电2小时的过程中，两路信号间的相位差变化接近-170度，显然无法满足系统要求。
使用本专利描述的一种基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，按如图1所示的实施步骤开展工作。
1)分析系统需求，确定锁相环设计方案。所选取的锁相环A在输出频率、谐波抑制、杂散抑制、输出功率、相位噪声等指标方面满足系统需求，并且在-55℃～+85℃锁相环工作温度范围内可正常工作。
2)进行锁相环设计：所选取的锁相环A已完成设计工作，并通过测试手段获得锁相环A的相位温度敏感度约3.5°/℃@75℃。
3)基于系统需求及锁相环方案，获取恒温槽设计要求要素。分为以下几个步骤：
a)在步骤1)中获取的锁相环工作温度范围(-55℃～+85℃)，结合恒温槽设计能力选取+75℃作为恒温槽指标要求中的恒温目标温度Ta；
b)由锁相环A的相位温度敏感度(约3.5°/℃@75℃)，及相位稳定度在±3度以内的系统需求，并考虑一定工程裕量，要求|ΔT|≤0.5℃；
c)提供锁相环结构尺寸、锁相环物料清单及重量(15g)、锁相环功耗(约1W)；
d)将系统需求中的供电与锁相环的功耗进行综合分析，系统可提供+5V/800mA供电，锁相环工作需+5V/200mA，其余+5V/600mA供电可供恒温槽使用；
e)工作温区-40℃～+65℃(系统需求)，20分钟内要达到约+75℃，则至少要保证5.75℃/分钟的变温速率(按系统需求最低工作温度-40℃到+75℃的情况下)。工程应用中通常在可实现前提下尽量提高恒温槽变温速率和恒温槽变温速率的工程裕量，要求恒温槽满足8℃/分钟的变温速率；
f)如图2(a)所示选择完全包裹形式作为锁相环和恒温槽一体化集成形式，另外本发明并不限于本实施例的完全包裹形式，本发明还可以采用图2(b)的部分包裹形式和图2(c)的包裹度很低的部分包裹形式；
g)供电采用绝缘子焊接方式引入；参考信号采用SMA射频接口输入，输出信号采用SMA射频接口输出；
h)将系统需求及锁相环的结构与接口要求进行综合分析，转化成为恒温槽指标要求中的结构与接口；系统要求一体化集成后的整体尺寸不超过80mm*80mm*25mm；固定方式为螺钉固定；
i)提供系统要求的锁相环与恒温槽一体化集成后的整体工作环境温度范围-40℃～+65℃；
4)判断恒温槽指标要求未超出设计能力，进行步骤5)；
5)恒温槽设计；
6)将锁相环A与恒温槽进行一体化集成，本实例采用完全包裹形式进行一体化集成，恒温槽具有含隔温层的金属外壳形成封闭结构，锁相环PCB贴装在恒温槽中；
7)对集成整体进行相位上电稳定时间及相位稳定度测试。
将锁相环A与恒温槽一体化集成后开展测试。在室温20℃～25℃条件下，集成整体加电20分钟后进行测试，测得锁相环A输出信号与信号源输出的标准信号之间的相位差约为-130度。对该相位差进行持续监测，呈缓慢变化状态，直至上电工作7小时后测得相位差约为-131.5度。在上电工作20分钟至7小过程中相位差变化在-1.5度范围内，满足基线±3度以内的系统要求。
8)测试结果满足系统要求，完成任务。
通过上述实例验证，表明本发明的一种基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法有效。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，其特征在于，包括：
步骤S1，分解系统需求，确定锁相环设计方案；
步骤S2，进行锁相环设计并给出锁相环的相位温度敏感度；
步骤S3，由系统需求的相位稳定度要求及锁相环相位温度敏感度确定恒温槽内温度达到恒温目标温度后的温度稳定度；
步骤S4，由锁相环设计，通过设计统计或测试，得出锁相环结构尺寸、锁相环物料及重量、锁相环功耗；
步骤S5，由系统需求的供电和锁相环功耗确定恒温槽供电及功耗；
步骤S6，由系统对锁相环及恒温槽一体化集成整体的工作环境条件、相位上电稳定时间及恒温目标温度，确定变温速率；
步骤S7，确定锁相环与恒温槽的一体化集成形式；
步骤S8，确定供电及射频信号传输接口形式给锁相环和恒温槽一体化集成整体进行供电及实现射频信号传输；
步骤S9，制定恒温槽设计要求，所述恒温槽设计要求包括步骤S1到步骤S8中获取的要素以及系统对恒温槽和锁相环一体化集成整体结构外形要求和工作环境条件；
步骤S10，判断恒温槽设计要求是否超出设计能力，超出设计能力则向系统需求及锁相环设计反馈，进行修改迭代；未超出设计能力则进行步骤S11；
步骤S11，按步骤S7中预定的一体化集成形式，将锁相环与恒温槽进行一体化集成；
步骤S12，对集成整体进行相位上电稳定时间及相位稳定度进行测试；
步骤S13，判断测试结果是否满足系统需求，满足系统需求则完成任务；不满足系统需求则进行修改迭代，改进锁相环及恒温槽设计。
2.如权利要求1所述的基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述锁相环设计方案为：将系统需求的输出频率、谐波抑制、杂散抑制、输出功率、相位噪声这五个指标映射到锁相环设计中，所述指标在锁相环工作温度范围内必须满足系统需求。
3.如权利要求2所述的基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述锁相环工作温度范围由锁相环设计中的器件正常工作温度范围确定。
4.如权利要求1所述的基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述相位温度敏感度在锁相环工作范围内的不同温度点上具有不同的值。
5.如权利要求1所述的基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述温度稳定度用恒温槽内温度相对于恒温目标温度的偏移量ΔT来表征，需满足以下条件：
Sha×|ΔT|≤|Xpha|
其中Sha为相位温度敏感度，ΔT为恒温槽内温度相对于恒温目标温度的偏移量，Xpha为锁相环输出信号相位相对于稳定相位的最大允许偏移量，表征相位波动，Xpha由系统需求给出；并必须保证锁相环所处环境温度始终不可超出锁相环工作温度范围。
6.如权利要求1所述的基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述恒温槽的供电电压等于系统需求的供电电压，恒温槽的功耗小于等于系统可提供的总供电功率减去锁相环功耗。
7.如权利要求1所述的基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，所述步骤S6中，所述变温速率满足：
tsys×(RT-Rmar)>ΔTc
其中tsys为系统要求的相位上电稳定时间；RT为恒温槽变温速率，Rmar为变温速率的工程裕量，ΔTc为需要变化的温度量值，所述ΔTc计算公式为：
ΔTc＝max{|Ta-TH|,|Ta-TL|}
Ta为恒温目标温度，所述恒温目标温度在在锁相环工作温度范围内选取，TH为系统给出的锁相环及恒温槽一体化集成整体的工作环境温度上限温度值，TL为系统给出的锁相环及恒温槽一体化集成整体的工作环境温度下限温度值。
8.如权利要求1所述的基于恒温槽的锁相环输出信号相位稳定方法，所述步骤S7中，所述锁相环与恒温槽的一体化集成形式可以是完全包裹形式或部分包裹形式。
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| Publication number | Publication date |
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| CN110545101A (zh) | 2019-12-06 |
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