CN111064467B - 毫米波频率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种毫米波频率合成器，产生用于扫描待扫描对象的毫米波宽带信号，毫米波频率合成器包括：X波段信号产生电路，用于产生X波段信号，其中，X波段信号产生电路包括：VCO单元，用于产生VCO信号；和射频单元，将由所述VCO单元产生的VCO信号转换成所述X波段信号；毫米波信号产生电路，用于将所述X波段信号产生电路产生的所述X波段信号转换成所述毫米波宽带信号；和校准电路，用于校准由所述VCO单元产生的所述VCO信号的频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种毫米波频率合成器。
背景技术
目前，主动毫米波人体安检系统主要利用宽带毫米波线性调频信号对人体进行快速电扫描、回波数据采集成像并进行可疑物品检测。由于主动毫米波人体安检系统为SAR成像体制雷达，信号瞬时工作带宽越宽，越能获得更高的距离像分辨率和更清晰的图像质量。因此需要其内部毫米波频率合成器产生数GHz甚至10GHz以上的瞬时信号，输出给天线阵列并对人体划分的上万个甚至十几万个像素点进行快速扫描、高速采样并传输给后台计算机系统进行处理。同时频率合成器的宽带毫米波信号线性调频时间直接决定主动毫米波人体安检系统的工作效率，一般需要在几微秒内完成信号产生及输出电扫描信号；其随时间的调频线性度直接影响输出频率点的准确性、测量距离的精确度，最终影响图像的质量和分辨率。此外主动毫米波人体安检系统为民用产品，毫米波频率合成器设计方案需要简单实用，利于批量化生产、利于降低产品价格，提高产品的竞争力。
目前直接合成式高性能频率源多采用直接数字合成器(DDS)，在微波工作频段内其往往与锁相技术结合以混合方式实现微波频率合成。锁相环(PLL)技术为间接频率合成器，目前应用最为广泛，其合成方法使用的电路比直接式合成简单，它是通过鉴相实现相位反馈控制从而实现频率跟踪的闭环系统。
直接数字合成器(DDS)虽然应用广泛，但高性能DDS产品的输出频率还有待提高，在毫米波频段直接实现10GHz的带宽比较困难。而与锁相技术结合的混合技术产生的锁相式频综，由于反馈电路固有的惰性，决定其锁定速度较慢，其锁定(频率切换)速度跟环路带宽、初始频差有关，目前无法在几微秒内产生10GHz的瞬时信号。同时混合技术的电路复杂调试难度大，加大了生产成本；而且需要高性能晶振作为参考源，增加了元器件成本。
发明内容
有鉴于此，本发明根据主动毫米波人体安检扫描系统的特点，提供一种毫米波频率合成器，产生用于扫描待扫描对象的毫米波宽带信号，同时具备频率校准功能，能够实现较高的调频信号线性度以及较快的锁定速度。
根据本发明的一方面，提供一种毫米波频率合成器，该毫米波频率合成器产生用于扫描待扫描对象的毫米波宽带信号，所述毫米波频率合成器包括：X波段信号产生电路，该X波段信号产生电路用于产生X波段信号，其中，所述X波段信号产生电路包括：VCO单元，该VCO单元用于产生VCO信号；和射频单元，该射频单元将由所述VCO单元产生的VCO信号转换成所述X波段信号；毫米波信号产生电路，该毫米波信号产生电路用于将所述X波段信号产生电路产生的所述X波段信号转换成所述毫米波宽带信号；校准电路，该校准电路用于校准由所述VCO单元产生的所述VCO信号的频率。
优选地，所述校准电路通过采样来获得等步进频率所对应的电压值，并利用所述电压值对所述VCO单元进行控制，从而实现所述VCO信号的频率校准。
优选地，所述校准电路包括分频器、A/D采样部、FPGA处理部以及D/A转换部，其中，所述分频器将由所述VCO单元产生的所述VCO信号分频至中频；被分频至中频后的所述VCO信号输出至所述A/D采样部以进行采样；采样后的信号输出至所述FPGA处理部，以利用FPGA的内部运算获得等步进频率所对应的电压值；并且经所述FPGA处理部处理后的信号传送至所述D/A转换部，以形成控制信号，来控制所述VCO单元并实现频率校准。
优选地，所述校准电路还包括多个所述分频器，经多个所述分频器多次分频后的信号被输出至所述A/D采样部。
优选地，所述射频单元包括倍频放大部，该倍频放大部对所述VCO单元产生的所述VCO信号进行倍频，并且对倍频后的所述VCO信号进行放大，从而生成所述X波段信号。
优选地，所述射频单元还包括切换部和负载，该切换部和负载设置在所述倍频放大器的输入侧，当所述射频单元处于工作状态时，所述切换部切换为导通状态，并且由所述VCO单元产生的所述VCO信号经过所述切换部被传送至所述倍频放大部，当所述射频单元处于非工作状态时，所述切换部切换为负载状态，所述切换部连接至所述负载，以吸收多余的射频信号。
优选地，所述X波段信号产生电路还包括高速电源调制单元，该高速电源调制单元控制所述VCO单元、所述切换部和所述倍频放大部的放大器的工作状态。
优选地，所述VCO单元包括VCO和功率分配器，该功率分配器将VCO产生的信号分配为作为所述VCO信号的第一功分信号和第二功分信号，其中，所述第一功分信号输入到所述校准电路，以用于对所述VCO信号的频率进行校准，所述第二功分信号输入到所述射频单元，以用于生成所述X波段信号。
优选地，所述毫米波信号产生电路包括倍频放大单元，该所述倍频放大单元对输入到所述毫米波信号产生电路中的所述X波段信号进行多次倍频和多次放大，以产生所述毫米波宽带信号。
优选地，所生成的所述毫米波宽带信号的带宽大于10GHz。
发明的有益效果
根据本发明的毫米波频率合成器，采用X波段信号产生电路和毫米波信号产生电路来实现具有宽带的毫米波信号，同时可以通过校准电路实现较高的调频信号线性度，由于未采用锁相环、没有锁定时间，具有较优的近端相位噪声、高速捷变频特性、瞬时工作带宽宽和实现成本低的特点，适用于批量化生产、符合民用市场要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，但其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为根据本发明的实施例的毫米波频率合成器的配置框图。
图2为根据本发明的实施例的校准电路的配置框图。
图3为根据本发明的实施例的X波段信号产生电路的配置框图。
图4为高速电源调制单元的逻辑控制图。
图5为根据本发明的实施例的毫米波信号产生电路的配置框图。
参考标号列表
100：毫米波频率合成器
1：校准电路
2：X波段信号产生电路
3：毫米波信号产生电路
11：分频器
12：A/D采样部
13：FPGA处理部
14：D/A转换部
20：射频单元
21：压控振荡器(VCO)
22：功率分配器
23：切换部
24：负载
25：倍频放大部
26：高速电源调制单元
27：VCO单元
31：倍频放大单元
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
结合图1-5说明本发明的毫米波扫描系统。图1为根据本发明的实施例的毫米波频率合成器的配置框图。图2为根据本发明的实施例的校准电路的配置框图。图3为根据本发明的实施例的X波段信号产生电路的配置框图。图4为高速电源调制单元的逻辑控制图。图5为根据本发明的实施例的毫米波信号产生电路的配置框图。
本发明的毫米波频率合成器为直接频率合成器，应用于人体安检扫描系统。本发明的毫米波频率合成器产生用于扫描待扫描对象的毫米波宽带信号。
在本发明的毫米波频率合成器的一实施例中，如图1所示，毫米波频率合成器100包括X波段信号产生电路2、毫米波信号产生电路3和校准电路1。
X波段信号产生电路2用于产生X波段信号。如图1所示，X波段信号产生电路2包括VCO单元27，用于产生VCO信号；射频单元20，将由VCO单元27产生的VCO信号转换成X波段信号。毫米波信号产生电路3用于将X波段信号产生电路2所产生的X波段信号转换成毫米波宽带信号。校准电路1用于校准由VCO单元27产生的VCO信号的频率。
在本发明中，毫米波频率合成器所产生的毫米波宽带信号例如是大于10GHz宽带的Ka波段信号，以获得较高的成像分辨率。
校准电路
由于VCO内部变容二极管的非线性特性，导致VCO的输出频率与调谐电压不是标准的线性关系，且输出频率的带宽越宽，线性度越难保证，在倍频后，该线性度会更加恶化。调频线性度直接影响输出频率点的准确性、测量距离的精确度，最终影响主动毫米波人体安检系统成像质量和检测精度。因此需要对毫米波直接频率合成器进行频点校正。
在本发明的毫米波频率合成器中，作为一个实例，校准电路1通过采样来获得等步进频率所对应的电压值，并利用该电压值对所述VCO单元进行控制。因此，校准电路通过拟合频率点线性度较高对应的线性调频电压值，以获得VCO良好的输出频率线性度，从而实现VCO信号的频率校准。
如图2所示，优选地，本发明的实施例中的校准电路1包括分频器11、A/D采样部12、现场可编程门阵列(FPGA)处理部13以及D/A转换部14。分频器11将由VCO单元27产生的VCO信号分频至中频，被分频后的所述VCO信号输出至A/D采样部12进行采样，采样后的信号输出至FPGA处理部13，以利用FPGA的内部运算获得等步进频率所对应的电压值，经所述FPGA处理部13处理后的信号传送至D/A转换部14以形成控制VCO21并进行频率校准的控制信号。
压控振荡器VCO的原理是：不同的电压值对应不同的输出频率，因此，通过控制信号电压不同，输出频率就不同。通过FPGA拟合频率点线性度较高对应的线性调频电压值，并将电压值通过D/A转换为例如锯齿波的控制信号，来控制VCO，从而实现频率校准。
进一步优选地，校准电路1还可以包括多个分频器，第一功分信号经多个分频器进行多次分频，从而更可靠地分频至中频。经多次分频后的信号输出至A/D采样部。
根据本发明的实施例的上述校准电路，能实现较高的调频信号线性度，具有较优的近端相位噪声、高速捷变频特性、瞬时工作带宽宽和实现成本低的特点。具有上述校准电路的毫米波频率合成器能够应用于主动毫米波安检系统，可快速产生带宽大于10GHz的瞬时信号，能加快人体的成像速度、提高可疑物品检测精度和应用场景的安检效率。
X波段信号产生电路
在本发明中，X波段信号产生电路中的射频部分主要将的C波段的VCO信号转化为X波段线性调频信号。
在本发明的X波段信号产生电路的一实施例中，如图1所示，X波段信号产生电路2包括射频单元20。该射频单元主要将例如工作频率为C波段的VCO信号转化为X波段线性调频信号。优选地，选取频率低端＞1.25GHz作为VCO信号的工作宽带。
在本发明的实施例中，如图3所示，射频单元20包括倍频放大部25。倍频放大部25对从VCO单元27输出的VCO信号进行倍频，并且对倍频后的VCO信号进行放大，从而生成X波段信号。生成的X波段信号例如具有>2.5GHz带宽。倍频放大部25例如具有进行倍频操作的倍频器和进行放大操作的放大器。
作为一实例，如图3所示，射频单元20优选地还包括切换部23和负载34。切换部23和负载34设置在倍频放大部25的输入侧。当射频单元20处于工作状态时，切换部23切换为导通状态，并且由VCO单元27产生的VCO信号经过切换部23被传送至倍频放大器25。当射频单元20处于非工作状态时，切换部23切换为负载状态，并且切换部23连接至负载24，以吸收多余的射频信号。因此，通过切换部23和负载24的设置，能够增大前后信号的反向隔离度，从而防止射频信号泄露。切换部23例如是单刀双掷开关。
此外，在本发明的X波段信号产生电路的一实施例中，X波段信号产生电路2还可以包括高速电源调制单元26，该高速电源调制单元26控制VCO单元27、切换部23和倍频放大部25中的放大器的工作状态。
放大器工作消耗电流较大，并且是主动毫米波人体安检系统的主要功耗来源。所以需要对放大器的工作状态进行严格控制。在本发明的实施例中，选择切换部的控制信号与稳压后的工作电平进行同步逻辑控制，利用高速MOS电路成本低、速度快的特点，达到控制放大器工作状态的目的。具体电源调制控制逻辑见图4。
根据图4的逻辑控制图可知，当切换部处于开启状态时、同步给放大器加电工作，毫米波频率合成器处于工作状态。当切换部处于负载状态时、放大器断电不工作，毫米波频率合成器处于非工作状态，此时功耗降为最小、达到降低毫米波直接频率合成器工作电流的目的。
因此，通过高速电源调制单元实现对于VCO单元、切换部和放大器的同步时序控制，从而能够快速切换各元件的工作状态，并降低电路功耗。
另外，如图3所示，VCO单元27例如可以包括：VCO21；功率分配器22，该功率分配器22将由VCO21生成的VCO信号分配为作为VCO信号的第一功分信号和第二功分信号。第一功分信号输入到校准电路1，以对VCO信号的频率进行校准。第二功分信号输入到射频单元20，以用于生成X波段信号。
毫米波信号产生电路
在本发明的实施例中，毫米波信号产生电路将X波段信号产生电路所产生的X波段信号转换成毫米波宽带信号。
在本发明的毫米波信号产生电路的一实施例中，如图5所示，毫米波信号产生电路3包括倍频放大单元31，该所述倍频放大单元31对从X波段信号产生电路2输入至毫米波信号产生电路3中的X波段信号进行多次倍频和多次放大，从而输出毫米波宽带信号。
根据本发明的毫米波频率合成器，采用X波段信号产生电路和毫米波信号产生电路来实现具有宽带的毫米波信号，同时可以通过校准电路实现较高的调频信号线性度，由于未采用锁相环、没有锁定时间，具有较优的近端相位噪声、高速捷变频特性、瞬时工作带宽宽和实现成本低的特点，适用于批量化生产、符合民用市场要求。
本发明的毫米波频率合成器能够应用于主动毫米波安检系统，能够快速产生带宽例如大于10GHz的瞬时信号，并且能够加快人体的成像速度、提高可疑物品检测精度和应用场景的安检效率。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。以上示例性实施例仅仅是用于阐明本发明的原理，而并非用于限定本发明的保护范围。本领域技术人员在不背离本发明所揭示的精神和原理的范围内，可以对本发明做出各种改进，而不会超出由权利要求书限定的范围。
Claims (7)
1.一种毫米波频率合成器，该毫米波频率合成器产生用于扫描待扫描对象的毫米波宽带信号，所述毫米波频率合成器包括：
X波段信号产生电路，该X波段信号产生电路用于产生X波段信号，其中，所述X波段信号产生电路包括：VCO单元，该VCO单元用于产生VCO信号；和射频单元，该射频单元将由所述VCO单元产生的VCO信号转换成所述X波段信号；
毫米波信号产生电路，该毫米波信号产生电路用于将所述X波段信号产生电路产生的所述X波段信号转换成所述毫米波宽带信号；和
校准电路，该校准电路用于校准由所述VCO单元产生的所述VCO信号的频率，
所述校准电路通过采样来获得等步进频率所对应的电压值，并利用所述电压值对所述VCO单元进行控制，从而实现所述VCO信号的频率校准，
所述校准电路包括分频器、A/D采样部、FPGA处理部以及D/A转换部，其中，
所述分频器将由所述VCO单元产生的所述VCO信号分频至中频；被分频至中频的所述VCO信号输出至所述A/D采样部以进行采样；采样后的信号输出至所述FPGA处理部，以利用FPGA的内部运算获得等步进频率所对应的电压值；并且经所述FPGA处理部处理后的信号传送至所述D/A转换部，以形成控制信号，来控制所述VCO单元并实现频率校准，
所述射频单元包括切换部和负载，该切换部和负载设置在倍频放大部的输入侧，
当所述射频单元处于工作状态时，所述切换部切换为导通状态，并且由所述VCO单元产生的所述VCO信号经过所述切换部被传送至所述倍频放大部，
当所述射频单元处于非工作状态时，所述切换部切换为负载状态，所述切换部连接至所述负载，以吸收多余的射频信号。
2.根据权利要求1所述的毫米波频率合成器，其中，
所述校准电路还包括多个所述分频器，经多个所述分频器多次分频后的信号被输出至所述A/D采样部。
3.根据权利要求1所述的毫米波频率合成器，其中，
所述射频单元包括所述倍频放大部，该倍频放大部对所述VCO单元产生的所述VCO信号进行倍频，并且对倍频后的所述VCO信号进行放大，从而生成所述X波段信号。
4.根据权利要求1所述的毫米波频率合成器，其中，
所述X波段信号产生电路还包括高速电源调制单元，该高速电源调制单元控制所述VCO单元、所述切换部和所述倍频放大部的放大器的工作状态。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的毫米波频率合成器，其中，所述VCO单元包括VCO和功率分配器，该功率分配器将所述VCO产生的信号分配为作为所述VCO信号的第一功分信号和第二功分信号，其中，
所述第一功分信号输入到所述校准电路，以用于对所述VCO信号的频率进行校准，
所述第二功分信号输入到所述射频单元，以用于生成所述X波段信号。
6.根据权利要求1-4中的任一项所述的毫米波频率合成器，其中，
所述毫米波信号产生电路包括倍频放大单元，该所述倍频放大单元对输入到所述毫米波信号产生电路中的所述X波段信号进行多次倍频和多次放大，以产生所述毫米波宽带信号。
7.根据权利要求1-4中的任一项所述的毫米波频率合成器，其中，
所生成的所述毫米波宽带信号的带宽大于10GHz。
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| CN111064467A (zh) | 2020-04-24 |
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