CN111147073A - 一种新型微波频率锁定装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种新型微波频率锁定装置，包括主环路和相位控制环路；主环路，用于频率源选频起振，包括谐振器、带通滤波器、第一压控移相器、放大器、第一定向耦合器和环行器，依次顺序连接，形成闭合环路；所述相位控制环路，用于调整和锁定主环路微波信号，包括检波器、锁相放大器、积分器和第一信号合成装置，依次顺序连接；检波器与主环路环形器连接，所述第一信号合成装置输出端与所述主环路第一压控移相器连接；所述锁相放大器与所述第一信号合成装置输入相同调制信号，所述第一信号合成装置外接直流稳压电源。本发明具有结构简单、超高频率稳定度、超低本底相位噪声优点，应用于高频振荡器的研制生产。
Description
技术领域
本申请涉及微波技术领域，特别是涉及一种新型微波频率锁定装置。
背景技术
目前高精度时间频率源在航空航天、时频计量校准、科学研究等领域的应用需求日益迫切，传统的晶振倍频已无法满足应用需求，亟需研制能够满足实际应用需求的超高稳定度、超低相位噪声的微波源，该装置就是为了适应不同种类的微波谐振器而产生的。
常规的锁定装置是利用谐振器的S11特性，把谐振腔的反射信号与进腔信号做相关，从而得到相位信息，然后用鉴相信号去控制压控移相器，形成负反馈回路，保证振荡器的相位稳定，但是常规锁定装置的调制信号，通常是在低频端将调制信号通过混频等措施，施加于主环路，存在产生的微波源稳定度较低、相位噪声较高等问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种新型微波频率锁定装置，解决现有微波频率锁定装置稳定度较低和相位噪声较高的问题。
本申请实施例提供一种新型微波频率锁定装置，包括主环路和相位控制环路；所述主环路，用于频率源选频起振，包括谐振器、带通滤波器、第一压控移相器、放大器、第一定向耦合器和环行器，依次顺序连接，形成闭合环路；所述定向耦合器用于引出微波信号；所述相位控制环路，用于调整和锁定主环路微波信号，包括检波器、锁相放大器、积分器和第一信号合成装置，依次顺序连接；所述检波器与所述主环路环形器连接，所述第一信号合成装置输出端与所述主环路第一压控移相器连接；所述锁相放大器与所述第一信号合成装置输入相同调制信号，所述第一信号合成装置外接直流稳压电源；所述调制信号为正弦波，可针对不同的谐振器进行调整；所述第一信号合成装置，用于将偏压信号、所述调制信号、所述积分器信号合成，输出含直流电平的正弦波。
优选地，新型微波频率锁定装置的主环路，还包括第二压控移相器和第二定向耦合器，所述第二压控移相器和第二定向耦合器用于接入幅度控制环路，第二压控移相器连接于所述第一定向耦合器主环路输出端，所述第二定向耦合器连接于所述环形器输入端；所述幅度控制环路用于对所述相位控制回路的附加调幅效应进行误差修正，包括第二检波器、第二锁相放大器、第二积分器和第二信号合成装置，依次顺序连接；所述第二定向耦合器引出端连接第二检波器，所述第二信号合成装置外接直流稳压电源和调制信号，输出端连接第二压控移相器，所述第二信号合成装置用于将偏压信号、所述调制信号、所述第二积分器信号合成，输出含直流电平的正弦波。
进一步地，所述新型微波频率锁定装置的主环路，还包括主环路还包括压控衰减器，所述压控衰减器用于接入功率控制环路，连接于所述第二压控移相器和第二定向耦合器之间；所述功率控制环路用于稳定主环路微波信号功率，包括第二检波器、第三信号合成装置、低通滤波器、第四信号合成装置，依次顺序连接；所述第三信号合成装置，用于将所述第二检波器产生的低频信号和电压参考进行比较并输出；所述第四信号合成装置，用于将偏压信号、所述调制信号和所述低通滤波器信号合成，输出含直流电平的正弦波至所述压控衰减器。本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：完成系统相位的调整和锁定，保证微波信号功率稳定，对压控移相器(相位控制回路)的附加调幅效应进行误差修正；具有结构简单、超高频率稳定度、超低本底相位噪声的优点，能够广泛应用于高频振荡器的研制生产。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种新型微波频率锁定装置结构示意图；
图2为第二种新型微波频率锁定装置结构示意图；
图3为第三种新型微波频率锁定装置结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本申请实施例提供的一种新型微波频率锁定装置结构示意图。
包括主环路和相位控制环路；所述主环路，如虚线框内所示，用于频率源选频起振，包括谐振器1、带通滤波器2、第一压控移相器3、放大器4、第一定向耦合器5和环行器6，依次顺序连接，形成闭合环路。所述定向耦合器5用于引出微波信号。所述相位控制环路，用于调整和锁定主环路微波信号，包括检波器7、锁相放大器8、积分器9和第一信号合成装置10，依次顺序连接。所述检波器7与所述主环路环形器连接，所述第一信号合成装置10输出端与所述主环路第一压控移相器3连接。所述锁相放大器8与所述第一信号合成装置10输入相同调制信号，所述第一信号合成装置10外接直流稳压电源。所述调制信号为正弦波，频率为70kHz，幅度在500mV-1.5V之间，可针对不同的谐振器进行调整。所述第一信号合成装置，用于将偏压信号、所述调制信号、所述积分器信号合成，输出含直流电平的正弦波。
使用前，先确认设计的谐振器满足技术指标，并据此选择相应频段的器件，然后确认使用环境满足技术要求。例如，选择调试好的蓝宝石谐振器，并据此选择相应频率的器件。主环路和相位控制环路需要逐级调试。
设备稳定后，首先按照图1顺序连接谐振器1、带通滤波器2、第一压控移相器3、放大器4、第一定向耦合器5和环行器6，可利用频谱分析仪监测所述第一定向耦合器5的输出，调节第一压控移相器3使环路相位满足系统起振要求，过程中可能会出现多个起振点，需要结合谐振器的谐振频率进行排除。考虑到后续设备接入可能会改变系统相位，此时最好将相位调至可起振相位区间的中心值附近。然后顺序连接所述相位控制环路的环行器6、检波器7、锁相放大器8、积分器9和第一信号合成装置10至第一压控移相器3，外接直流稳压电源和调制信号至所述第一信号合成装置10，此时相位会有较大幅度的调整甚至导致主环路振荡失败，可重新调节移相器至合适位置。利用函数发生器产生两路调制信号分别送至锁相放大器8和第一信号合成装置10，调节调制信号的调制频率、幅度及偏压可以使信号的稳定度指标大幅提升。
所述第一压控移相器3，内置变容二极管，利用变容二极管的特性直接施加调制信号，可完成信号调制。所述环行器6，完成主路信号传输，并提供反射信号。所述检波器7，检测信号功率的起伏，为保证技术指标，最好置于恒温条件下工作。所述第一信号合成装置10，用运算放大器搭建的模块，用于完成偏压和调制信号的合成。
所述调制信号，可针对不同的谐振器进行调整，以相位控制环路为例作简要说明：
对进入谐振器的微波信号进行相位调制，根据谐振器的反射特性，从谐振器反射回来的信号会变成调幅信号，幅度信号的调制度只和谐振器的S参数有关。利用一个低频的参考信号源产生低频调制信号，这个信号通过第一信号合成装置10加到第一压控移相器3上随同微波信号进入谐振器1(此时是相位信号)，经谐振器1反射输出由环行器6单独引出(此时变成幅度信号)，再经过检波器7检波，输出低频信号，低频信号与参考信号输入锁相放大器8，锁相放大器8输出的直流信号就是鉴相信号，鉴相信号通过第一信号合成装置10加到第一压控移相器3上来控制第一压控移相器3，构成正反馈振荡环路，就形成了相位控制回路。
所述第一信号合成装置，将3路信号进行合成。第一路信号为5V偏压，电压实际大小依据第一压控移相器范围及相位偏离范围确定；第二路信号为所述调制信号；第三路信号来自积分器9，电压信号，大小由环路相关参数确定。最终输出信号为含直流电平的正弦波，直流电平调相位，正弦波变为调制信号。其作用类似加法器，将不同大小，不同形态的信号叠加在一起。
优选地，所述放大器为低相位噪声放大器，主要指频率源输出频率的随机相位或频率起伏较低，要区别于传统的低噪声放大器。
本申请实施例区别于现有装置的地方主要有以下两点：一是常规微波信号都是通过低频信号源逐级倍频得到，系统相位噪声会按照20logN的关系逐级恶化(N倍频倍数)，相应的稳定度指标也会受到影响，因此很难得到高稳信号。本申请是利用谐振器的高Q值直接合成高频信号，既避免了倍频理论带来的恶化，也避免了低频器件带来的干扰恶化；二是高频振荡器直接生成微波信号方面，相比传统的载波抑制振荡电路，本申请电路形式上更加简洁，避免了反射信号与进腔信号在微波频段做互相关，同时低噪声相位放大器取代了传统的低噪声放大器，在噪声抑制方面更有针对性，会有效改善系统的噪声情况。
图2为第二种新型微波频率锁定装置结构示意图。
图2所示频率锁定装置，除包含图1所示器件外，还包括第二压控移相器12和第二定向耦合器13。所述第二压控移相器12和第二定向耦合器13用于接入幅度控制环路，第二压控移相器12连接于所述第一定向耦合器5的主环路内输出端，所述第二定向耦合器13连接于所述环形器6输入端。所述幅度控制环路用于对所述相位控制回路的附加调幅效应进行误差修正，包括第二检波器14、第二锁相放大器15、第二积分器16和第二信号合成装置17，依次顺序连接。所述第二定向耦合器13引出端连接第二检波器14，所述第二信号合成装置17外接直流稳压电源和调制信号，输出端连接第二压控移相器12控制端。所述第二信号合成装置用于将偏压信号、所述调制信号、所述第二积分器信号合成，输出含直流电平的正弦波。
幅度控制环路的调制信号形态参照所述相位控制环路设置，调节第二锁相放大器15的各项参数及偏压可进一步提高信号的稳定度指标。幅度控制环路的调制信号主要作用是消除幅度误差。
所述第二信号合成装置，将3路信号进行合成。第一路信号为5V偏压，电压实际大小依据第二压控移相器范围及相位偏离范围确定；第二路信号为所述调制信号。第三路信号来自第二积分器16，电压信号，大小由环路相关参数确定。最终输出信号为含直流电平的正弦波，直流电平调相位，正弦波变为调制信号。其作用类似加法器，将不同大小，不同形态的信号叠加在一起。
进一步优选地，本申请实施例还包括压控衰减器18。所述压控衰减器18用于接入功率控制环路。所述压控衰减器连接于所述第二压控移相器12和第二定向耦合器13之间。所述功率控制环路用于稳定主环路微波信号功率，包括第二检波器14、第三信号合成装置19、低通滤波器20、第四信号合成装置21，依次顺序连接。所述第三信号合成装置19，用于将第二检波器产生的低频信号和电压参考进行比较并输出。所述第四信号合成装置21，用于将偏压信号、所述调制信号和所述低通滤波器信号合成，输出含直流电平的正弦波至所述压控衰减器18。
功率控制环路的工作原理是，将第二检波器14信号与参考电压进行比较，然后将误差电压经低通滤波器20处理后传递给第四信号合成装置21，结合偏压按一定的算法得出控制电压，施加到压控衰减器18上，该环路可有效改善信号长期稳定度指标。
所述第三信号合成装置19输入电压参考，应是准确度非常高的直流电平，幅度任选；第二输入来自第二检波器14产生的低频信号，含直流，幅度由环路确定。最终输出信号为直流偏压。其作用类似比较器，将两个电压信号进行比较并输出。
所述第四信号合成装置21，将3路信号进行合成。第一路信号为5V偏压，电压实际大小依据压控衰减器范围及相位偏离范围确定。第二路信号为所述调制信号；第三路信号来自低通滤波器20，电压信号，大小由功率控制环路相关参数确定。最终输出信号为含直流电平的正弦波，直流电平调功率，正弦波变为调制信号。
所述功率控制环路的调制信号形态特征与相位控制环路相同，辅助调节信号功率幅度稳定。
优选地，所述主环路还包括手动移相器11，所述手动移相器11连接于所述带通滤波器2输出端。使用手动移相器11可以方便调节参数，快速满足相位要求使主环路起振。
需要说明的是，主环路、相位控制环路、功率控制环路、幅度控制环路4个组成部分，需要逐级调试。
图3为第三种新型微波频率锁定装置结构示意图。本申请实施除包含图2所示器件外，还包括第一隔离器22、第二隔离器23、第三隔离器24、第四隔离器25。
所述主环路包括2个隔离器，所述第一隔离器22连接于谐振器1和带通滤波器2之间，第二隔离器23连接于所述压控衰减器18输出端，对图1所示实施例进一步优化时，所述第二隔离器连接于所述压控衰减器和所述环形器之间；对图2所述实施例进一步优化时，所述第二隔离器连接于所述压控衰减器和所述第二定向耦合器13之间。
进一步优选地，所述相位控制环路包括第三隔离器24，所述第三隔离器24连接于所述环形器6和所述检波器7之间。
但本发明的装置包含第二定向耦合器时，优选地，所述幅度控制环路包括第四隔离器25，所述第四隔离器25连接于所述第二定向耦合器13和所述第二检波器14之间。
加入隔离器可有效排除器件之间以及外界对微波电路的干扰，进一步提高信号稳定度，降低噪声影响。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种新型微波频率锁定装置，其特征在于，包括主环路和相位控制环路；
所述主环路，用于频率源选频起振，包括谐振器、带通滤波器、第一压控移相器、放大器、第一定向耦合器和环行器，依次顺序连接，形成闭合环路；所述定向耦合器用于引出微波信号；
所述相位控制环路，用于调整和锁定主环路微波信号，包括检波器、锁相放大器、积分器和第一信号合成装置，依次顺序连接；所述检波器与所述主环路环形器连接，所述第一信号合成装置输出端与所述主环路第一压控移相器连接；所述锁相放大器与所述第一信号合成装置输入相同调制信号，所述第一信号合成装置外接直流稳压电源；
所述调制信号为正弦波；
所述第一信号合成装置，用于将偏压信号、所述调制信号、所述积分器信号合成，输出含直流电平的正弦波。
2.如权利要求1所述新型微波频率锁定装置，其特征在于，
所述主环路还包括第二压控移相器和第二定向耦合器，所述第二压控移相器和第二定向耦合器用于接入幅度控制环路，第二压控移相器连接于所述第一定向耦合器主环路输出端，所述第二定向耦合器连接于所述环形器输入端；
所述幅度控制环路用于对所述相位控制回路的附加调幅效应进行误差修正，包括第二检波器、第二锁相放大器、第二积分器和第二信号合成装置，依次顺序连接；
所述第二定向耦合器引出端连接第二检波器；
所述第二信号合成装置外接直流稳压电源和调制信号，输出端连接第二压控移相器，所述第二信号合成装置用于将偏压信号、所述调制信号、所述第二积分器信号合成，输出含直流电平的正弦波。
3.如权利要求2所述新型微波频率锁定装置，其特征在于，
主环路还包括压控衰减器，所述压控衰减器用于接入功率控制环路，连接于所述第二压控移相器和第二定向耦合器之间；
所述功率控制环路用于稳定主环路微波信号功率，包括第二检波器、第三信号合成装置、低通滤波器、第四信号合成装置，依次顺序连接；
所述第三信号合成装置，用于将所述第二检波器产生的低频信号和电压参考进行比较并输出；所述第四信号合成装置，用于将偏压信号、所述调制信号和所述低通滤波器信号合成，输出含直流电平的正弦波至所述压控衰减器。
4.如权利要求1～3任意所述新型微波频率锁定装置，其特征在于，所述主环路还包括2个隔离器，第一隔离器连接于谐振器和带通滤波器之间，第二隔离器连接于所述压控衰减器输出端。
5.如权利要求4新型微波频率锁定装置，其特征在于，所述相位控制环路还包括第三隔离器，所述第三隔离器连接于所述检波器和所述环形器之间。
6.如权利要求5新型微波频率锁定装置，其特征在于，所述幅度控制环路还包括第四隔离器，所述第四隔离器连接于所述第二检波器和第二定向耦合器之间。
7.如权利要求1新型微波频率锁定装置，其特征在于，所述放大器为低相位噪声放大器。
8.如权利要求1新型微波频率锁定装置，其特征在于，所述主环路还包括手动移相器，所述手动移相器连接于所述带通滤波器输出端。
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| CN112564702A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-03-26 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种用于蓝宝石频率源的控制装置 |
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