CN111628742A - 一种毫米波信号幅度的稳定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种毫米波信号幅度的稳定系统及方法，包括依次相连的射频信号发生器、倍频模块、程控衰减器和宽带定向耦合器，宽带定向耦合器的耦合端与程控衰减器的输入端之间设有稳幅控制器，稳幅控制器的输入端通过宽带检波器与宽带定向耦合器的耦合端相连，稳幅控制器的输出端与程控衰减器的输入端相连；稳幅控制器包括比较放大器和基准直流电压源。本发明通过设宽带检波器，实现毫米波衰减参数计量时需用的毫米波信号的幅度稳定度的量化评估，满足110GHz～170GHz频段内各种衰减器的计量校准需求；通过选用与毫米波信号同频段的程控衰减器，改变该衰减器的转角，从而改变该衰减器的衰减量，进而来调节输出毫米波信号的幅度或功率来实现的。
Description
技术领域
本发明涉及一种毫米波信号的稳幅方法，尤其涉及一种110GHz～170GHz频段毫米波信号幅度的稳定系统及方法。
背景技术
稳幅技术广泛应用于通信发射机、信号源以及各种成型的测量仪器中，尤其是在信号源的组成中，更是其至关重要的一部分，直接关系着功率平坦度、功率稳定度以及功率准确度等指标。稳幅即自动电平控制(ALC)，其实现的功能是：当输入信号电平发生较大变化时，保持输出信号为一个电平值恒定不变，即当输入功率在一定频率带宽内差别很大或是在某一频点上变化很大时，经过自动电平控制系统后，能保持输出信号在该频率带宽内为一相对恒定的功率电平值。比较常见的低频ALC系统主要包括受控放大器、检波器、直流放大器和低通滤波器。射频信号输入后，通过受控放大器，由定向耦合器的耦合端反馈信号至检波器，转换成电压信号，然后与参考电压相比较，差值分量经过直流放大、低通滤波产生调节可变增益放大器的电压值，这样通过增益调整使得输出信号电平或功率保持恒定。这种方案中，调节增益主要是由受控放大器来实现，所有对它的要求也非常高，它必须具有平坦的频率相应，相当恒定的输入输出阻抗和较小的非线性失真、噪声以及较小的起始插入损耗，影响因素较多，稳幅效果差。
在毫米波衰减校准时，需要的110GHz～170GHz频段的毫米波信号的功率电平稳定度要达到3×10-3/小时。经实验室测试，合成信号发生器的输出功率电平变化量只有0.002dB/小时(测试频点40GHz)，但目前合成信号发生器的频率最高只到70GHz，没有直接合成的110GHz～170GHz频段的信号发生器。同时目前毫米波频段的固态源、返波管源等的功率电平稳定度远远达不到3×10-3/小时的要求。
毫米波信号幅度的稳定方法通常是将供电的电源进行稳压稳流，采用高稳定的直流电源供电、较长时间的加电预热、防震、恒温、绝热等方法。这类方法简单易行，但要达到很高的稳定性，获得预期的目的，还是比较困难的。另一类办法就是采用自动控制技术，用外回路进行控制。传统的稳幅系统，都局限在频率稍低的场合，对于110GHz～170GHz频段的稳幅系统，尚未见有发布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设计合理，稳幅效果好的毫米波信号幅度的稳定系统，特别适用于110GHz～170GHz频段的毫米波。
本发明的另一目的在于提供一种设计合理，简单易行的毫米波信号幅度的稳定方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明是一种毫米波信号幅度的稳定系统，该系统包括依次相连的射频信号发生器、倍频模块、程控衰减器和宽带定向耦合器，宽带定向耦合器的耦合端与程控衰减器的输入端之间设有稳幅控制器，稳幅控制器的输入端通过宽带检波器与宽带定向耦合器的耦合端相连，稳幅控制器的输出端与程控衰减器的输入端相连；所述的稳幅控制器包括与宽带检波器、程控衰减器相连的比较放大器和向比较放器输入基准直流电压的基准直流电压源；所述程控衰减器、宽带定向耦合器和宽带检波器、稳幅控制器共同构成了毫米波信号的稳幅环路。
与现有技术相比，本发明通过宽带检波器定标、反馈控制和温度控制等，实现毫米波衰减参数计量时需用的毫米波信号的幅度稳定度的量化评估，满足110GHz～170GHz频段内各种衰减器的计量校准需求；通过选用与毫米波信号同频段的程控衰减器，改变该衰减器的转角，从而改变该衰减器的衰减量，进而来调节输出毫米波信号的幅度或功率来实现的。程控衰减器优选极化衰减器，极化衰减器的衰减量可通过转角θ精确获得，在小角度时衰减调节可以达到0.01dB的分辨力，这就保证了需要的110GHz～170GHz频段的毫米波信号的功率电平稳定度达到3×10-3/小时。
优选地，所述比较放大器的电路结构为一高增益的、差分输入的直流放大器。
优选地，所述极化衰减器由三段波导串联而成，两端为固定的矩形转圆形过渡波导，中间为可转动的圆波导；每段波导内均装有衰减片，两端波导段内的衰减片与矩形转圆形过渡波导的宽臂并行，中间波导段内的衰减片沿圆波导截面的直径方向放置，可随圆波导的转动而转动。
本发明是一种上述稳幅系统对110GHz～170GHz频段毫米波信号实现稳幅的方法，其特点是，该方法为，射频信号发生器产生的毫米波信号依次经倍频模块、程控衰减器后进入宽带定向耦合器，通过宽带定向耦合器后信号分为两路：一路作为输出信号，另一路从耦合端输出；从耦合端输出的毫米波信号先经宽带检波器检波输出直流信号，检波输出的直流信号进入稳幅控制器；检波输入的直流信号和基准直流电压源输出的基准直流电压在比较放大器内做比较，经比较放大器比较放大后输出差值电压，再输出给程控衰减器，用这个差值电压值来调整该程控衰减器的衰减量，从而达到调整输出功率、稳定输出功率的目的。
优选地，所述毫米波信号的频段在110GHz～170GHz之间。
本发明提供的毫米波信号幅度的稳定方法具有与上述稳定系统相同的有益效果，在此不再赘述。
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，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述稳定系统的结构图；
图2为极化衰减器的结构图。
附图标记：
1-射频信号发生器，2-倍频模块，3-程控衰减器，4-宽带定向耦合器，5-宽带检波器，6-直流比较放大器，7-基准直流电压源，8-稳幅控制器，9-矩形转圆形过渡波导，10-圆波导，11-衰减片。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1和图2，实施例1，本发明提供了一种毫米波信号幅度的稳定系统，该系统包括依次相连的射频信号发生器1、倍频模块2、程控衰减器3和宽带定向耦合器4，宽带定向耦合器4的耦合端与程控衰减器3的输入端之间设有稳幅控制器8，稳幅控制器8的输入端通过宽带检波器5与宽带定向耦合器4的耦合端相连，稳幅控制器8的输出端与程控衰减器3的输入端相连；所述的稳幅控制器8包括与宽带检波器5、程控衰减器3相连的比较放大器6和向比较放器6输入基准直流电压的基准直流电压源7；所述程控衰减器3、宽带定向耦合器4和宽带检波器5、稳幅控制器共同构成了毫米波信号的稳幅环路；
所述比较放大器6的电路结构为一高增益的、差分输入的直流放大器；
所述程控衰减器3为与毫米波信号同频段的极化衰减器，极化衰减器由三段波导串联而成，两端为固定的矩形转圆形过渡波导9，中间为可转动的圆波导10；每段波导内均装有衰减片11，两端波导段内的衰减片11与矩形转圆形过渡波导的宽臂并行，中间波导段内的衰减片沿圆波导截面的直径方向放置，可随圆波导的转动而转动，当转动圆波导到使三片衰减片在同一平面上时，为零刻度(θ＝0°)。衰减量可以通过回转的角度θ计算得到，当回转式衰减器从0°转到θ°时的衰减增量A为A＝-40lg(cosθ)，所以该极化衰减器的衰减量可通过转角θ精确获得，小角度时衰减调节极为精细，小衰减分辨力很高，可达0.01dB。同时性能稳定，衰减量受环境温湿度影响小；频响好，电压驻波比小。
实施例2，本发明提供了一种上述稳定系统对110GHz～170GHz频段毫米波信号实现稳幅的方法，该方法为，射频信号发生器1产生的毫米波信号依次经倍频模块2、程控衰减器3后进入宽带定向耦合器4，通过宽带定向耦合器4后信号分为两路：一路作为输出信号，另一路从耦合端输出；从耦合端输出的毫米波信号先经宽带检波器5检波输出直流信号，检波输出的直流信号进入稳幅控制器；检波输入的直流信号和基准直流电压源7输出的基准直流电压在比较放大器6内做比较，经比较放大器6比较放大后输出差值电压，再输出给程控衰减器3，用这个差值电压值来调整该程控衰减器3的衰减量，从而达到调整输出功率、稳定输出功率的目的，所述毫米波信号的频段在110GHz～170GHz之间。
本发明提出的稳幅系统及方法通过检波器定标、反馈控制和温度控制等，实现毫米波衰减参数计量时需用的毫米波信号的幅度稳定度的量化评估，满足110GHz～170GHz频段内各种衰减器的计量校准需求；通过程控衰减器来调节信号的幅度或功率。
本发明所述的系统及方法应用于110GHz～170GHz频段的毫米波信号，可以实现衰减参数计量时需用的太赫兹信号的幅度稳定度的量化评估。可以直接用于110GHz～170GHz频段衰减参数校准系统，用于该频段内各种衰减器的计量校准，满足型号科研、试验、生产的需求，在太赫兹衰减参数的计量测试、标准研制、相关产品转化等方面都有广泛的应用前景。此方法不仅可以应用于110GHz～170GHz频段毫米波信号的稳幅，而且还可以参照应用到其它不同频段毫米波信号的稳幅。因此，本发明不仅适用于110GHz～170GHz频段的毫米波信号的稳幅，也适用于其它频段的毫米波信号的稳幅。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种毫米波信号幅度的稳定系统，其特征在于：该系统包括依次相连的射频信号发生器、倍频模块、程控衰减器和宽带定向耦合器，宽带定向耦合器的耦合端与程控衰减器的输入端之间设有稳幅控制器，稳幅控制器的输入端通过宽带检波器与宽带定向耦合器的耦合端相连，稳幅控制器的输出端与程控衰减器的输入端相连；所述程控衰减器、宽带定向耦合器和宽带检波器、稳幅控制器共同构成了毫米波信号的稳幅环路。
2.根据权利要求1所述的毫米波信号幅度的稳定系统，其特征在于：所述的稳幅控制器包括与宽带检波器、程控衰减器相连的比较放大器和向比较放器输入基准直流电压的基准直流电压源。
3.根据权利要求2所述的毫米波信号幅度的稳定系统，其特征在于：所述比较放大器的电路结构为一高增益的、差分输入的直流放大器。
4.根据权利要求1所述的毫米波信号幅度的稳定系统，其特征在于：所述程控衰减器为与毫米波信号同频段的极化衰减器。
5.根据权利要求4所述的毫米波信号幅度的稳定系统，其特征在于：所述极化衰减器由三段波导串联而成，两端为固定的矩形转圆形过渡波导，中间为可转动的圆波导；每段波导内均装有衰减片，两端波导段内的衰减片与矩形转圆形过渡波导的宽臂并行，中间波导段内的衰减片沿圆波导截面的直径方向放置，可随圆波导的转动而转动。
6.一种使用权利要求1-5任一项所述稳定系统对毫米波信号实现稳幅的方法，其特征在于：该方法为，射频信号发生器产生的毫米波信号依次经倍频模块、程控衰减器后进入宽带定向耦合器，通过宽带定向耦合器后信号分为两路：一路作为输出信号，另一路从耦合端输出；从耦合端输出的毫米波信号先经宽带检波器检波输出直流信号，检波输出的直流信号进入稳幅控制器；检波输入的直流信号和基准直流电压源输出的基准直流电压在比较放大器内做比较，经比较放大器比较放大后输出差值电压，再输出给程控衰减器，用这个差值电压值来调整该程控衰减器的衰减量，从而达到调整输出功率、稳定输出功率的目的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述毫米波信号的频段在110GHz～170GHz之间。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述程控衰减器的衰减量通过回转的角度θ计算得到，即，当转动圆波导到使三片衰减片在同一平面上时，为零刻度即θ＝0°，当衰减器从0°转到θ°时的衰减增量为A，则A＝-40lg(cosθ)。
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