CN113242040A - 频率合成设备及频率合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频率合成设备，包括电压源、恒温晶振、第一驱动放大器、梳状谱信号处理装置、第二驱动放大器；恒温晶振连接至第一驱动放大器，第一驱动放大器的输出连接至梳状谱信号处理装置的输入端；梳状谱信号处理装置的第一输出端输出单音信号，所述梳状谱信号处理装置的第二输出端输出本振信号，第一输出端连接至第二驱动放大器，第二驱动放大器输出频率合成信号。此外，本发明还公开了一种频率合成方法。采用本发明的频率合成设备及频率合成方法可以得到具有更低的相位噪声和更宽广频率范围的频率合成信号，且其时间抖动逼近参考源，可以满足高性能、多频率的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及频率合成技术领域，特别涉及一种频率合成设备及频率合成方法。
背景技术
现有技术中，频率合成技术由来已久，包括基于倍混频的频率合成技术、基于锁相环(Phase Locked Loop，简称PLL)的频率合成技术、基于取样鉴相的频率合成技术和直接数字频率合成(Direct Digital Synthesizer，简称DDS)等。频率合成技术的用途十分广泛，在无线通信、导航和雷达等技术领域中都需要利用频率合成技术来获取高信噪比的频率源。随着频率合成技术的发展，基于倍混频和取样锁相的频率合成技术方案逐渐式微，而基于锁相环的频率合成技术方案、直接数字频率合成技术方案成为了主流应用。而最近兴起的频率合成技术方案则采用梳状谱发生器或非线性传输线来实现，上述技术方案正处于探索研制阶段，主要应用于毫米波和太赫兹高端仪器设备的测试、测量系统中。
发明人经研究发现，现有技术中基于倍混频的频率合成技术方案的缺点主要是体积大、功耗大；而基于锁相环的频率合成技术、直接数字频率合成技术虽然应用广泛，其依旧存在明显的劣势，主要缺点是其性能无法满足更高性能和更高频率的应用。而基于取样鉴相的频率合成技术方案的性能要优于基于锁相环的频率合成技术方案，但由于其集成度差，最终逐渐成为了基于锁相环的频率合成技术方案与基于梳状谱发生器的频率合成技术方案这两者之间的一种过渡方案。
发明内容
基于此，为解决现有技术中的技术问题，特提出了一种频率合成方法，包括：
电压源为与其相连接的恒温晶振、第一驱动放大器、第二驱动放大器、梳状谱信号处理装置供电；
恒温晶振输出参考频率信号至与其相连接的所述第一驱动放大器；所述第一驱动放大器对所述参考频率信号进行放大处理后输出至梳状谱信号处理装置；
所述梳状谱信号处理装置的第一输出端输出单音信号至所述第二驱动放大器进行放大处理；所述梳状谱信号处理装置的第二输出端输出本振信号；
所述第二驱动放大器输出频率合成信号。
在一种实施例中，设置多个梳状谱信号处理装置、多个移相器、第一功率分配器、第二功率分配器；一个梳状谱信号处理装置及其输出对应连接的一个移相器构成一条梳状谱信号处理通路；
在所述第一驱动放大器的输出与多个梳状谱信号处理装置的输入之间插入第一功率分配器；所述第一驱动放大器输出放大处理后的参考频率信号至所述第一功率分配器，所述第一功率分配器对放大处理后的参考频率信号进行功率分配处理生成多路驱动信号；
所述第一功率分配器将多路驱动信号分别输出至与其相连接的多个梳状谱信号处理装置，每一路驱动信号对应输出至一个梳状谱信号处理装置；
每一个梳状谱信号处理装置的第一输出端输出单音信号至对应连接的一个移相器，并通过该对应连接的移相器对该单音信号进行相位校准处理；
在多个移相器的输出与所述第二驱动放大器的输入之间插入所述第二功率分配器；多个移相器输出相位校准处理后的多路信号至与其相连的所述第二功率分配器；所述第二功率分配器对多路信号进行功率合成处理后输出至所述第二驱动放大器进行放大处理，由所述第二驱动放大器输出频率合成信号。
在一种实施例中，所述梳状谱信号处理装置包括梳状谱发生器、无反射滤波器、电阻型功率分配器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、驱动放大器；
所述梳状谱信号处理装置的输入端连接至所述梳状谱发生器；所述梳状谱发生器产生多次谐波信号并输出至与其相连接的无反射滤波器；所述无反射滤波器滤除多次谐波信号中包括基波在内的低频信号而保留其中的高频信号；所述无反射滤波器将所述高频信号输出至与其相连接的电阻型功率分配器，所述电阻型功率分配器对所述高频信号进行功率分配处理后生成两路输出信号，其中第一路输出信号经过第一带通滤波器的带通滤波处理后生成单音信号并由所述梳状谱信号处理装置的第一输出端输出，第二路输出信号依次经过所述第二带通滤波器的带通滤波处理、所述驱动放大器的放大处理后生成本振信号并由所述梳状谱信号处理装置的第二输出端输出；
其中，所述电压源为所述梳状谱信号处理装置中的驱动放大器供电。
在一种实施例中，所述相位校准处理包括，利用多个移相器及矢量网络分析仪分别对多条梳状谱信号处理通路进行移相处理及通路时延校准处理，所述相位校准处理保证在第二功率分配器处进行功率合成时的多路信号的相位是对齐的。
此外，为解决现有技术中的技术问题，特提出了一种频率合成设备，包括电压源、恒温晶振、第一驱动放大器、梳状谱信号处理装置、第二驱动放大器；
其中，所述电压源的输出连接至所述恒温晶振、所述第一驱动放大器、所述梳状谱信号处理装置、所述第二驱动放大器；
其中，所述恒温晶振连接至所述第一驱动放大器，所述第一驱动放大器的输出连接至所述梳状谱信号处理装置的输入端；
其中，所述梳状谱信号处理装置具有第一输出端、第二输出端；所述梳状谱信号处理装置的第一输出端输出单音信号，所述梳状谱信号处理装置的第二输出端输出本振信号；所述梳状谱信号处理装置的第一输出端连接至所述第二驱动放大器；
其中，所述第二驱动放大器输出频率合成信号。
在一种实施例中，所述频率合成设备包括多个梳状谱信号处理装置、多个移相器、第一功率分配器、第二功率分配器；
其中，所述第一驱动放大器的输出连接至所述第一功率分配器，所述第一功率分配器具有多路输出，其每路输出对应连接至一个梳状谱信号处理装置的输入端；
每一个梳状谱信号处理装置的第一输出端对应连接至一个移相器；多个移相器的输出连接至所述第二功率分配器，由所述第二功率分配器进行功率合成处理；所述第二功率分配器的输出连接至所述第二驱动放大器，由所述第二驱动放大器输出频率合成信号。
在一种实施例中，所述梳状谱信号处理装置包括梳状谱发生器、无反射滤波器、电阻型功率分配器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、驱动放大器；
其中，所述梳状谱信号处理装置的输入端连接至所述梳状谱发生器，所述梳状谱发生器的输出连接至所述无反射滤波器，所述无反射滤波器的输出连接至所述电阻型功率分配器，所述电阻型功率分配器的输出分为两路通道，第一通道输出连接至所述第一带通滤波器，第二通道输出连接所述第二带通滤波器；所述第一带通滤波器的输出端为所述梳状谱信号处理装置的第一输出端；所述第二带通滤波器的输出连接至所述驱动放大器，所述驱动放大器的输出端为所述梳状谱信号处理装置的第二输出端；
其中，所述电压源的输出连接至所述梳状谱信号处理装置中的驱动放大器。
在一种实施例中，所述电阻型功率分配器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻，所述电阻型功率分配器具有一个输入端口、两个输出端口；所述电阻型功率分配器的输入端口连接至所述第一电阻的第一端口，所述第一电阻的第二端口连接至所述第二电阻的第一端口及所述第三电阻的第一端口，所述第二电阻的第二端口、所述第三电阻的第二端口分别连接至所述电阻型功率分配器的两个输出端口。
在一种实施例中，所述无反射滤波器包括第四电阻、第五电阻、第一电容、第一电感、第二电感，所述无反射滤波器具有一个输入端口及一个输出端口；所述无反射滤波器的输入端口连接至所述第一电容的第一端口、所述第四电阻的第一端口；所述第四电阻的第二端口连接至所述第一电感的第一端口；所述第一电感的第二端口接地；所述第一电容的第二端口连接至所述第五电阻的第一端口，同时所述第一电容的第二端口连接至所述无反射滤波器的输出端口；所述第五电阻的第二端口连接至所述第二电感的第一端口；所述第二电感的第二端口接地；
其中，所述第一电感、所述第二电感的电感值为L，所述第一电容的电容值为C，所述第一电感、所述第二电感的电感值和所述第一电容的电容值之间的关系为(Z0)2＝L/(C/2)，其中Z0为所述无反射滤波器的特性阻抗值。
在一种实施例中，所述电压源包括第一线性稳压器、第二线性稳压器，外部直流电压输入至所述第一线性稳压器，所述第一线性稳压器的输出端连接至所述第二线性稳压器的输入端，输入的外部直流电压经过级联的所述第一线性稳压器、所述第二线性稳压器后生成低噪声直流电压输出。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明公开的频率合成设备及方法相对现有技术中的各种频率合成技术方案来说可以获得具有更低相位噪声和更宽广频率范围的频率合成信号，其输出的频率合成信号的时间抖动逼近参考源，因此可以满足高性能、多频率的应用场景，达到了仪器级别的测量水准。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为本发明中频率合成设备实施例一的示意图；
图2为本发明中电压源的结构示意图；
图3为本发明中无反射滤波器的结构示意图；
图4为本发明中电阻型功率分配器的结构示意图；
图5为本发明中频率合成设备实施例二的示意图；
其中包括，恒温晶振11、第一驱动放大器12、梳状谱信号处理装置13、第二驱动放大器14，梳状谱发生器131、无反射滤波器132、电阻型功率分配器133、第一带通滤波器134、第二带通滤波器135、驱动放大器136；第一线性稳压器21、第二线性稳压器22；第一电容31、第四电阻32、第五电阻33、第一电感34、第二电感35，第一电阻41、第二电阻42、第三电阻43；第一功率分配器51、第一梳状谱信号处理装置52、第二梳状谱信号处理装置53、第一移相器54、第二移相器55、第二功率分配器56，第一梳状谱发生器521、第一无反射滤波器522、第一电阻型功率分配器523、第三带通滤波器525、第四带通滤波器524、第三驱动放大器526，第二梳状谱发生器531、第二无反射滤波器532、第二电阻型功率分配器533、第五带通滤波器535、第六带通滤波器534、第四驱动放大器536。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开了一种频率合成设备，包括电压源(图中未示出)、恒温晶振11、第一驱动放大器12、梳状谱信号处理装置13、第二驱动放大器14；
其中，所述电压源的输出连接至所述恒温晶振11、所述第一驱动放大器12、所述梳状谱信号处理装置13、所述第二驱动放大器14；
其中，所述恒温晶振11连接至所述第一驱动放大器12，所述第一驱动放大器12的输出连接至所述梳状谱信号处理装置13的输入端；
其中，所述梳状谱信号处理装置13具有第一输出端、第二输出端；所述梳状谱信号处理装置13的第一输出端输出单音信号，所述梳状谱信号处理装置13的第二输出端输出本振信号；所述梳状谱信号处理装置13的第一输出端连接至所述第二驱动放大器14；
其中，所述第二驱动放大器14输出频率合成信号。
特别地，所述梳状谱信号处理装置13包括梳状谱发生器131、无反射滤波器132、电阻型功率分配器133、第一带通滤波器134、第二带通滤波器135、驱动放大器136；
其中，所述梳状谱信号处理装置13的输入端连接至所述梳状谱发生器131，所述梳状谱发生器131的输出连接至所述无反射滤波器132，所述无反射滤波器132的输出连接至所述电阻型功率分配器133，所述电阻型功率分配器133的输出分为两路通道，第一通道输出连接至所述第一带通滤波器134，第二通道输出连接所述第二带通滤波器135；所述第一带通滤波器134的输出端为所述梳状谱信号处理装置13的第一输出端；所述第二带通滤波器135的输出连接至所述驱动放大器136，所述驱动放大器136的输出端为所述梳状谱信号处理装置13的第二输出端；
其中，所述电压源的输出连接至所述梳状谱信号处理装置13具体在于，所述电压源的输出连接至所述梳状谱信号处理装置13中的驱动放大器136；
特别地，所述第一带通滤波器134、所述第二带通滤波器135皆为带通腔体滤波器。
特别地，如图2所示，所述电压源包括第一线性稳压器21、第二线性稳压器22；外部直流电压输入至所述第一线性稳压器21，所述第一线性稳压器21的输出端连接至所述第二线性稳压器22的输入端；输入的外部直流电压经过级联的所述第一线性稳压器21、所述第二线性稳压器22后生成低噪声直流电压输出；
所述电压源为与其相连接的所述恒温晶振11、所述第一驱动放大器12、所述第二驱动放大器14、所述梳状谱信号处理装置13的驱动放大器136供电；
其中，所述电压源采用级联的所述第一线性稳压器21、所述第二线性稳压器22构成了低噪声电压源，其实现了双线性稳压器降噪处理；级联的双线性稳压器相比单级的线性稳压器可以获得更高的电源电压抑制比(Power Supply Rejection Ratio，简称PSRR)，并且不易受到与其相连接的恒温晶振和驱动放大器的负载牵引；在实际应用中，输入的外部直流电压通常携带有50/60Hz的工频干扰、串扰和开关噪声等，如果仅采用单级的线性稳压器无法完全抑制噪声，而采用电容也无法滤除50/60Hz的工频干扰，上述工频干扰和噪声极易被电压源调制至参考源而恶化输出信噪比；而采用双线性稳压器降噪处理的技术方案同时解决了这两个问题。另一方面，驱动放大器引入了幅度失真、相位失真，即AM-AM失真和AM-PM失真；在高信噪比的参考源中，任何噪声会由于驱动放大器的幅度失真、相位失真而转化为参考源的相位噪声；同时，梳状谱发生器也会因为噪声问题而无法按照20logN的关系滚降信噪比，其中N为谐波或倍频次数。因此，级联的双线性稳压器构成的低噪声电压源可以在隔离外部噪声的同时最小化电压源噪声，从而确保驱动放大器输出的频率合成信号的时间抖动高度逼近作为参考源的恒温晶振输出的参考频率信号。
特别地，如图4所示，所述电阻型功率分配器包括第一电阻41、第二电阻42、第三电阻43，所述电阻型功率分配器具有一个输入端口、两个输出端口，两个输出端口为第一输出端口、第二输出端口；所述电阻型功率分配器的输入端口连接至所述第一电阻41的第一端口，所述第一电阻41的第二端口连接至所述第二电阻42的第一端口及所述第三电阻43的第一端口，所述第二电阻42的第二端口、所述第三电阻43的第二端口分别连接至所述电阻型功率分配器的两个输出端口，即所述第二电阻42的第二端口连接至所述所述电阻型功率分配器的第一输出端口，所述第三电阻43的第二端口连接至所述电阻型功率分配器的第二输出端口；
特别地，所述电阻型功分器为0402封装的薄膜电阻型功率分配器；
采用电阻型功率分配器可满足超宽带应用场景，而常规功率分配器无法满足1GHz-18GHz的超宽带应用场景，例如威尔金森功率分配器或朗格耦合器的匹配带宽有限，其相对带宽在10％-40％之间；如果带宽过宽，常规功率分配器会因为阻抗失配而出现反射增加、插损变大、隔离度降低的问题，其相位噪声也会恶化；而采用电阻型功率分配器，以0402封装的薄膜电阻型功率分配器为例，其可工作在DC-20GHz的带宽范围内，并且是全带宽内阻抗匹配，从而大大增加了功率分配及滤波后的频率选择灵活性。
特别地，如图3所示，所述无反射滤波器包括第一电容31、第四电阻32、第五电阻33、第一电感34、第二电感35，所述无反射滤波器具有一个输入端口、一个输出端口；所述无反射滤波器的输入端口连接至所述第一电容31的第一端口、所述第四电阻32的第一端口；所述第四电阻32的第二端口连接至所述第一电感34的第一端口；所述第一电感34的第二端口接地；所述第一电容31的第二端口连接至所述第五电阻33的第一端口，同时所述第一电容31的第二端口连接至所述无反射滤波器的输出端口；所述第五电阻33的第二端口连接至所述第二电感35的第一端口；所述第二电感35的第二端口接地；
特别地，其中，所述第一电感34、所述第二电感35的电感值为L，所述第一电容的电容值为C，调整所述第一电感34、所述第二电感35和所述第一电容31的电容值使得电容值C和电感值L之间的关系为(Z0)2＝L/(C/2)，其中Z0为所述无反射滤波器的特性阻抗值；
所述无反射滤波器与常规滤波器的不同之处在于其在带内、带外均处于匹配无反射状态，其工作状态为带内通过、带外吸收，即无反射滤波器用于吸收而不是反射带外的无用信号，并且通过带内的信号；而常规滤波器的工作状态则是带内通过、带外反射，即二者的本质区别在于滤波器带外的工作状态。无反射滤波器带外吸收的有益效果在于其可以消除梳状谱发生器输出信号的基波和低频谐波的反射能量，使得反射参数S11趋近于零，即采用无反射滤波器使得梳状谱发生器的输出信号在其工作带宽内可以实现匹配无反射，从而解决了带外反射信号恶化相位噪声、降低信号幅度的问题；
特别地，所述无反射滤波器为无反射高通滤波器，所述无反射高通滤波器吸收梳状谱发生器输出的包括基波在内的低频信号而保留高次谐波信号即高频信号；
特别地，所述无反射滤波器为巴特沃斯II型高通滤波器；
其中，所述第一电容31、所述第四电阻32、所述第五电阻33、所述第一电感34、所述第二电感35的器件尺寸均为0402型；
当无反射高通滤波器的截止频率设置为1GHz，输入输出特性阻抗值Z0设置为50欧姆时，作为吸收电阻的第四电阻32、第五电阻33的电阻取值为50欧姆；第一电感34、第二电感35的电感值为L，第一电容31的电容值为C，根据电感值及电容值的关系(Z0)2＝L/(C/2)进行迭代优化计算后得到L＝8.2nH、C＝3.3pF；
在无反射高通滤波器中，其反射参数S11在全带宽内均小于-15dB，其传输损耗参数S21在1GHz以上的高通频段优于-4dB；特别地，反射参数S11在100MHz的基波附近小于-50dB，即反射能量小于十万分之一，因此反射和驻波对信号源质量的影响可以忽略不计。
特别地，本发明的频率合成设备可以扩展至多个梳状谱信号处理装置的形式，具体如下：
所述频率合成设备包括多个梳状谱信号处理装置、多个移相器、第一功率分配器、第二功率分配器；
其中，所述第一驱动放大器的输出连接至所述第一功率分配器，所述第一功率分配器具有多路输出，其每路输出对应连接至一个梳状谱信号处理装置的输入端；
每个梳状谱信号处理装置的第一输出端对应连接至一个移相器，即多个梳状谱信号处理装置的第一输出端分别对应连接至多个移相器；多个移相器的输出连接至所述第二功率分配器，由所述第二功率分配器进行功率合成处理；所述第二功率分配器的输出连接至所述第二驱动放大器，由所述第二驱动放大器输出频率合成信号。
特别地，所述第一功率分配器为威尔金森功率分配器或朗格耦合器；所述第二功率分配器为威尔金森功率分配器或朗格耦合器。
特别地，所述移相器为数控型移相器；
本发明的技术方案扩展至多个梳状谱信号处理装置时，梳状谱信号处理装置产生的多路输出信号经过其对应的移相器的相位校准处理后再通过第二功率分配器进行功率合成处理，能够获得更逼近参考源性能指标的频率合成信号；梳状谱信号处理装置的数量可以根据实际应用需求和技术指标参数进行选择和设置。
特别地，在一种实施例中，如图5所示为本发明的频率合成设备扩展至两个梳状谱信号处理装置的例子，即频率合成设备包括第一梳状谱信号处理装置和第二梳状谱信号处理装置，具体如下：
频率合成设备包括电压源(图中未示出)、恒温晶振11、第一驱动放大器12、第一功率分配器51、第一梳状谱信号处理装置52、第二梳状谱信号处理装置53、第一移相器54、第二移相器55、第二功率分配器56、第二驱动放大器14；
其中，所述电压源的输出连接至所述恒温晶振11、所述第一驱动放大器12、所述第二驱动放大器14、所述第一梳状谱信号处理装置52、所述第二梳状谱信号处理装置53；
其中，所述恒温晶振11的输出连接至所述第一驱动放大器12；所述第一驱动放大器12的输出连接至第一功率分配器51；所述第一功率分配器51的输出分为两路，第一路输出连接至所述第一梳状谱信号处理装置52，第二路输出连接至所述第二梳状谱信号处理装置53；
所述第一梳状谱信号处理装置52的第一输出端连接至第一移相器54，所述第二梳状谱信号处理装置53的第一输出端连接至第二移相器55；
其中，所述第一移相器54的输出及第二移相器55的输出连接至所述第二功率分配器56，所述第二功率分配器56的输出连接至所述第二驱动放大器14；由所述第二驱动放大器14输出频率合成信号。
其中，所述第一梳状谱信号处理装置52包括第一梳状谱发生器521、第一无反射滤波器522、第一电阻型功率分配器523、第三带通滤波器525、第四带通滤波器524、第三驱动放大器526；
所述第一功率分配器51的第一路输出连接至所述第一梳状谱发生器521；所述第一梳状谱发生器521的输出连接至所述第一无反射滤波器522，所述第一无反射滤波器522的输出连接至所述第一电阻型功率分配器523；所述第一电阻型功率分配器523的输出分为两路，其中一路输出连接至所述第三带通滤波器525，另一路输出连接至所述第四带通滤波器524；所述第三带通滤波器525的输出连接至所述第三驱动放大器526，所述第四带通滤波器524的输出连接至所述第一移相器54；
其中，所述第二梳状谱信号处理装置53包括第二梳状谱发生器531、第二无反射滤波器532、第二电阻型功率分配器533、第五带通滤波器535、第六带通滤波器534、第四驱动放大器536；
所述第一功率分配器51的第二路输出连接至所述第二梳状谱发生器531；所述第二梳状谱发生器531的输出连接至所述第二无反射滤波器532，所述第二无反射滤波器532的输出连接至所述第二电阻型功率分配器533；所述第二电阻型功率分配器533的输出分为两路，其中一路输出连接至所述第五带通滤波器535，另一路输出连接至所述第六带通滤波器534；所述第五带通滤波器535的输出连接至所述第四驱动放大器536，所述第六带通滤波器534的输出连接至所述第二移相器55；
其中，所述电压源的输出连接至所述第一梳状谱信号处理装置52、所述第二梳状谱信号处理装置53具体在于，所述电压源的输出连接至所述第三驱动放大器526、第四驱动放大器536；
特别地，所述第一功率分配器51、所述第二功率分配器56皆为无源功率分配器；
特别地，所述第一电阻型功率分配器523、第二电阻型功率分配器533皆为0402封装的薄膜电阻型功率分配器；
特别地，所述第三带通滤波器525、所述第四带通滤波器524、所述第五带通滤波器535、所述第六带通滤波器534皆为带通腔体滤波器；
特别地，第一移相器54、第二移相器55皆为数控型移相器。
在该实施例中，包含两个梳状谱信号处理装置的频率合成设备输出的频率合成信号相比仅有单个梳状谱信号处理装置的频率合成设备输出的频率合成信号的信噪比提升了3dB。
另外，本发明还公开了一种基于梳状谱发生器的频率合成方法，包括：
电压源为与其相连接的恒温晶振11、第一驱动放大器12、第二驱动放大器14、梳状谱信号处理装置13供电；
恒温晶振11输出参考频率信号至与其相连接的所述第一驱动放大器12；所述第一驱动放大器12对所述参考频率信号进行放大处理后输出至梳状谱信号处理装置13；
所述梳状谱信号处理装置13的第一输出端输出单音信号至所述第二驱动放大器14进行放大处理；所述梳状谱信号处理装置13的第二输出端输出本振信号；
所述第二驱动放大器14输出频率合成信号。
其中，恒温晶振11输出参考频率信号的频率为f0；
特别地，所述梳状谱信号处理装置13包括梳状谱发生器131、无反射滤波器132、电阻型功率分配器133、第一带通滤波器134、第二带通滤波器135、驱动放大器136；
所述梳状谱信号处理装置13的输入端连接至所述梳状谱发生器131；所述梳状谱发生器131产生多次谐波信号并输出至与其相连接的无反射滤波器132；所述无反射滤波器132滤除多次谐波信号中包括基波在内的低频信号而保留其中的高频信号；所述无反射滤波器132将所述高频信号输出至与其相连接的电阻型功率分配器133，所述电阻型功率分配器133对所述高频信号进行功率分配处理后生成两路输出信号，其中第一路输出信号经过第一带通滤波器134的带通滤波处理后生成单音信号并由所述梳状谱信号处理装置13的第一输出端输出，第二路输出信号依次经过所述第二带通滤波器135的带通滤波处理、所述驱动放大器136的放大处理后生成本振信号并由所述梳状谱信号处理装置13的第二输出端输出；
其中，所述电压源为所述梳状谱信号处理装置13中的驱动放大器136供电。
特别地，设置多个梳状谱信号处理装置、多个移相器、第一功率分配器、第二功率分配器；一个梳状谱信号处理装置及其输出对应连接的一个移相器构成一条梳状谱信号处理通路；
在所述第一驱动放大器的输出与多个梳状谱信号处理装置的输入之间插入第一功率分配器；所述第一驱动放大器输出放大处理后的参考频率信号至所述第一功率分配器，所述第一功率分配器对放大处理后的参考频率信号进行功率分配处理生成多路驱动信号；
所述第一功率分配器将多路驱动信号分别输出至与其相连接的多个梳状谱信号处理装置，每一路驱动信号对应输出至一个梳状谱信号处理装置；
每一个梳状谱信号处理装置的第一输出端输出单音信号至对应连接的一个移相器，并通过对应连接的移相器对该路单音信号进行相位校准处理；
在多个移相器的输出与所述第二驱动放大器的输入之间插入所述第二功率分配器；多个移相器输出相位校准处理后的多路信号至与其相连的所述第二功率分配器；所述第二功率分配器对多路信号进行功率合成处理后输出至所述第二驱动放大器进行放大处理，由所述第二驱动放大器输出频率合成信号。
特别地，所述相位校准处理包括利用多个移相器及矢量网络分析仪分别对多条梳状谱信号处理通路进行移相处理及通路时延校准处理，所述相位校准处理保证在第二功率分配器处进行功率合成时的多路信号的相位是对齐的；
其中，相位校准处理利用了信号同源相关而噪声不相干的原理来提高频率合成信号的信噪比。
特别地，所述电压源包括第一线性稳压器21、第二线性稳压器22，外部直流电压输入至所述第一线性稳压器21，所述第一线性稳压器21的输出端连接至所述第二线性稳压器22的输入端，输入的外部直流电压经过级联的所述第一线性稳压器21、所述第二线性稳压器22后生成低噪声直流电压输出。
特别地，在一种实施例中，如图5所示，本发明的频率合成方法中包含两条梳状谱信号处理通路即设置有两个梳状谱信号处理装置进行梳状谱信号处理，具体如下：
电压源为与其相连接的恒温晶振11、第一驱动放大器12、第二驱动放大器14、第一梳状谱信号处理装置52、第二梳状谱信号处理装置53供电；
恒温晶振11输出参考频率信号至与其相连接的所述第一驱动放大器12；所述第一驱动放大器12对所述参考频率信号进行放大处理后输出至与其相连接的第一功率分配器51；所述第一功率分配器51对放大处理后的参考频率信号进行功率分配处理生成第一驱动信号、第二驱动信号，并将所述第一驱动信号、所述第二驱动信号分别输出至与其相连接的第一梳状谱信号处理装置52、第二梳状谱信号处理装置53，从而分别驱动所述第一梳状谱信号处理装置52中的第一梳状谱发生器521、所述第二梳状谱信号处理装置53中的第二梳状谱发生器531；
其中，恒温晶振11输出参考频率信号的频率为f0；
所述第一梳状谱发生器521产生多次谐波信号并输出至与其相连接的第一无反射滤波器522；所述第一无反射滤波器522滤除多次谐波信号中包括基波在内的低频信号而保留其中的高频信号；所述第一无反射滤波器522将所述高频信号输出至与其相连接的第一电阻型功率分配器523，所述第一电阻型功率分配器523对所述高频信号进行功率分配处理后生成两路输出信号，其中一路输出信号依次经过第三带通滤波器525的带通滤波处理、第三驱动放大器526的放大处理后生成频率为F1＝M*f0的第一本振信号，另一路输出信号经过第四带通滤波器524的带通滤波处理后生成频率为F2＝N*f0的第一单音信号，其中M、N皆为正整数；
所述第二梳状谱发生器531产生多次谐波信号并输出至与其相连接的第二无反射滤波器532；所述第二无反射滤波器532滤除多次谐波信号中包括基波在内的低频信号而保留其中的高频信号；所述第二无反射滤波器532将所述高频信号输出至与其相连接的第二电阻型功率分配器533，所述二电阻型功率分配器533对所述高频信号进行功率分配处理后生成两路通道的输出信号，其中一路输出信号依次经过第五带通滤波器535的带通滤波处理、第四驱动放大器536的放大处理后生成频率为F4＝L*f0的第二本振信号，另一路输出信号经过第六带通滤波器534的带通滤波处理后生成频率为F3＝N*f0的第二单音信号，其中L、N皆为正整数；
所述第四带通滤波器524输出所述第一单音信号至第一移相器54，所述第一移相器54对所述第一单音信号进行相位校准(Phase Alignment)处理；所述第六带通滤波器534输出所述第二单音信号至第二移相器55，所述第二移相器55对所述第二单音信号进行相位校准处理；
所述第一移相器54输出经过相位校准处理的第一单音信号至第二功率分配器56，所述第二移相器55输出经过相位校准处理的第二单音信号至第二功率分配器56；经过相位校准处理的第一单音信号及第二单音信号经过所述第二功率分配器56的功率合成处理后输出至第二驱动放大器14进行放大处理，并由所述第二驱动放大器14输出频率合成信号。
其中，所述相位校准处理包括利用所述第一移相器54、所述第二移相器55以及矢量网络分析仪分别对两条梳状谱信号处理通路进行移相处理及通路时延校准处理，所述相位校准处理保证在第二功率分配器56处进行功率合成时的两路信号的相位是对齐的。
所采用的相位校准处理利用了信号同源相关而噪声不相干的原理，所述第一梳状谱发生器521和所述第二梳状谱发生器531输出的信号频率相同，两路信号分别经过所述第一移相器54、所述第二移相器55进行相位校准处理而实现相位对齐后再通过第二功率分配器56进行功率合成处理，最终生成的频率合成信号的信噪比相对于单个梳状谱信号处理装置的方案提高了3dB。
利用本发明的频率合成设备及频率合成方法进行频率合成处理，测量6GHz频率合成信号的相位噪声，并将相位噪声换算为时间抖动，通过相位校准处理得到的6GHz频率合成信号在100Hz-10MHz频率区间的时间抖动为38.2fs；而恒温晶振在100Hz-10MHz频率区间的时间抖动值为35fs，对比可知，6GHz频率合成信号的相位噪声相对恒温晶振的性能仅仅下降了3.2fs，其归功于应用了相位校准处理，在噪声不相关而信号相关的情况下，利用相位校准处理实现相位对齐后功率合成的频率合成信号的信噪比提升了3dB，因此其时间抖动没有明显恶化。在该6GHz频率合成信号的基础上进行12倍频得到144GHz的毫米波信号，该毫米波信号信噪比仍能维持在29dB，这是现有技术的频率合成方案难以实现和比拟的。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种频率合成设备，其特征在于，包括电压源、恒温晶振、第一驱动放大器、梳状谱信号处理装置、第二驱动放大器；
其中，所述电压源的输出连接至所述恒温晶振、所述第一驱动放大器、所述梳状谱信号处理装置、所述第二驱动放大器；
其中，所述恒温晶振连接至所述第一驱动放大器，所述第一驱动放大器的输出连接至所述梳状谱信号处理装置的输入端；
其中，所述梳状谱信号处理装置具有第一输出端、第二输出端；所述梳状谱信号处理装置的第一输出端输出单音信号，所述梳状谱信号处理装置的第二输出端输出本振信号；所述梳状谱信号处理装置的第一输出端连接至所述第二驱动放大器；
其中，所述第二驱动放大器输出频率合成信号。
2.根据权利要求1所述的频率合成设备，其特征在于，
所述频率合成设备包括多个梳状谱信号处理装置、多个移相器、第一功率分配器、第二功率分配器；
其中，所述第一驱动放大器的输出连接至所述第一功率分配器，所述第一功率分配器具有多路输出，其每路输出对应连接至一个梳状谱信号处理装置的输入端；
每一个梳状谱信号处理装置的第一输出端对应连接至一个移相器；多个移相器的输出连接至所述第二功率分配器，由所述第二功率分配器进行功率合成处理；所述第二功率分配器的输出连接至所述第二驱动放大器，由所述第二驱动放大器输出频率合成信号。
3.根据权利要求1或2所述的频率合成设备，其特征在于，
所述梳状谱信号处理装置包括梳状谱发生器、无反射滤波器、电阻型功率分配器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、驱动放大器；
其中，所述梳状谱信号处理装置的输入端连接至所述梳状谱发生器，所述梳状谱发生器的输出连接至所述无反射滤波器，所述无反射滤波器的输出连接至所述电阻型功率分配器，所述电阻型功率分配器的输出分为两路通道，第一通道输出连接至所述第一带通滤波器，第二通道输出连接所述第二带通滤波器；所述第一带通滤波器的输出端为所述梳状谱信号处理装置的第一输出端；所述第二带通滤波器的输出连接至所述驱动放大器，所述驱动放大器的输出端为所述梳状谱信号处理装置的第二输出端；
其中，所述电压源的输出连接至所述梳状谱信号处理装置中的驱动放大器。
4.根据权利要求3所述的频率合成设备，其特征在于，
其中，所述电阻型功率分配器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻，所述电阻型功率分配器具有一个输入端口、两个输出端口；所述电阻型功率分配器的输入端口连接至所述第一电阻的第一端口，所述第一电阻的第二端口连接至所述第二电阻的第一端口及所述第三电阻的第一端口，所述第二电阻的第二端口、所述第三电阻的第二端口分别连接至所述电阻型功率分配器的两个输出端口。
5.根据权利要求3所述的频率合成设备，其特征在于，
所述无反射滤波器包括第四电阻、第五电阻、第一电容、第一电感、第二电感，所述无反射滤波器具有一个输入端口及一个输出端口；所述无反射滤波器的输入端口连接至所述第一电容的第一端口、所述第四电阻的第一端口；所述第四电阻的第二端口连接至所述第一电感的第一端口；所述第一电感的第二端口接地；所述第一电容的第二端口连接至所述第五电阻的第一端口，同时所述第一电容的第二端口连接至所述无反射滤波器的输出端口；所述第五电阻的第二端口连接至所述第二电感的第一端口；所述第二电感的第二端口接地；
其中，所述第一电感、所述第二电感的电感值为L，所述第一电容的电容值为C，所述第一电感、所述第二电感的电感值和所述第一电容的电容值之间的关系为(Z0)2＝L/(C/2)，其中Z0为所述无反射滤波器的特性阻抗值。
6.根据权利要求1所述的频率合成设备，其特征在于，
所述电压源包括第一线性稳压器、第二线性稳压器，外部直流电压输入至所述第一线性稳压器，所述第一线性稳压器的输出端连接至所述第二线性稳压器的输入端，输入的外部直流电压经过级联的所述第一线性稳压器、所述第二线性稳压器后生成低噪声直流电压输出。
7.一种频率合成方法，其特征在于，包括：
电压源为与其相连接的恒温晶振、第一驱动放大器、第二驱动放大器、梳状谱信号处理装置供电；
恒温晶振输出参考频率信号至与其相连接的所述第一驱动放大器；所述第一驱动放大器对所述参考频率信号进行放大处理后输出至梳状谱信号处理装置；
所述梳状谱信号处理装置的第一输出端输出单音信号至所述第二驱动放大器进行放大处理；所述梳状谱信号处理装置的第二输出端输出本振信号；
所述第二驱动放大器输出频率合成信号。
8.根据权利要求7所述的频率合成方法，其特征在于，
设置多个梳状谱信号处理装置、多个移相器、第一功率分配器、第二功率分配器；一个梳状谱信号处理装置及其输出对应连接的一个移相器构成一条梳状谱信号处理通路；
在所述第一驱动放大器的输出与多个梳状谱信号处理装置的输入之间插入第一功率分配器；所述第一驱动放大器输出放大处理后的参考频率信号至所述第一功率分配器，所述第一功率分配器对放大处理后的参考频率信号进行功率分配处理生成多路驱动信号；
所述第一功率分配器将多路驱动信号分别输出至与其相连接的多个梳状谱信号处理装置，每一路驱动信号对应输出至一个梳状谱信号处理装置；
每一个梳状谱信号处理装置的第一输出端输出单音信号至对应连接的一个移相器，并通过该对应连接的移相器对该单音信号进行相位校准处理；
在多个移相器的输出与所述第二驱动放大器的输入之间插入所述第二功率分配器；多个移相器输出相位校准处理后的多路信号至与其相连的所述第二功率分配器；所述第二功率分配器对多路信号进行功率合成处理后输出至所述第二驱动放大器进行放大处理，由所述第二驱动放大器输出频率合成信号。
9.根据权利要求7或8所述的频率合成方法，其特征在于，
所述梳状谱信号处理装置包括梳状谱发生器、无反射滤波器、电阻型功率分配器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、驱动放大器；
所述梳状谱信号处理装置的输入端连接至所述梳状谱发生器；所述梳状谱发生器产生多次谐波信号并输出至与其相连接的无反射滤波器；所述无反射滤波器滤除多次谐波信号中包括基波在内的低频信号而保留其中的高频信号；所述无反射滤波器将所述高频信号输出至与其相连接的电阻型功率分配器，所述电阻型功率分配器对所述高频信号进行功率分配处理后生成两路输出信号，其中第一路输出信号经过第一带通滤波器的带通滤波处理后生成单音信号并由所述梳状谱信号处理装置的第一输出端输出，第二路输出信号依次经过所述第二带通滤波器的带通滤波处理、所述驱动放大器的放大处理后生成本振信号并由所述梳状谱信号处理装置的第二输出端输出；
其中，所述电压源为所述梳状谱信号处理装置中的驱动放大器供电。
10.根据权利要求7或8所述的频率合成方法，其特征在于，
其中，所述相位校准处理包括，利用多个移相器及矢量网络分析仪分别对多条梳状谱信号处理通路进行移相处理及通路时延校准处理，所述相位校准处理保证在第二功率分配器处进行功率合成时的多路信号的相位是对齐的。
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