CN115276832B - 一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波诊断领域，具体公开一种基于双梳状微波频率技术的多点频微波诊断系统，包括两路串联的梳状频率微波源系统和入射微波接收处理系统，第一梳状频率微波源系统的输出信号作为射频发射信号传输给第一入射微波接收处理系统，第二梳状频率微波源系统的输出信号作为本振参考信号传输给第二入射微波接收处理系统，射频发射信号、本振参考信号经过入射微波接收处理系统下变频产生中频参考信号和中频测量信号，分别经过选频和功率放大后进行相位解调和数据处理，从而实现多点频宽频带微波诊断。本发明的系统极大化了通道数量和频率测量范围，避免了在微波段的鉴相处理，克服了中频频宽的制约问题，有效降低了信号噪声，保障了相位测量精度。
Description
技术领域
本发明属于微波诊断领域，具体涉及一种基于双梳状微波频率的多点频微波诊断系统。
背景技术
基于梳状谱发生器的微波诊断系统可以在较宽波段内实现多个点频的同时测量，在等离子体参数测量、通讯和EMC测试等领域有着非常广泛的应用。梳状谱发生器输出的频率是本振频率的倍数，频率个数通常较多，当频点个数较多和频率间隔较大时，输出的信号微波覆盖的频带较宽，可以从本振频率扩展到毫米波，甚至亚毫米波频段，这种多点频宽频带的微波信号在进行变频和相位解调时对微波器件的要求较高，系统结构也比较复杂。现有的微波测量系统通常采用先下变频再进行相位解调，下变频时一般采用一个点频或多个点频作为本振与接收信号进行下变频。对于一个点频作为本振，其与宽频段的梳状微波信号变频后，中频频信号的频率范围较宽，带宽有时可达到几十GHz以上，还可能存在双边带互相影响等问题，对微波混频器和后端的中频系统要求较高。对于多个点频作为本振，除了需要多个本振，还需要复杂的微波波电路进行信号分配和处理，结构复杂，成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统，该系统可以在很宽频段(厘米到毫米波)范围内实现高精度、多个频率微波信号同时收发测量，该系统采用的双梳状频率技术获得了等频率间距的中频信号，克服了中频频宽的制约问题，又简化了系统结构，提高了相位测量精度。
实现本发明目的的技术方案：一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统，该系统包括串联的第一梳状频率微波源系统与第一入射微波接收处理系统，串联的第二梳状频率微波源系统和第二入射微波接收处理系统串联，第一梳状频率微波源系统与第二梳状频率微波源系统并联，第一入射微波接收处理系统与第二入射微波接收处理系统并联；第一梳状频率微波源系统的输出信号作为射频发射信号传输给第一入射微波接收处理系统，第二梳状频率微波源系统的输出信号作为本振参考信号传输给第二入射微波接收处理系统，射频发射信号、本振参考信号分别经过第一入射微波接收处理系统、第二入射微波接收处理系统下变频产生中频参考信号和中频测量信号，第一入射微波接收处理系统的中频参考信号、第二入射微波接收处理系统的中频测量信号分别经过选频和功率放大后，进行相位解调，并进行相位数据处理，从而实现多点频宽频带微波的诊断。
所述的第一梳状频率微波源系统包括依次串联的恒温晶振、射频本振、第一隔离器、第一梳状频率发生器、第一功率放大器和第一带通滤波器；恒温晶振产生相参信号输出给射频本振，射频本振输出锁相的射频信号依次给第一隔离器进行隔离处理、第一梳状频率发生器进行倍频处理，第一功率放大器进行功率放大、第一带通滤波器进行带通滤波后输出第一梳状频率信号。
所述的第一入射微波接收处理系统包括与第一带通滤波器串联的定向耦合器，与定向耦合器的输出端串联的第二功率放大器、发射天线、接收天线、第四功率放大器、第二混频器，与定向耦合器的耦合端串联的第一混频器；第一带通滤波器输出的射频发射信号，经定向耦合器耦合端输出的部分射频发射信号在第一混频器中与本振参考信号下变频，输出中频参考信号；经定向耦合器耦合端输出的其余部分射频发射信号，经第二功率放大器功率放大后，经过发射天线向待测量物体发射微波信号，经待测量物体返回的微波携带待测量物体引起的相位信息，在接收天线接收后由第四功率放大器放大，最后在第二混频器中与本振参考信号下变频，输出中频测量信号。
所述的第二梳状频率微波源系统包括恒温晶振、参考本振、第二隔离器、第二梳状频率发生器、第三功率放大器、第二带通滤波器和功分器，第二入射微波接收处理系统的参考本振输出的本振频率信号给第二隔离器进行隔离后，依次输出给第二梳状频率发生器进行倍频处理、第三功率放大器进行功率放大、第二带通滤波器进行带通滤波后输出第二梳状频率信号。
所述的第二入射微波接收处理系统还包括功分器和第二混频器，功分器的输入端与第二带通滤波器连接，功分器的输出端分别与第二混频器、第一混频器连接；第二带通滤波器输出的本振参考信号经功分器分成两路，其中一路输出给第一入射微波接收处理系统的第一混频器的本振端，另一路输出给第二入射微波接收处理系统的第二混频器的本振端。
所述的第二入射微波接收处理系统还进一步包括依次与第二混频器串联的第二中频放大器、第二功率分配器、第二选频滤波器和第二可调增益放大器，第二混频器输出的中频测量信号经第二中频放大器中频放大、第二功率分配器功率分配、第二选频滤波器选频滤波、第二可调增益放大器增益放大实现测量信号的选频和功率放大。
所述的第一入射微波接收处理系统还进一步包括依次与第一混频器串联的第一中频放大器、第一功率分配器、第一选频滤波器、第一可调增益放大器；第一混频器输出的中频参考信号经第一中频放大器中频放大、第一功率分配器功率分配、第一选频滤波器选频滤波、第一可调增益放大器增益放大实现参考信号的选频和功率放大。
所述的第一入射微波接收处理系统和第二入射微波接收处理系统还进一步均包括正交解调器、数据处理系统，第一可调增益放大器输出的参考信号和第二可调增益放大器输出的测量信号在正交解调器进行相位解调，输出给数据处理系统进行相位数据处理，从而实现多点频宽频带微波的诊断。
所述的第一梳状频率微波源系统、第二梳状频率微波源系统的输出分别为射频本振、参考本振的本振倍数。
所述的恒温晶振用于为射频本振和参考本振提供相位参考。
本发明的有益技术效果在于：本发明的多点频宽频带微波诊断系统由射频本振、隔离器、梳状频率发生器、微波放大器和滤波器等组成的两路频率间隔略不相同的梳状频率系统，分别用于产生多点频的测量信号通道和参考信号通道。测量信号通道在发射前先与参考信号通道下变频，产生频率等间距的梳状参考路中频信号，发射后的信号经待测量物反射回来被天线接收，再与参考信号通道下变频，产生梳状测量路中频信号。参考和测量路中频信号分别依次与中频放大器、功率分配器、带通滤波器、可调增益放大器连接，实现相应通道选频后在正交解调器进行相位解调，最后输出给数据处理系统。本发明的多点频宽频带微波诊断系统基于双梳状频率技术，极大化了通道数量和频率测量范围，通过双梳状频率变频后转化为等间隔的中频信号，即避免了在微波段的鉴相处理，又克服了中频频宽的制约问题，有效降低了信号噪声，保障了相位测量精度，系统可以在很宽频段(厘米到毫米波)范围内实现高精度、多点频微波信号同时测量。
附图说明
图1为本发明所提供的一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统的结构示意图；
图2为本发明所提供的本振和探测信号频谱的信号频谱分析图；
图3为本发明所提供的差频信号频谱的信号频谱分析图。
图1中：1.恒温晶振，2.射频本振，3.第一隔离器，4.第一梳状频率发生器，5.第一功率放大器，6.第一带通滤波器，7.定向耦合器，8.第二功率放大器，9.发射天线，10.入射微波，11.待测量物体，12.参考本振，13.第二隔离器，14.第二梳状频率发生器，15.第三功率放大器，16.第二带通滤波器，17.功分器，18.第一混频器，19.第二混频器，20.第四功率放大器，21.接收天线，22.第一中频放大器，22b.第二中频放大器，23.第一功率分配器，23b.第二功率分配器，24.第一选频滤波器，24b.第二选频滤波器，25.第一可调增益放大器，25b.第二可调增益放大器，26.正交解调器，27.数据处理系统。28.第一梳状频率微波源系统，29.第二梳状频率微波源系统。
图2中：30.本振信号，31.射频信号，32.差频信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，恒温晶振1的第一输出端与射频本振2的输入端连接，射频本振2的输出端与第一隔离器3的输入端连接，第一隔离器3的输出端与第一梳状频率发生器4的输入端连接，第一梳状频率发生器4的输出端与第一功率放大器5的输入端连接，第一功率放大器5的输出端与第一带通滤波器6的输入端连接，第一带通滤波器6的输出端与定向耦合器7的输入端连接。恒温晶振1的第二输出端与参考本振12的输入端连接，参考本振12的输出端与第二隔离器13的输入端连接，第二隔离器13的输出端与第二梳状频率发生器14的输入端连接，第二梳状频率发生器14的输出端与第三功率放大器15的输入端连接，第三功率放大器15的输出端与第二带通滤波器16的输入端连接，第二带通滤波器16的输出端与功分器17的输入端连接。定向耦合器7的输出端与第二功率放大器8的输入端连接，第二功率放大器8的输出端与发射天线9的输入端连接，接收天线21的输出端与第四功率放大器20的输入端连接。功分器17的第一输出端、定向耦合器7的耦合端分别与第一混频器18的本振端、射频端连接，功分器17的第二输出端、第四功率放大器20的输出端分别与第二混频器19的本振端、射频端连接。第一混频器18的中频端与第一中频放大器22的输入端连接，第一中频放大器22的输出端与第一功率分配器23的输入端连接，第一功率分配器23的输出端与第一选频滤波器24的输入端连接，第一选频滤波器24的输出端与第一可调增益放大器25的输入端连接。第二混频器19的中频端与第二中频放大器22b的输入端连接，第二中频放大器22b的输出端与第二功率分配器23b的输入端连接，第二功率分配器23b的输出端与第二选频滤波器24b的输入端连接，第二选频滤波器24b的输出端与第二可调增益放大器25b的输入端连接。第一可调增益放大器25的输出端、第二可调增益放大器25b的输出端分别连接正交解调器26的本振端、射频端连接，正交解调器26的输出端与数据处理系统27连接。
本发明中，所谓的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等并不代表任何逻辑上的先后关系，仅仅是为了区分系统中包括的相同的部件。
如图1所示，本发明提供的一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统，包括恒温晶振、本振、隔离器、梳状频率发生器、功率放大器、带通滤波器、定向耦合器、功率放大器和天线、中频放大器、功率分配器、带通滤波器、可调增益放大器、正交解调器和数据处理系统等组成。所述双梳状频率微波源系统包括第一梳状频率微波源系统28、第二梳状频率微波源系统29、第一入射微波接收处理系统和第二入射微波接收处理系统，其中恒温晶振1、射频本振2、第一隔离器3、第一梳状频率发生器4、第一功率放大器5、第一带通滤波器6组成第一梳状频率微波源系统28，恒温晶振1、参考本振12、第二隔离器13、第二梳状频率发生器14、第三功率放大器15、第二带通滤波器16、功分器17组成第二梳状频率微波源系统29，定向耦合器7、第一混频器18、第二功率放大器8、发射天线9、接收天线21、第二混频器19、第四功率放大器20、第一中频放大器22、第一功率分配器23、第一选频滤波器24、第一可调增益放大器25、正交解调器26、数据处理系统27组成的第一入射微波接收处理系统，功分器17、第二混频器19、第二中频放大器22b、第二功率分配器23b、第二选频滤波器24b、第二可调增益放大器25b、正交解调器26、数据处理系统27组成的第二入射微波接收处理系统。第一梳状频率微波源系统28的输出信号作为射频发射信号传输给第一入射微波接收处理系统进行数据处理，第二梳状频率微波源系统29的输出信号作为本振参考信号传输给第二入射微波接收处理系统进行数据处理。
恒温晶振1作为信号源的相位参考信号分别输出给第一梳状频率微波源系统28的射频本振2、第二梳状频率微波源系统29的参考本振12。第一梳状频率微波源系统28的射频本振2输出锁相的射频信号，经第一隔离器3进行隔离处理后，依次输出给第一梳状频率发生器4进行倍频处理、第一功率放大器5进行功率放大、第一带通滤波器6进行带通滤波后输出第一梳状频率信号。第二梳状频率微波源系统29的参考本振12输出锁相的射频信号，经第二隔离器13进行隔离处理后，依次输出给第二梳状频率发生器14进行倍频处理、第三功率放大器15进行功率放大、第二带通滤波器16进行带通滤波后输出第二梳状频率信号。
第一梳状频率微波源系统28的第一带通滤波器6输出的信号作为射频发射信号输出给定向耦合器7，第二梳状频率微波源系统29的第二带通滤波器16输出的信号作为本振参考信号输出给功分器17；射频发射信号、本振参考信号分别经过第一入射微波接收处理系统的第一混频器18、第二混频器19下变频产生中频参考信号和中频测量信号。第二带通滤波器16输出的本振参考信号经功分器17分成两路，其中一路输出给第一混频器18的本振端，另一路输出给第二混频器19的本振端。第一带通滤波器6输出的射频发射信号，经定向耦合器7耦合端输出一小部分射频发射信号在第一混频器18中与本振参考信号下变频，输出中频参考信号。第一带通滤波器6输出的射频发射信号，经定向耦合器7耦合输出大部分射频发射信号，经过第二功率放大器8功率放大后，经过发射天线9向待测量物体11发射微波信号10，经待测量物体11返回的微波携带了待测量物体11引起的相位信息，在接收天线21接收后由第四功率放大器20放大，最后在第二混频器19中与本振参考信号下变频，输出中频测量信号。第一混频器18输出的中频参考信号经第一中频放大器22中频放大、第一功率分配器23功率分配、第一选频滤波器24选频滤波、第一可调增益放大器25增益放大实现对应通道参考信号的选频和功率放大，第二混频器19输出的中频测量信号经第二中频放大器22b中频放大、第二功率分配器23b功率分配、第二选频滤波器24b选频滤波、第二可调增益放大器25b增益放大实现对应通道测量信号的选频和功率放大，最后第一可调增益放大器25输出的参考信号和第二可调增益放大器25b输出的测量信号在正交解调器26进行相位解调，输出给数据处理系统27进行相位数据处理，从而实现多点频宽频带微波的诊断。
所述恒温晶振1为低相噪、频率稳定的信号源，用于为射频本振2和参考本振12提供相位参考。
如图2和图3所示，第一梳状频率微波源系统28和第二梳状频率微波源系统29的输出均为其本振的倍数，即第一梳状频率微波源系统28的输出均为射频本振2的本振倍数，第二梳状频率微波源系统29的输出为参考本振12的本振倍数，其中射频本振2和参考本振12的频率差固定。设射频本振2的输出频率为f1，参考本振12的输出频率为f2，射频本振2和参考本振12的频率差为IF＝f2-f1，第一梳状频率微波源系统28的输出频率为n*f1，第二梳状频率微波源系统29的输出频率为n*f2，n为连续的整数，n＝i+1,i+2,i+3,....，i为起始的梳状频率次数，由第一梳状频率发生器4、第二梳状频率发生器14、第一功率放大器5、第三功率放大器15和第一带通滤波器6、第二带通滤波器16构成的通带特性决定，其等于通带的下截止频率fc除射频本振频率f1，即i为fc/f1的商取整。
如图2所示，所述第一梳状频率微波源系统28和第二梳状频率微波源系统29输出的信号在第一混频器18和第二混频器19中下变频，因不同倍数的频差不一样，梳状的本振信号30与梳状的射频信号31进行一一对应的混频，如图3所示，频率相距较远的本振信号30与射频信号31下变频将产生较大的差频信号32，因此可以从中频频带上将不同射频变频的信号分开。第一混频器18输出的中频参考信号和第二混频器19输出的中频测量信号的频率为n*(f2-f1)＝n*IF，n为连续的整数。这样射频信号31被下变频到中频，不同的n*IF对应不同频率的射频发射信号。
射频本振2和参考本振12的频率选取将决定射频系统和中频系统的频率间隔，同时也决定了相位解调的频率范围和测量能力。例如，当射频本振2和参考本振12的频率为GHz时，差频IF可取为kHz到MHz，在频率个数为十几到几十个时，经第一混频器18和第二混频器19下变频输出的频率范围为几十MHz量级，相较于只用一个点频作为下变频(各通道间中频频率间隔为射频本振的倍数，中频范围可达到几十GHz以上)，该中频为差频的倍数，频率范围大幅减少约三个量级左右，利于后端的相位处理。
所述的第一可调增益放大器25、第二可调增益放大器25b用于调节各自通道中频信号的功率，使正交解调器26工作到最佳状态。在第一梳状频率微波源系统28和第二梳状频率微波源系统29的信号功率水平确定的情况下，参考路的第一可调增益放大器25可用固定增益放大器或限幅放大器代替，选择的参数使最终输出的中频参考信号为正交解调器26的最佳驱动功率。第二可调增益放大器25b用于调节中频测量信号的功率，从而实现正交解调器26输出电压控制。当不需要测量信号幅度而只测量微波调制相位时，可以用限幅放大器代替第二可调增益放大器25b。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。本项技术除了用于等离子体多频率和空间点测量外，还可以应用于其它需要多频率微波测量的领域，例如是多点频微波反射、微波干涉、微波散射、雷达测量、通信等军事及民用领域。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (6)
1.一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统，其特征在于：该系统包括串联的第一梳状频率微波源系统与第一入射微波接收处理系统，串联的第二梳状频率微波源系统和第二入射微波接收处理系统串联，第一梳状频率微波源系统与第二梳状频率微波源系统并联，第一入射微波接收处理系统与第二入射微波接收处理系统并联；第一梳状频率微波源系统的输出信号作为射频发射信号传输给第一入射微波接收处理系统，第二梳状频率微波源系统的输出信号作为本振参考信号传输给第二入射微波接收处理系统，射频发射信号、本振参考信号分别经过第一入射微波接收处理系统、第二入射微波接收处理系统下变频产生中频参考信号和中频测量信号，第一入射微波接收处理系统的中频参考信号、第二入射微波接收处理系统的中频测量信号分别经过选频和功率放大后，进行相位解调，并进行相位数据处理，从而实现多点频宽频带微波的诊断；第一梳状频率微波源系统包括依次串联的恒温晶振(1)、射频本振(2)、第一隔离器(3)、第一梳状频率发生器(4)、第一功率放大器(5)和第一带通滤波器(6)，恒温晶振(1)产生相参信号输出给射频本振(2)，射频本振(2)输出锁相的射频信号依次给第一隔离器(3)进行隔离处理、第一梳状频率发生器(4)进行倍频处理，第一功率放大器(5)进行功率放大、第一带通滤波器(6)进行带通滤波后输出第一梳状频率信号；第一入射微波接收处理系统包括与第一带通滤波器(6)串联的定向耦合器(7)，与定向耦合器(7)的输出端串联的第二功率放大器(8)、发射天线(9)、接收天线(21)、第四功率放大器(20)、第二混频器(19)，与定向耦合器(7)的耦合端串联的第一混频器(18)，第一带通滤波器(6)输出的射频发射信号，经定向耦合器(7)耦合端输出的部分射频发射信号在第一混频器(18)中与本振参考信号下变频，输出中频参考信号；经定向耦合器(7)耦合端输出的其余部分射频发射信号，经第二功率放大器(8)功率放大后，经过发射天线(9)向待测量物体(11)发射微波信号(10)，经待测量物体(11)返回的微波携带待测量物体(11)引起的相位信息，在接收天线(21)接收后由第四功率放大器(20)放大，最后在第二混频器(19)中与本振参考信号下变频，输出中频测量信号；第二梳状频率微波源系统包括恒温晶振(1)、参考本振(12)、第二隔离器(13)、第二梳状频率发生器(14)、第三功率放大器(15)、第二带通滤波器(16)和功分器(17)，第二入射微波接收处理系统的参考本振(12)输出的本振频率信号给第二隔离器(13)进行隔离后，依次输出给第二梳状频率发生器(14)进行倍频处理、第三功率放大器(15)进行功率放大、第二带通滤波器(16)进行带通滤波后输出第二梳状频率信号；第二入射微波接收处理系统还包括功分器(17)和第二混频器(19)，功分器(17)的输入端与第二带通滤波器(16)连接，功分器(17)的输出端分别与第二混频器(19)、第一混频器(18)连接；第二带通滤波器(16)输出的本振参考信号经功分器(17)分成两路，其中一路输出给第一入射微波接收处理系统的第一混频器(18)的本振端，另一路输出给第二入射微波接收处理系统的第二混频器(19)的本振端。
2.根据权利要求1所述的一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统，其特征在于：所述的第二入射微波接收处理系统还进一步包括依次与第二混频器(19)串联的第二中频放大器(22b)、第二功率分配器(23b)、第二选频滤波器(24b)和第二可调增益放大器(25b)，第二混频器(19)输出的中频测量信号经第二中频放大器(22b)中频放大、第二功率分配器(23b)功率分配、第二选频滤波器(24b)选频滤波、第二可调增益放大器(25b)增益放大实现测量信号的选频和功率放大。
3.根据权利要求2所述的一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统，其特征在于：所述的第一入射微波接收处理系统还进一步包括依次与第一混频器(18)串联的第一中频放大器(22)、第一功率分配器(23)、第一选频滤波器(24)、第一可调增益放大器(25)；第一混频器(18)输出的中频参考信号经第一中频放大器(22)中频放大、第一功率分配器(23)功率分配、第一选频滤波器(24)选频滤波、第一可调增益放大器(25)增益放大实现参考信号的选频和功率放大。
4.根据权利要求3所述的一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统，其特征在于：所述的第一入射微波接收处理系统和第二入射微波接收处理系统还进一步均包括正交解调器(26)、数据处理系统(27)，第一可调增益放大器(25)输出的参考信号和第二可调增益放大器(25b)输出的测量信号在正交解调器(26)进行相位解调，输出给数据处理系统(27)进行相位数据处理，从而实现多点频宽频带微波的诊断。
5.根据权利要求4所述的一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统，其特征在于：所述的第一梳状频率微波源系统、第二梳状频率微波源系统的输出分别为射频本振(2)、参考本振(12)的本振倍数。
6.根据权利要求5所述的一种基于双梳状频率的多点频宽频带微波诊断系统，其特征在于：所述的恒温晶振(1)用于为射频本振(2)和参考本振(12)提供相位参考。
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