CN115473524A - 一种自动电平控制的捷变频率源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动电平控制的捷变频率源，包括自动电平控制模块，所述自动电平控制模块包括可调衰减器和对所述可调衰减器的衰减进行设置的控制电路；所述可调衰减器设置在频率信号经功率放大器放大后形成的频率源输出信号的射频通路中；控制电路包括定向耦合器、检波器、比较器、MCU；射频通路中的输出信号由定向耦合器引出到检波器转换成电压信号；在MCU的控制下，电压信号在比较器中与MCU设定的参考信号比较，从而生成控制信号控制所述的可调衰减器衰减量。本发明在捷变频率源中加入自动电平控制模块，使捷变频率源输出增益稳定，满足在射频仪器、雷达和卫星通信等应用领域对输入频率信号增益稳定的要求。

Description

一种自动电平控制的捷变频率源

技术领域

本发明涉及自动电平控制领域，特别是一种自动电平控制的捷变频率源。

背景技术

自动电平控制(automatic level control，ALC)系统实现的功能是：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值。ALC技术是在系统中采用负反馈方式形成闭环环路，从而对信号的幅度或功率进行自动调节，使得信号的幅度或功率变得更加平稳，以达到恒定。自动电平控制系统广泛应用于通信发射机、信号源以及各种测量仪器，尤其作为信号源的重要部件，直接关系着信号输出的功率平坦度、功率稳定度、功率准确度以及输出功率动态范围等指标。

捷变频率源，也简称快跳源，广泛用于微波通信、电子对抗、雷达探测等领域，被称为电子系统的心脏。近年来随着微波技术的迅猛发展，超宽带的频率源作为通信、雷达和测试仪器的核心在军事和民用领域都越来越受到重视，而自动电平控制系统作为实现频率源功率指标的关键更加引起了人们对它的关注，超宽带自动电平控制系统的研究已经成为当今极其重要的课题。

目前，捷变频率源一般是是由多个振荡器、多选一开关和功率放大器三部分组成。如中国发明专利公开文献公开号CN 112187259 A公开了宽带捷变频率源，该宽带捷变频率源基于多个双路输出乒乓环单元和多个单路输出乒乓环单元得到宽带捷变频率源所需的中频和高频本振，进而基于中频和高频本振信号输出捷变频率源信号，大大减少了带通滤波器的使用量，有利于简化宽带捷变频率源的设计，使宽带捷变频率源的杂散容易控制，进而获得结构简单、电路布局简洁、使用方便、体积小且可靠性高的宽带捷变频率源。

但是，这种宽带捷变频率源使用功率放大器对选择的一路频率信号进行放大输出，并没有对其输出信号的增益进行控制，导致宽带捷变频率源输出信号幅度不稳，不能满足在射频仪器、雷达和卫星通信等应用领域对输入频率信号增益稳定的要求。

发明内容

本发明针对目前宽带捷变频率源使用功率放大器对选择的一路频率信号进行放大输出，并没有对其输出信号的增益进行控制，导致宽带捷变频率源输出信号幅度不稳，不能满足在射频仪器、雷达和卫星通信等应用领域对输入频率信号增益稳定的要求的不足，提供一种自动电平控制的捷变频率源。

本发明为实现以上技术要求而采用的技术方案是：一种自动电平控制的捷变频率源，包括振荡器、选择开关、功率放大器；利用选择开关从诸多振荡器输出的频率信号中选择一路频率信号经功率放大器放大后输出；还包括自动电平控制模块，所述自动电平控制模块包括受控放大器和对所述受控放大器的放大倍数进行设置的控制电路；所述受控放大器设置在频率信号经功率放大器放大后形成的频率源输出信号的射频通路中；控制电路包括定向耦合器、检波器、比较器、MCU；射频通路中的输出信号由定向耦合器引出到检波器转换成电压信号；在MCU的控制下，电压信号在比较器中与MCU设定的参考信号比较，MCU从而设定所述的受控放大器放大倍数。

进一步的，上述的自动电平控制的捷变频率源中：所述的受控放大器具有由MCU控制的选通开关，MCU利用选通开关设置受控放大器的放大倍数。

进一步的，上述的自动电平控制的捷变频率源中：所述受控放大器的放大倍数小于1时，为由MCU设置衰减系数的可调衰减器。

进一步的，上述的自动电平控制的捷变频率源中：所述检波器为二极管检波器或对数检波器。

进一步的，上述的自动电平控制的捷变频率源中：所述MCU内存储有预先校正得到频率功率的查找表，所述MCU根据输出的功率要求查表得到预设的参考电压对应的参数设置可调衰减器的衰减量。

进一步的，上述的自动电平控制的捷变频率源中：在脉冲静默期间，所述MUC利用选通开关将可调衰减器的衰减达到最大值。

本发明在捷变频率源中加入自动电平控制模块，使捷变频率源输出增益稳定，满足在射频仪器、雷达和卫星通信等应用领域对输入频率信号增益稳定的要求。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。

附图说明

附图1是本发明实施例1自动电平控制的捷变频率源中自动电平控制电路结构框图；

附图2功率校准流程图；

附图3a脉冲调制信号高隔离示意图(信号泄漏造成静默期间的信号具有较高的电平)；

附图3b脉冲调制信号高隔离示意图(采用高隔离措施使得静默期间的信号电平降低至-120dBm以下)。

具体实施方式

实施例1，本实施例的自动电平控制(ALC)的捷变频率源中，基本的ALC链路如图1所示，包括受控放大器(或可控衰减器)、功率耦合器、检波器、比较器和低通滤波器等器件。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。

从选择开关1从产生振荡频率信号的诸多振荡器中选择一路频率信号，功率放大器3放大后输出；ALC自动电平控制模块包括受控放大器和对受控放大器的放大倍数进行设置的控制电路；受控放大器设置在频率信号经功率放大器3放大后形成的频率源输出信号的射频通路中；控制电路包括定向耦合器10、检波器9、比较器8、MCU7；实际上如图1所示，在射频通路中，还有其它固定的衰减器6，它是否加入到射频通路中，由MCU7也就是单片机控制射频开关5确定。

本实施例中，固定衰减器6是为了调节电路的前后匹配，他是固定值的，不需要调节，无论电路什么状态，固定衰减器6都是在电路中的。

本实施例中，射频开关5在断开的时候，并不能做到100％的切断信号，例如电路中有1W的信号在传输，射频开关5断开，仍会有0.001W的功率漏出来(隔离度-30dB)；如果电路要求-90dB的隔离度(10^-9W),即要求电路静默的时候漏出来的功率低于-90dB，那么电路中需要串联三级射频开关5，一级提供-30dB隔离，那么三个开关就能提供-90dB隔离。

本实施例中，三个开关是在电路要求高度静默时才使用，也在脉冲调制模式中使用，脉冲调制一会有信号一会没信号，没信号时要求漏出来的功率尽量低，所以一方面将所有可调衰减器打致最大衰减，两一方面把三个射频开关全断开，从实现如图3a->3b的脉冲调制波形。

射频通路中的输出信号由定向耦合器10引出到检波器9转换成电压信号；在MCU7的控制下，电压信号在比较器8中与MCU7设定的参考信号比较，MCU7从而设定所述的受控放大器放大倍数。通过负反馈可以确定受控放大器的放大倍数，如果放大倍数小于1则是可控衰减器2。

本实施例的自动幅度控制电路工作频段为1～40GHz，分两个频段覆盖，低频段为1～8GHz，高频段为5～40GHz，高低频段有一定频带交叠，方便宽带使用。两个频段的链路架构完全相同，但具体电路中，一路是高频段的电路，采用的高频段的元器件，使用了不同的滤波器(中心频率不同)，均由可控衰减器2、射频放大器3、射频开关5、检波器9、比较器8和MCU7组成，如图1所示。频率源的输出信号由定向耦合器10引出，由二极管检波器(或对数检波器)转化为电压信号，与参考信号比较，从而生成控制信号，形成对可控衰减器2的调节。比较器8的参考电压信号由MCU7生成，调整参考电压的大小，即可调节链路输出功率的大小，这样由MCU即可控制链路的输出功率。闭环稳幅控制模式下，MCU根据外部指令调整比较器的参考电压，可实现-20～20dBm的功率精密调节。当信号源输出连续波时，适合应用ALC的闭环控制模式，单频连续波、调频连续波以及调频信号都属于连续波，ALC稳幅系统能够自动维持稳定的输出信号幅度。

由于宽带工作条件下射频链路以及检波电路具有频率不一致性，为确保输出功率的精度，应预先校正得到频率功率的查找表，这样MCU根据输出的功率要求查表得到预设的参考电压，从而实现输出功率的精准控制。功率校准方法如图2所示。以各频点的功率校准为例，在f1频点，通过MUC连续递增地发送衰减器控制指令，直至信号源输出-20dBm，记录此时的指令为Am20；再发送递增指令，直至信号源输出-19dBm，记录指令为Am19；依次循环，直至信号源输出20dBm，并记录指令为A20。对于其他频点，重复以上操作，这样形成了如表1所示的查找表。实际应用时，根据信号源指定的功率输出值，逆向查找控制指令，若指定的功率值为小数不在表内，则可通过插值方法获得控制指令，采用这样的方法可以实现信号源宽带范围内的功率精确控制。对于不同温度下电路的校准，也可采用类似的方式进行校准，从而建立温度校准表。

表1功率校准表

当电路工作于开环条件下，可由MCU直接控制可调衰减器，这时可直接实现幅度控制和幅度调制，由于此时并非反馈自动控制，幅度调节精度不高。

传统的ALC电路在静默期间由于信号极小，链路往往工作在最大增益状态，这导致极小的信号泄漏在大增益的条件下，也会有一定幅度的信号幅度输出。当应用于脉冲调制工作状态时，脉冲波形如图3(a)所示，在信号静默期间，往往具有-60dBm的功率输出。本实施例则在这种状态下，采用开环与闭环联合控制方式，脉冲期间启动闭环控制，维持稳定幅度输出，脉冲静默期间，为了降低信号输出幅度至-120dBm以下，需启动开环控制，MUC将链路中的数控衰减器设置于最大衰减值，同时断开链路中全部的单刀单掷开关，使链路隔离达到最大值，从而实现图3(b)的波形图。

本实施例的自动电平控制捷变频率源具有如下特点：

1)采用开环和闭环联合控制，其中闭环实现频率源的输出信号稳幅，开环可实现信号幅度的调节、调制；

2)当信号源输出连续波时，采用闭环控制方式，稳幅系统能够自动维持稳定的输出信号幅度；

3)闭环稳幅控制模式下，MCU根据外部指令调整比较器的参考电压，从而精确地调整和控制频率源的输出功率，使其在-20～+20dBm范围内精确可调，由于射频链路以及检波电路的频率不一致性，为确保输出功率的精度，应预先校正得到频率功率的查找表，这样MCU根据输出的功率要求查表得到预设的参考电压，从而实现输出功率的精准控制；

4)当频率源输出为脉冲调制信号时，采用开环与闭环联合控制方式，脉冲期间启动闭环控制，维持稳定幅度输出，脉冲空白期间，为了降低信号输出幅度至-120dBm以下，需启动开环控制，将链路中的数控衰减器设置于最大衰减值，同时断开链路中全部的单刀单掷开关，使链路隔离达到最大值；

5)当频率源输出为幅度调制信号时，环路则启动开环控制模式，由MCU直接输出幅度调制信号，用于调节数控衰减器的衰减值，从而达到幅度调制的目的。

近年来随着微波技术的迅猛发展，超宽带的频率源作为通信、雷达和测试仪器的核心在军事和民用领域都越来越受到重视，而自动电平控制系统作为实现频率源功率指标的关键更加引起了人们对它的关注，超宽带自动电平控制系统的研究已经成为当今极其重要的课题。

自动电平控制系统在通信、雷达和测试测量仪器领域中应用广泛，其电平控制的控制水平直接影响信号发生器的输出功率精度、范围和平坦度等指标。在射频频率源中，ALC电路通过检波实时监控信号源的输出功率值，测试的功率值与期望的功率值比较后得到偏差量，再反馈给可变增益部件用于调整链路的增益，从而实现信号源输出幅度的稳定。在现代军用和民用通信应用中，捷变信号发生器大量使用的，捷变时间低至数十纳秒量级，频带覆盖数十GHz，频率捷变和大带宽对ALC系统也提出了苛刻的要求，不仅需要适应极快的频率切换速度，还应具有超宽频带和大动态范围特性。

自动电平控制系统主要分为前馈、模拟反馈和数字反馈等电路形式。前馈自动电平控制系统通过耦合检波、形成控制信号来调控后端的可调衰减器，从而控制输出信号幅度。前馈方式属于开环控制，不具备负反馈闭环，缺点明显，无法补偿信号检测点后端的电路波动和信号变化，只适用于一些对输出信号幅度稳定性要求不高的场合。与此对应，闭环的ALC系统利用负反馈原理，将信号检测端放置于链路最后端，检测信号再来控制前端的增益控制器(或可调衰减器)。闭环ALC控制系统的输出功率电平是由参考电压决定的，检测信号与参考电压比较，形成控制信号对可调衰减器进行调控，从而使得输出信号维持预定的功率，并且保持功率稳定不变。当输入信号变化或外界环境干扰引起输出信号功率变大时，耦合进入检波器的功率就增大，检波器输出的电压就增大，经过环路积分比较后的控制电压减小，从而使压控衰减器的衰减量变大，信号幅度减小，经过若干次循环，使得检波器的输出电压和参考电压一致，反馈过程停止，重新建立平衡，反之输出功率减小时，控制过程相反。闭环ALC系统能实时调整输出功率大小，并使其保持稳定。数字ALC系统是在模拟ALC基础上发展起来的，其中检测信号的处理、比较和计算在数字电路中完成，控制信号也为数字量，通过数字量直接控制数控衰减器或通过模数转换器控制模拟增益控制器实现信号幅度的控制。由于反馈环路是在数字域进行处理的，所以数字ALC系统省去了很多复杂的模拟电路设计，控制参数调整能力更灵活，同时高分辨率ADC也可以提高系统的信噪比。

Claims (6)

1.一种自动电平控制的捷变频率源，包括振荡器、选择开关、功率放大器；利用选择开关从诸多振荡器输出的频率信号中选择一路频率信号经功率放大器放大后输出；其特征在于：还包括自动电平控制模块，所述自动电平控制模块包括受控放大器和对所述受控放大器的放大倍数进行设置的控制电路；

所述受控放大器设置在频率信号经功率放大器(3)放大后形成的频率源输出信号的射频通路中；

控制电路包括定向耦合器(10)、检波器(9)、比较器(8)、MCU(7)；

射频通路中的输出信号由定向耦合器(10)引出到检波器(9)转换成电压信号；在MCU(7)的控制下，电压信号在比较器(8)中与MCU(7)设定的参考信号比较，MCU(7)从而设定所述的受控放大器放大倍数。

2.根据权利要求1所述的自动电平控制的捷变频率源，其特征在于：所述的受控放大器具有由MCU(7)控制的选通开关(4)，MCU(7)利用选通开关(4)设置受控放大器的放大倍数。

3.根据权利要求2所述的自动电平控制的捷变频率源，其特征在于：所述受控放大器的放大倍数小于1时，为由MCU设置衰减系数的可调衰减器(2)。

4.根据权利要求1所述的自动电平控制的捷变频率源，其特征在于：所述检波器(9)为二极管检波器或对数检波器。

5.根据权利要求3所述的自动电平控制的捷变频率源，其特征在于：所述MCU(7)内存储有预先校正得到频率功率的查找表，所述MCU(7)根据输出的功率要求查表得到预设的参考电压对应的参数设置可调衰减器(2)的衰减量。

6.根据权利要求1至5中任一所述的自动电平控制的捷变频率源，其特征在于：在脉冲静默期间，所述MUC(7)利用选通开关(4)将可调衰减器(2)的衰减达到最大值。

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