CN1694361B - 一种超宽带多频点微波信号产生方法 - Google Patents

Abstract

一种超宽带多频点微波信号产生方法，利用多路“锁相源输出、一级隔离、放大、二级隔离、滤波”电路链实现多路单频点微波信号输出，然后利用微波集成电桥合成技术将多路单频点微波信号合成为一路超宽带多频点的微波信号。本发明可以产生分布于L、S、C、X和K等多个波段的多个频点同时输出的信号，该信号具有超宽频带、低杂散输出、宽温度范围内频率准确度与稳定度高等特点。采用本发明技术方案所产生的超宽带多频点微波信号，可应用于恶劣的环境条件下的雷达、通信等系统中。对于其它复杂环境下运用的各种微波检测系统，采用本发明技术方案所产生的超宽带多频点微波信号也具有相当的应用价值。

Description

一种超宽带多频点微波信号产生方法

技术领域

本发明属微波电子技术领略，特别涉及一种超宽带多频点微波信号产生方法。

背景技术

人们通常在理论上把频率范围在300MHz到300GHz(波长从1米到1毫米)的电磁波称为微波，相应的电磁波信号称为微波信号。但在工程应用上则习惯于把频率范围在1000MHz到30GHz的电磁波信号称为微波信号，而把频率范围在30GHz到300GHz的电磁波信号称为毫米波信号。本发明所指微波信号是指工程应用上所指的微波信号。工程技术上，根据微波信号所处频率范围的不同，人们习惯上把微波信号分成五段，即L波段(1-2GHz)、S波段(2-4GHz)、C波段(4-8GHz)、X波段(8-12GHz)和K波段(12-30GHz)。

微波信号按所处的波段的不同，可以分为L波段微波信号、S波段微波信号、C波段微波信号、X波段微波信号和K波段微波信号；按所携带的频点数目的不同，可以分为单一频点微波信号和多频点微波信号，所谓单一频点微波信号是指同一时刻只携带一个频点的微波信号，而多频点微波信号是指同一时刻携带了多个频点的微波信号；按频带宽度的不同，可以分为窄带微波信号、宽带微波信号和超宽带微波信号，所谓窄带微波信号一般指频带相对带宽不超过30％的微波信号，所谓宽带微波信号一般是指频带相对带宽大于30％-200％的微波信号，所谓超宽带微波信号一般是指频带范围覆盖几个波段的微波信号。

现代微波技术已广泛应用于雷达、通信、能源、化工以及家电等领略。

描述微波信号质量高低的一般技术指标为：信号的稳定度、工作温度范围、功率、杂散抑制等等。根据不同的应用场合，对微波信号质量的要求也有所不同。

微波技术的基础就是微波信号的产生，产生微波信号的基本装置是微波振荡器。微波振荡器的核心部分也就是LC振荡电路，因为微波频率很高，所以微波振荡器振荡电路的电感和电容取值很小。几乎所有的微波信号发生装置都离不开微波振荡器，而不同的微波产生方法也主要围绕对微波振荡器输出的微波信号的处理上。

本发明主要涉及的是超宽带多频点微波信号的产生方法。

高质量的超宽带多频点微波信号主要用作各种微波探测系统的模拟信号。为有效对付外界电子干扰，以及全天候工作需要；为确保微波探测系统实时发现超视距目标，避免误判或漏判，探测系统同时产生多个分布于宽频带的多频点微波调制信号进行实时检测，系统中信号发生器也必须输出超宽带多频点深度调制频率信号，并且满足宽工作温度(-55℃～+85℃)范围内高频率稳定度。随着超宽带多频点微波信号在各种探测系统中扮演着越来越重要的角色，超宽带多频点微波信号产生方法也越来越成为人们研究的热点。

一般宽带微波信号源同一时刻总是单一频点信号输出，只是其输出频率可在一个范围内变化。由于只输出单一频率，理论上输出信号没有其他信号引起的杂散干扰，可采用常规方法制作出分频段的信号源，再由开关切换输出。

对于同时需要输出多频点的微波信号源，由于多个频点信号同时存在，通过各非线性器件后由于相互交叉调制而产生各种混和频率成分，从而大幅度地降低信号源杂散抑制指标。若同时输出为分布频率范围很宽的多频点信号，输出频谱中还存在低频率信号的谐波分量。另外，由于是超宽带多频点同时输出，而不是各频率信号由开关切换分时输出，多个频率信号必须由超宽带多路电桥合成一路输出，电桥除了要保证在较宽频带内有良好的频响特性外，还应保证各路信号之间具有良好的隔离——即多频点信号在合成输出前不能有相互串扰，以提高输出的杂散抑制度。

目前，微波多频点信号产生主要集中在微波低端，涉及频率范围较窄，杂谐波抑制度不高。对微波多频点信号源来说，由于匹配网络设计困难，难以实现超宽频带、多频点同时输出；采用一般的压控微波振荡器(VCO)难以实现信号在宽温度范围内的高频率稳定度；采用常规微带混合集成技术，在同一块电路基板上，由于超宽带多频率点信号通过电路以及电磁场空间的相互串扰影响，使得低杂散、低谐波输出(≤-65dBm)的超宽带多频点微波信号的产生方法成为一个困扰人们的技术难题。

经四川省科技成果查新咨询服务中心电子分中心手检、机检、和光盘检索，查阅了国内外相关文献资料，经仔细阅读分析，可以看出，国内外已有多频率点输出的信号发生器，相关报道主要集中在较低频率范围以内(2GH以下)，高频率多频率点输出未见报道，而且相应杂散、谐波抑制度均不太理想。

综合来看，由于超宽带微波集成技术、宽温度范围(-55℃～+85℃)内高频率稳定度技术，宽频带多频点信号同时输出杂散抑制技术难以解决，为超宽带多频点微波信号发生器的进一步研制带来了难题。

技术内容

技术问题

为克服现有信号发生器在微波频段输出频率范围窄、随温度变化频率稳定度差、在多个宽带频率范围内分布的多频点同时输出时杂散和谐波分量较高等方面的不足，本发明旨在提供一种超宽带多频点微波信号的产生方法。依据本方法所产生的微波信号具有同时输出多个频点的超宽带微波信号的特点，同时产生的多个信号频率可分布于L、S、C、X和K波段；并且依据本方法所产生的超宽带多频点微波信号具有宽温度范围(-55℃～+85℃)内高频率稳定度、杂散抑制度高的特点。

技术方案

一种超宽带多频点微波信号产生方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)、利用高稳定度微波锁相源输出高稳定度的频率信号。高稳定度锁相源所输出的频率信号为处于微波波带中某一波段的单一频率信号。

2)、一级隔离，将高稳定度锁相源输出的频率信号进行一级隔离后输出。一级隔离步骤采用隔离器进行隔离的方法，其目的是消除后级电路反射的影响和防止其他路的信号串进锁相源产生额外的杂散频率。

3)、放大，将一级隔离后的输出信号进行放大后输出。放大步骤采用放大器进行放大的方法，其目的是提高信号的幅度(功率)，保证最终输出信号具有一定的功率。为防止因放大过程而引入的频谱杂散和谐波，此处放大器应工作于线性区，选用器件应有足够的线性功率增益和线性功率输出能力。

4)、二级隔离，将放大输出的信号进行二级隔离后输出。具体方法和功能与一级隔离相似。其目的是消除后级电路反射的影响和防止其他路的信号串入放大器产生不需要的杂散频率。

5)、滤波，将二级隔离后输出的信号进行滤波。滤波步骤采用滤波器进行滤波的方法，其目的是为了进一步滤除杂散频率和锁相源输出的谐波频率，另外，滤波器的使用在一定程度上也提高了不同频率点的多路信号之间的隔离度。对于滤波器的要求是具有较窄的通带、较大的阻带衰减量和较高的最高截止频率；对于频率较低(小于2GHz左右)的信号可以采用低通滤波器，对于频率较高的信号则必须采用带通滤波器。

经过步骤1)至步骤5)，得到一路单一频点的微波信号，重复步骤1)至步骤5)就可以得到多路单一频点的微波信号，信号频率点范围可以跨越整个微波频带。

6)、合成，将滤波后输出的多路单频点微波信号利用微波集成电桥合成技术合成一路输出。合成电桥可以采用常用的Wilkinson电桥实现。步骤是根据信号频率、带宽要求，设计出宽带多路Wilkinson电桥，实现多频点微波信号的合成输出。

经过上述步骤后，即可产生超宽频带多频点微波信号。该信号还可以经耦合器耦合端输出副输出信号，经耦合器直通端输出的信号经脉冲调制后输出主输出信号。

微波锁相源可以采用如图2所示的结构。由基准晶体振荡器、预分频器，集成频综，环路滤波电路，定向耦合器和微波VCO组成。微波VCO振荡输出一个频率信号，耦合器提取该频率信号经预分频器送至集成频综，与基准频率鉴相输出一个反映由于温度等环境因数引起的频率偏差的误差电压，经环路滤波后控制VCO的振荡频率，从而保证整个频率源在宽温度范围内输出频率的准确性和稳定性。

为了克服不同频率信号之间的串扰，要求合成器输入端的隔离度较高，在合成的步骤中可以分为多级合成，以降低合成网络设计难度。步骤是先将频率相近(比如小于一个倍频程左右)的信号进行合成，再将经过一级合成后的信号按照频率相近原则进行二级合成……，直至将所有信号合成一路输出时为止。

有益效果

1、本发明可以产生分布于L、S、C、X和K等多个波段的多个频点同时输出的信号，该信号具有超宽频带、低杂散输出、深度脉冲调制等特点。

2、由于采用了高稳定度微波锁相源，使得所产生的信号具有宽温度范围内的频率准确度和稳定度，其宽温度范围内输出频率精度可以达到±1MHz。

3、由于采用了基于Wilkinson宽带电桥的微带集成合成技术，使得所合成的多频点微波信号之间具有较高的隔离度，防止不同频率信号之间的串扰。

4、由于采用了相应的低通、带通滤波器，以及隔离器和宽频带多频点多路合成网络，有效地消除各频点信号谐波分量输出，并防止不同频率的信号通过电路相互串扰；经电磁理论分析、三维场计算仿真和实验研究，采用分腔隔离的措施，保证了各功能电路之间相对独立的电磁环境，有效地解决了电磁兼容问题，防止信号以空间场模式串扰。采用以上方法从电路和空间电磁场角度有效的提高了输出杂散抑制能力。

采用本发明技术方案所产生的超宽带多频点微波信号，可应用于恶劣的环境条件下的雷达、通信等系统中。对于其它复杂环境下运用的各种微波检测系统，采用本发明技术方案所产生的超宽带多频点微波信号也具有相当的应用价值。

附图说明

图1为一种超宽带多频点微波信号产生方法流程图

图2为高稳定度微波锁相源结构原理图

图3为采用本发明所制作的一种超宽带多频点微波信号发生器原理方框图，其中，

1四个输出频率分别为1250MHz、3200MHz、5700MHz、9100MHz高稳定度锁相源

2八个两组工作中心频率分别为1250MHz、3200MHz、5700M、9100MHz隔离器

3四个工作中心频率分别为1250MHz、3200MHz、5700M、9100MHz放大器

4四个工作中心频率分别为1250MHz、3200MHz、5700M、9100MHz滤波器

5超宽带四路信合成电桥

620dB定向耦合器

7开关信号发生器

8脉冲调制器

9电源模块

图4为采用本发明所制作的一种超宽带多频点微波信号发生器的四路宽带功率合成电路

具体实施方式

如图3所示，利用本发明所述的一种超宽带多频点微波信号产生方法制成的一种超宽带多频点微波信号发生器，4个四个输出频率分别为1250MHz、3200MHz、5700MHz、9100MHz高稳定度锁相源所产生的信号分别经一级隔离器、放大器、二级隔离器和滤波器后，经过二级超宽带四路信号合成电桥合成一路信号，该信号经20dB定向耦合器耦合端输出副输出信号，经耦合器直通端输出的信号经脉冲调制后输出主输出信号。

该信号发生器中微波锁相源原理框图如图2所示。由10MHz晶体振荡器、预分频器，集成频综，环路滤波电路，20dB定向耦合器和VCO组成。微波VCO振荡输出一个频率信号，20dB耦合器提取该频率信号经预分频器送至集成频综，与10MHz基准频率鉴相输出一个反映由于温度等环境因数引起的频率偏差的误差电压，经环路滤波后控制VCO的振荡频率，从而保证整个频率源在宽温度范围内输出频率的准确性和稳定性。

隔离器的使用除了消除后级电路反射的影响外，还有防止其他路的信号串进放大器产生不需要的杂散频率。单独使用一个隔离器还不能达到有效隔离不同频率信号的串扰，故本信号发生采用了两级隔离措施。

采用放大器主要是提高信号的幅度，以满足所有频率信号最终输出幅度在常温下大于6dBm、高低温下大于3dBm的要求。为了便于设计和降低成本，放大器采用常用的单片放大器完成，考虑到隔离、滤波、超宽带功率合成网络、耦合网络、斩波调制以及接头和电路各部分不连续性等的损耗，并且考虑到最终输出的高杂散抑制度要求，要求线性输出功率大于15dBm，线性增益大于18dB。

滤波器的目的是为了滤出杂散频率和锁相源输出的谐波频率，另外，滤波器的加入也在一定程度上加强了各路信号之间的隔离度。由于本发生器涉及频率范围宽，滤波器要求具有较窄的通带，较大的阻带衰减量和较高的最高截止频率。对频率为1.25GHz信号，采用低通滤波器可以满足要求，对其他三个频率，必须采用带通滤波器。

超宽带多路微波集成合成信号电桥采用微带Wilkinson电桥拓扑结构。合成电桥设计主要从工作频率、带宽、损耗、隔离度等方面考虑，本信号发生器涉及的电桥对隔离度指标要求较高，也是主要考虑的方面。具体设计上，第一级合成1.25GHz和3.2GHz，5.7GHz和9.1GHz两两分别合成，做到一个倍频程带宽内相互隔离度大于20dB合成输出；第二级为超宽带Wilkinson功率合成电路，采用两级Wilkinson电桥结构实现在1.25GHz、3.2GHz、5.7GHz和9.1GHz四个频率点间，隔离度大于15dB的超宽带合成。

该超宽带测试信号发生器采用微带混合集成技术实现各单元电路功能，单元电路均由独立腔体屏蔽，电路间由50Ω同轴线连接，以防止信号在放大过程中交叉串扰，提高了输出信号杂散抑制度。

Claims (6)

1.一种超宽带多频点微波信号产生方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)、利用高稳定度微波锁相源输出高稳定度的频率信号；

所述微波锁相源由基准晶体振荡器、预分频器，鉴相器，环路滤波电路，定向耦合器和微波VCO组成；微波VCO振荡输出一个频率信号，耦合器提取该频率信号经预分频器送至鉴相器，与基准频率鉴相输出一个反映由于温度因素引起的频率偏差的误差电压，经环路滤波后控制VCO的振荡频率，从而保证整个频率源在宽温度范围内输出频率的准确性和稳定性；

2)、一级隔离，将高稳定度锁相源输出的频率信号进行一级隔离后输出；

3)、放大，将一级隔离后的输出信号进行放大后输出；

4)、二级隔离，将放大输出的信号进行二级隔离后输出；

5)、滤波，将二级隔离后输出的信号进行滤波；

经过步骤1)至步骤5)，得到一路单一频点的微波信号，重复步骤1)至步骤5)得到多路单一频点的微波信号，信号频率点范围可以跨越整个微波频带；

6)、合成，将滤波后输出的多路单频点微波信号利用微波集成电桥合成技术合成一路输出；

所述合成步骤分为多级合成来完成信号合成功能，先将频率相近的信号进行一级合成，再将经过一级合成后的信号按照频率相近原则进行二级合成，依此类推，直至将所有信号合成一路输出信号时为止。

2.根据权利要求1所述的超宽带多频点微波信号产生方法，其特征是，所述放大步骤采用放大器进行放大的方法。

3.根据权利要求2所述的超宽带多频点微波信号产生方法，其特征是，所述放大器为单片放大器。

4.根据权利要求1所述的超宽带多频点微波信号产生方法，其特征是，所述隔离步骤采用隔离器的方法。

5.根据权利要求1所述的超宽带多频点微波信号产生方法，其特征是，所述滤波步骤采用滤波器进行滤波的方法，对于频率较低的信号采用低通滤波器，对于频率较高的信号采用带通滤波器。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的超宽带多频点微波信号产生方法，其特征是，所产生的超宽频带多频点微波信号还可以经耦合器耦合端输出副输出信号，经耦合器直通端输出的信号经脉冲调制后输出主输出信号。

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