CN217282914U - 一种超宽带大功率射频信号发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种超宽带大功率射频信号发生装置，包括数据采集处理单元、频率源单元、开关放大滤波单元、定向耦合单元、检测单元以及射频信号输出端；数据采集处理单元向将控制信号传递至所述频率源单元和所述开关放大滤波单元，所述频率源单元将生成的基础信号源的信号传递至所述开关放大滤波单元，所述开关放大滤波单元将处理后的基础信号源的信号传递至所述定向耦合单元，所述定向耦合单元将处理后的基础信号源耦合后的信号传递至所述检测单元，所述检测单元与所述数据采集处理单元相连接，以将所述处理后的基础信号源的信号反馈至所述数据采集处理单元，定向耦合单元还连接至所述射频信号输出端。本实用新型提升了信号功率的精度。

Description

一种超宽带大功率射频信号发生装置

技术领域

本实用新型涉及信号发生器领域，特别是涉及一种超宽带大功率射频信号发生装置。

背景技术

宽带的信号发生器通常作为通用实验室仪器广泛用于民用通信、军用通信、卫星通信、雷达、电子对抗、半导体等领域。目前，这些产品所产生的射频/微波信号功率目前最大只能达到30dBm，使用者如果想获得更高的功率，只能通过外接射频功率放大器来实现，但是外接功率放大器由于谐波失真严重，功率不平坦，会给测试造成很大误差，存在一定的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种超宽带大功率射频信号发生装置，以提升信号发生的功率和频谱质量。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种超宽带大功率射频信号发生装置，包括数据采集处理单元、频率源单元、开关放大滤波单元、定向耦合单元、检测单元以及射频信号输出端；

所述数据采集处理单元向将控制信号传递至所述频率源单元和所述开关放大滤波单元，所述频率源单元将生成的基础信号源的信号传递至所述开关放大滤波单元，所述开关放大滤波单元将处理后的基础信号源的信号传递至所述定向耦合单元，所述定向耦合单元将处理后的基础信号源耦合后的信号传递至所述检测单元，所述检测单元与所述数据采集处理单元相连接，以将所述处理后的基础信号源的信号反馈至所述数据采集处理单元，所述定向耦合单元还连接至所述射频信号输出端。

可选的，所述频率源单元采用DDS技术产生9KHz-6GHz的基本频率信号，再通过倍频器倍频到最高40GHz。

可选的，所述频率源单元采用PLL锁相频率发生技术产生20MHz-6GHz的基本频率信号，再通过倍频器使频率最高达到40GHz。

可选的，所述开关放大滤波单元包括两组射频开关，且两组所述射频开关分别与所述频率源单元以及所述定向耦合单元连接，两组所述射频开关之间连接有多路放大滤波器。

可选的，每组所述射频开关至少包括一个开关。

可选的，所述放大滤波器上设置有散热单元。

可选的，所述检测单元包括正向功率检测单元和所述反向功率检测单元。

可选的，当所述反向功率检测单元检测到的反射功率超过限值时，断开电源强制关闭本装置。

可选的，所述数据采集处理单元上设置有人机交互界面。

相比于现有技术，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型包括数据采集处理单元、频率源单元、开关放大滤波单元、定向耦合单元、检测单元以及射频信号输出端；所述数据采集处理单元向将控制信号传递至所述频率源单元和所述开关放大滤波单元，所述频率源单元将生成的基础信号源的信号传递至所述开关放大滤波单元，所述开关放大滤波单元将处理后的基础信号源的信号传递至所述定向耦合单元，所述定向耦合单元将处理后的基础信号源耦合后的信号传递至所述检测单元，所述检测单元与所述数据采集处理单元相连接，以将所述处理后的基础信号源的信号反馈至所述数据采集处理单元，所述定向耦合单元还连接至所述射频信号输出端。能够有效地提升信号发生的质量。

进一步的采取发射功率的实时反馈，能够有效的避免发射功率过大而造成信号发生装置的烧毁，具有良好的保护机制。

附图说明

图1为本实用新型超宽带大功率射频信号发生装置一个实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型超宽带大功率射频信号发生装置一个实施例的数据采集处理单元的电路图；

图3为本实用新型超宽带大功率射频信号发生装置一个实施例的频率源单元的结构框图；

图4为本实用新型超宽带大功率射频信号发生装置另一个实施例的频率源单元的结构框图；

图5为本实用新型超宽带大功率射频信号发生装置另一个实施例的频率源单元的电路图；

图6为本实用新型超宽带大功率射频信号发生装置一个实施例的放大滤波器的电路图；

图7为本实用新型超宽带大功率射频信号发生装置一个实施例的选择开关的电路图；

图8为本实用新型超宽带大功率射频信号发生装置一个实施例的正反向功率检测单元的电路图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型的超宽带大功率射频信号发生装置进行更详细的描述，其中表示了本实用新型的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本实用新型，而仍然实现本实用新型的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本实用新型的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本实用新型。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

如图1所示，本实用新型实施例提出了一种超宽带大功率射频信号发生装置，包括数据采集处理单元、频率源单元、开关放大滤波单元、定向耦合单元、检测单元以及射频信号输出端；

所述数据采集处理单元向将控制信号传递至所述频率源单元和所述开关放大滤波单元，所述频率源单元将生成的基础信号源的信号传递至所述开关放大滤波单元，所述开关放大滤波单元将处理后的基础信号源的信号传递至所述定向耦合单元，所述定向耦合单元将处理后的基础信号源耦合后的信号传递至所述检测单元，所述检测单元与所述数据采集处理单元相连接，以将所述处理后的基础信号源的信号反馈至所述数据采集处理单元，所述定向耦合单元还连接至所述射频信号输出端。

所述数据采集处理单元向被配置为进行控制信号的发放和数据处理；

所述频率源单元根据所述控制信号生成基础信号源；

所述开关放大滤波单元根据所述控制信号对所述基础信号源进行处理；

所述定向耦合单元将处理后的基础信号源耦合后传递至所述检测单元，所述检测单元与所述数据采集处理单元相连接，以判断所述处理后的基础信号源是否符合标准，并在符合标准时控制所述射频信号输出端进行输出，在不符合标准时更新控制信号，使得所述频率源单元和所述开关放大滤波单元更新工作状态。

作为示例，所述数据采集处理单元连接至所述频率源单元和所述开关放大滤波单元，并分别向所述频率源单元和所述开关放大滤波单元输出控制信号。

作为示例，所述频率源单元与所述开关放大滤波单元相连接，所述频率源单元根据所述数据采集处理单元的控制信号生成基础信号源，所述基础信号源传输至所述开关放大滤波单元并根据所述数据采集处理单元的指令对频率源的信号源进行放大和滤波。

作为示例，所述定向耦合单元连接于所述开关放大滤波单元和所述检测单元之间，所述检测单元连接至所述数据采集处理单元，所述定向耦合单元接收所述开关放大滤波单元的输出信号并获得测量的功率值，所述检测单元将所述测量的功率值转换为电压值并将所述电压值传递至所述数据采集处理单元，所述数据采集处理单元根据所述电压值与预设值进行比较，并根据比较后的结果更新控制信号；例如，当所述电压值与所述预设值匹配时，认定处理后的信号源已达到要求，可以进行输出；例如，当所述电压值与所述预设值不匹配时，所述数据采集处理单元将根据比较结果，更新控制信号，例如调整频率源单元的输出功率等级，和/或调整所述开关放大滤波单元的放大和滤波形式。经过多次循环，直至所述电压值与所述预设值匹配。本实用新型中的这种闭环控制方式可以使功率精度达到±0.3dB范围内。

作为示例，所述射频信号输出端与所述定向耦合单元相连接，并进行功率输出。

在本实用新型中，可通过数据采集处理单元输入信号参数，信号参数设定完成后发送至频率源单元，频率源单元发出基础信号源，随后基础信号源进入到开关放大滤波单元进行信号放大和滤波，最终通过定向耦合单元进行信号耦合并输出。

在一个实施例中，所述数据采集处理单元上设置有人机交互界面。具体的，人机交互界面可通过触摸显示屏来实现，一方面能够直观地观察出输出信号的参数，同时也方便进行信号发生装置的参数设定。

所述数据采集处理单元通过人机交互界面获取指令，从而控制频率源单元产生频率，控制开关放大滤波单元进行进行工作。

进一步的，还能够对功率检测电路给出的电压情况进行运算并做闭环功率控制和反射保护。

此外，还负责通信接口与外界的指令通信，电源接口的电源管理等，是本实用新型装置的运算与处理中心。

如图2示意了本实用新型一个实施例中的数据采集处理单元的具体电路，其以型号为STM32F407ZET6的单片机为主进行搭建的。

在本实用新型一个实施例中，提供一种频率源单元，具体的，请参考图3所示，包括FPGA微控制器，所述FPGA微控制器的一端连接至倍频器，另一端连接至直接数字合成器，所述直接数字合成器的输出端与所述倍频器的第一输出端之间设置有第一单刀双掷开关，所述倍频器的第二输出端与所述第一单刀双掷开关之间设置有第二单刀双支开关。其中，所述第一单刀双掷开关的P端连接所述直接数字合成器的输出端，第一单刀双掷开关的T1端连接所述倍频器的第一输出端，第一单刀双掷开关的T2端连接所述第二单刀双掷开关的T2端，所述第二单刀双掷开关的T1端连接所述倍频器的第二输出端，所述第二单刀双掷开关的P端连接射频输出端。

在本实施例中，采用DDS(直接数字频率合成技术)产生9KHz-6GHz的基本频率信号，再通过倍频器倍频到最高40GHz，可获得所需的基础信号。

在一个示例中，可以是基于AD9177芯片实现直接数字频率合成。

在本实用新型另一个实施例中，提供一种频率源单元，具体的，请参考图4所示，本实施例主要采用的是使用PLL锁相频率发生器来实现。

在本实施例中，利用PLL锁相频率发生技术产生20MHz-6GHz的基本频率信号，再通过倍频器使频率最高达到40GHz，可获得所需的基础信号。

在一个示例中，可以是基于HMC833芯片实现锁相频率发生，如图5中示出了一个可行的电路设计方案。

所述开关放大滤波单元包括两组射频开关，且两组所述射频开关分别与所述频率源单元以及所述定向耦合单元连接，两组所述射频开关之间连接有多路放大滤波器。每组所述射频开关至少包括一个开关。

具体的，频率源单元接收到数据采集处理单元的指令后产生指定频率和功率的信号，信号进入开关放大滤波单元并根据指令开通对应频率的放大器，然后进入多路放大滤波器并根据指令开通对应频率的滤波器，从而得到大功率和低谐波分量的射频/微波信号；选用不同功率等级的放大器可以达到不同的功率等级，功率等级本身无上限，但功率越大放大器越大；受限于台式仪器的尺寸，一般做到最大60dBm。

具体的，频率源单元产生的信号通常十分微弱，约在0dBm左右；在本实用新型装置中，可输出高达50dBm的信号，所以需要对频率源模块产生的信号进行放大，因此加入放大器。放大器属于非线性器件，会对输入信号产生谐波(基波频率的整倍数信号，比如二次谐波就是二倍于基波的频率，三次谐波就是三倍于基波的频率，以此类推)，而谐波如果在放大器带宽之内，也会被放大器放大，形成很大的谐波分量。因此，为了使放大器输出信号变得纯净，需要对放大器进行分段，使其二次及二次以外的谐波信号在放大器带宽之外，并在末端加入滤波器彻底滤除高次谐波。所以我们采用开关放大滤波器组的方案达到这一目标。

一般地，对于9KHz-40GHz的超宽带信号，在低频9KHz-100MHz部分，由于其倍频程很长，需要划分很多段才能完成对谐波的完全滤除，现实应用中考虑到空间和技术因素，无法完成9KHz-100MHz这一段频率信号的分段放大滤波设计，因此考虑使用9KHz-100MHz放大器功率回退的方案降低此段信号谐波。本实用新型装置使用9KHz-100MHz输出高达56dBm的放大器，当其使用在50dBm时候(即回退6dB)，谐波分量可达到-40dBc左右，可以满足设计要求。

作为示例，在100MHz-40GHz这一段，我们分100-150MHz，150-250MHz，250-400MHz，400-700MHz，700-1100MHz，1.1-2GHz，2-3.5GHz，3.5-6GHz，6-10GHz，10-18GHz，18-26.5GHz，26.5-40GHz共12段放大滤波器，加上9KHz-100MHz这段，总共13路放大滤波器组合。

为了将13路放大滤波器组联合起来，我们在放大滤波器组前后分别配备两个单刀13掷大功率射频开关，形成可以选通任意通道的开关放大滤波器组。

最后，数据采集与处理单元会根据当前信号源模块设定的频率，通过射频开关来选择对应的分段。达到产生纯净的高功率射频信号的目的。

请参考图6和图7，分别示意了本实用新型实施例中放大滤波器和选择开关的一个可行的电路设计方案。

所述放大滤波器上设置有散热单元。

具体的，散热单元可选用散热风扇进行散热，但不局限于散热风扇。散热单元的设置，能够快速地对放大滤波器进行散热，保证了放大滤波器工作在正常的温度范围内。

本实用新型中引入有反馈机制，请继续参考图1，在所述定向耦合单元和所述数据采集处理单元之间，设置有正向功率检测单元，进行采样并反馈至数据采集处理单元，若产生的信号不符合设定的参数标准，数据采集处理单元调整控制指令，开关放大滤波单元对基础信号源进行进一步处理，直至定向耦合单元输出的信号满足设定的参数标准。

当射频信号输出端与负载连接后，由于射频网络具有非线性因素，可能会存在阻抗不匹配的问题，当输出端的负载与本实用新型装置的阻抗不匹配时，射频功率会反射。

基于此，在本实用新型的一个实施例中，在所述定向耦合单元和所述数据采集处理单元之间，设置有反向功率检测单元，当所述反向功率检测单元检测到的反射功率超过限值时，断开电源强制关闭本装置，以达到保护的目的，防止大功率的反射导致的本装置烧毁，提高可靠性。

所述正向功率检测单元和所述反向功率检测单元构成所述检测单元，在本实用新型实施例中，检测单元的原理是将耦合单元分离出来的高频信号转换成电压值，不同的输出功率会对应不同的电压值，因此可以通过预先校准的方式，得到一组标准功率对应的电压值表格，在装置工作时，通过检测到的电压值精确算出对应的输出功率。

请参考图8，示意了本实用新型实施例中正反向功率检测的一个可行的电路设计方案。

射频信号发生装置还包括供电接口以及通信接口，且所述供电接口以及所述通信接口分别用于供电以及数据通信。所述供电接口以及通信接口的设置，方便对信号发生装置进行供电以及与外部设置进行数据通信，方便进行数据的传输。

综上所述，本实用新型采用闭环控方式将输出信号采集反馈到数据采集处理单元并进行信号功率的调整，直至发生信号与设定参数相符，有效地提升了信号功率的精度，同时采取对反射功率的实时监测和设定阈值，能够有效的避免反射功率过大而造成信号发生装置的烧毁，具有良好的保护机制。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种超宽带大功率射频信号发生装置，其特征在于，包括数据采集处理单元、频率源单元、开关放大滤波单元、定向耦合单元、检测单元以及射频信号输出端；

所述数据采集处理单元向将控制信号传递至所述频率源单元和所述开关放大滤波单元，所述频率源单元将生成的基础信号源的信号传递至所述开关放大滤波单元，所述开关放大滤波单元将处理后的基础信号源的信号传递至所述定向耦合单元，所述定向耦合单元将处理后的基础信号源耦合后的信号传递至所述检测单元，所述检测单元与所述数据采集处理单元相连接，以将所述处理后的基础信号源的信号反馈至所述数据采集处理单元，所述定向耦合单元还连接至所述射频信号输出端。

2.如权利要求1所述的超宽带大功率射频信号发生装置，其特征在于，所述频率源单元采用DDS技术产生9KHz-6GHz的基本频率信号，再通过倍频器倍频到最高40GHz。

3.如权利要求1所述的超宽带大功率射频信号发生装置，其特征在于，所述频率源单元采用PLL锁相频率发生技术产生20MHz-6GHz的基本频率信号，再通过倍频器使频率最高达到40GHz。

4.如权利要求1所述的超宽带大功率射频信号发生装置，其特征在于，所述开关放大滤波单元包括两组射频开关，且两组所述射频开关分别与所述频率源单元以及所述定向耦合单元连接，两组所述射频开关之间连接有多路放大滤波器。

5.如权利要求4所述的超宽带大功率射频信号发生装置，其特征在于，每组所述射频开关至少包括一个开关。

6.如权利要求4所述的超宽带大功率射频信号发生装置，其特征在于，所述放大滤波器上设置有散热单元。

7.如权利要求1所述的超宽带大功率射频信号发生装置，其特征在于，所述检测单元包括正向功率检测单元和反向功率检测单元。

8.如权利要求7所述的超宽带大功率射频信号发生装置，其特征在于，当所述反向功率检测单元检测到的反射功率超过限值时，断开电源强制关闭本装置。

9.如权利要求1所述的超宽带大功率射频信号发生装置，其特征在于，所述数据采集处理单元上设置有人机交互界面。

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