CN109412621A - 一种四通道独立稳幅式本振功分装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四通道独立稳幅式本振功分装置和方法，属于微波测试技术领域，本发明装置包括本振级联扩展单元、一级功分放大单元、二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B。本发明方法能够完成内部本振源信号产生后的功分/放大/稳幅功能，并最终提供给矢量网络分析仪接收机必需的4路本振信号，每个输出支路具有独立宽带稳幅功能，提高了本振信号的功率稳定性、幅度功率可调范围、本振通道间的隔离性能，并使矢量网络分析仪之间具有直接接收机级联扩展能力；提升了矢量网络分析仪本振电路的性能，以通用化的方式最大限度地满足高稳定度和高精度矢量网络分析仪技术创新要求，具有通用性。

Description

一种四通道独立稳幅式本振功分装置和方法

技术领域

本发明属于微波测试技术领域，具体涉及一种四通道独立稳幅式本振功分装置和方法。

背景技术

随着信息技术快速发展，微波元件、器部件、设备的性能指标越来越高，对测试手段的要求也越来越精细化，对作为微波测试核心仪器的矢量网络分析仪的性能提出更高要求，特别是对整机的测试精度、稳定性、动态范围等指标以及整机功能扩展能力等都提出了更高的技术要求。

矢量网络分析仪是微波毫米波测试领域的核心测试仪器，应用对象小到半导体芯片，大到大型设备组件，基本功能是在宽频带内完成被测件的扫频S参数测试。作为精密测试仪器，对自身的多通道接收机(一般四通道为主)的稳定性和精度都要求很高，而接收机的本振信号提供方式又直接影响着多通道接收机的指标和稳定性。通过对多通道(混频)接收机的本振通道进行设计改进是提升矢量网络分析仪接收机性能的一种有效手段。

矢量网络分析仪接收机本振通道传统模式的实现方法有两种。一种方法是对本振源信号只进行放大，然后不经过稳幅直接通过功分通道分别提供给矢量网络分析仪的四路(下变频)接收机；另一种方法是本振源产生的信号先经过放大和固定稳幅后再功分为四路，通过1-4功分通道直接提供给四路(或多路)接收机(下变频器)。总之，传统技术都是本振信号先进行放大(稳幅或不稳幅)后再直接功分，功分通道频响没有功率补偿。但是功分之后每路本振信号没有再进行独立精细稳幅方式的功率补偿处理。

根据实际应用的分析，矢量网络分析仪传统模式的本振源功分通道存在如下不足：

1、一种传统实现方法是本振源信号放大到比较大的功率(比如+27～+30dBm)后直接通过功分为四路分别提供给整机的四个混频接收机。使用该方式的缺点是接收机本振功率放大器没有经过稳幅控制，使得最终输出的本振信号稳定性差，功率大小不方便进行调整和校准；二是功分电路损耗值大(理论损耗就有12dB)，消耗了过多功率；

2、另一种是传统模式是本振源信号先经过放大和固定稳幅后再功分为四路，分别通过四路功分通道提供给四路(或多路)接收机混频器。该种方式相比第一种方式，采用放大后先稳幅再功分的模式，本振信号功率稳定性虽然有提高，但后续一分四路的功分通道包含两级1/2功分器，以及四路对应的半刚电缆等部件，插损驻波等特性都会有差异，因而末端输出本振功率本质仍然是不完全受控的。本振输出功率的可调整性、稳定性以及通道一致性只能依赖于硬件性能而变化，无法根据多通道接收机的需要精细地独立设置每路本振的大小，并受整机内部环境温度的影响；另外，功分电路理论损耗值大(12dB)，消耗了过多功率。

传统本振通道这些缺点都会影响多通道接收机本振信号功率稳定性和准确性；不适合新一代高精度、高稳定度仪器的创新需求。

3、传统的这两种模式在通道隔离性方面的缺点：功分通道之间隔离性取决于纯功分器电路的隔离性能，隔离性差，容易造成接收机之间通过本振通道形成射频串扰。

4、矢量网络分析仪的技术发展趋势要求利用内部接收机进一步实现绝对功率和频谱测量，因而对本振通道信号提出更高稳定性要求，因此，传统本振通道实现方法不能满足技术发展对矢量网络分析仪接收机稳定性新的需求；

5、目前的方法或模式下本振通道是封闭而非开放的，不能满足不同矢量网络分析仪的接收机之间方便实现共本振级联的功能。因此，传统方法不能满足矢量网络分析仪接收机基于相位相干信号体制下的扩展测试应用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提出了一种四通道独立稳幅式本振功分装置和方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种四通道独立稳幅式本振功分装置，包括本振级联扩展单元、一级功分放大单元、二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B；

本振级联扩展单元，包括第一耦合器和第三放大器，工作频率范围为1GHz～40GHz，一方面，将本振源产生的本振信号通过第一耦合器的主路输出至下一级的一级功分放大单元；另一方面，将第一耦合器的耦合端口耦合出的一路本振信号经第三放大器放大后经级联扩展输出端口输出至其它的矢量网络分析仪本振输入口作为级联本振输入信号；

第一耦合器，被配置为用于通过其耦合端口耦合出一路本振信号作为级联信号，并输出至第三放大器；

第三放大器，被配置为用于对第一耦合器耦合出的本振信号进行放大，补偿信号的耦合损耗，实现多组矢量网络分析仪的接收机本振级联或者外输出功能；

一级功分放大单元，包括一级功分电路和功分支路上的第一放大器和第二放大器；被配置为用于完成输入本振信号的第一次功分，将输入的本振信号通过一级功分电路功分为两路，并在每个功分支路上通过第一放大器和第二放大器对功分后的本振信号分别进行放大补偿后，并列输出至二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B；

二级末端稳幅式功分/放大单元A，其结构和功能与二级末端稳幅式功分/放大单元B一样，均包括二级功分电路、功率调制器、宽带双放大器组、输出端耦合检波电路和稳幅控制电路；被配置为用于完成本振信号的二次功分、放大和稳幅功能，并输出最终的本振信号，为矢量网络分析仪四通道接收机提供两路经过调理的最终本振信号输出；

二级功分电路，被配置为用于将一级功分放大单元输出的每路本振信号再次功分为两路；

功率调制器，被配置为用于对经过二级功分电路功分后的信号进行功率调制，根据控制电压进行功率衰减；

宽带双放大器组，被配置为用于对经过功率调制器功率调制后的信号进行增益放大；

输出端耦合检波电路，被配置为用于对输出信号电平进行取样和检测，并输出检波信号至稳幅控制电路；

稳幅控制电路，被配置为用于对检波信号和来自数据线的参考信号进行比较积分处理，形成误差驱动信号，驱动功率调制器改变衰减量，起到自动调整输入功率大小的作用，直至最终输出功率达到要求的设定功率值要求。

优选地，一级功分电路和二级功分电路均为一分二功分电路。

此外，本发明还提到一种四通道独立稳幅式本振功分方法，该方法采用如上所述的一种四通道独立稳幅式本振功分装置，包括如下步骤：

步骤1：本振源产生本的振信号输入至本振级联扩展单元；

步骤2：本振级联扩展单元，一方面，将本振源产生的本振信号通过第一耦合器的主路输出至下一级的一级功分放大单元；另一方面，将第一耦合器的耦合端口耦合出的一路本振信号经第三放大器放大后经级联扩展输出端口输出至其它的矢量网络分析仪本振输入口作为输入；

步骤3：一级功分放大单元将本振级联扩展单元输出的本振信号通过一级功分电路分为两路，并在每个功分支路上通过第一放大器和第二放大器对功分后的本振信号分别进行放大补偿后，并列输出至二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B；

步骤4：二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B，通过二级功分电路、功率调制器、宽带双放大器组、输出端耦合检波电路和稳幅控制电路，完成本振信号的二次功分、放大和稳幅功能，并输出最终的本振信号，二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B为矢量网络分析仪四通道接收机提供共四路经过调理的最终本振信号输出。

本发明所带来的有益技术效果：

1、本发明装置，使矢量网络分析仪的内部本振信号经过功分电路后由1路功分为4路，最终四个输出支路都具有功率稳幅电路，因而能够为4个接收机提供4路具备独立稳幅能力的本振信号；相对于传统方法，实现了功分后每个支路输出信号的自动稳幅能力，并且每个支路可以根据对应接收机的特性独立设置和调整稳幅功率值。避免了传统方法中各功分支路输出信号由于通路电路器件、尺寸、环境温度等特性差异而引起的功率精度差但无法进行独立功率补偿的缺陷。一是极大提高了本振输出信号的稳定性，提高了功率精度；二是使四路本振具备了灵活的功率设置能力，可以根据对应后级接收机的具体特性差异而独立设置本振大小；三是可使各本振通道显著提升改善一致性。这都是传统方法无法实现的。

2、本发明装置总体采用两级/三组功分单元组合、功分支路放置放大器进行信号放大的总体构架和方式，补偿了功分通路造成损耗，因此可以实现宽频带(1GHz～40GHz)、输出功率大(功率上限可大于20dBm)、功率可调整范围大的本振信号(可实现从-10～+20dBm)；相对目前现有技术，有效提高了本振输出信号功率上限，并增大了本振功率可调整范围；

3、功分支路的放大器的引入，(相对于现有技术)增加了本振功分通道间的反向隔离性能，大幅减少了接收机之间通过本振通道形成的射频串扰；

4、矢量网络分析仪的技术发展趋势要求实现绝对功率和频谱测量能力，采用本发明提供的方法为接收机提供本振，可以进一步提高接收机稳定性，因而相对传统方法稳定性更强；

5、本发明装置中的本振级扩展单元所具备的级联扩展接口使整机具备多组矢量网络分析仪的接收机本振级联能力，并且由于级联后使用同一本振源，使级联后的接收机组具备完全同步的相位相干特性；另一方面，本振级联扩展单元接口采用定向耦合输出后再放大补偿的方式，可实现级联端口的信号功率和输入功率总体保持一致，补偿了功率损耗从而可实现多级级联，并且和所级联的部分保持高的隔离性，减小了相互影响。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置在矢量网络分析仪分析仪原理框图中的位置示意图。

图3为本发明具备的多台矢量网络分析仪分析仪接收机本振扩展功能示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明提供一种适用于矢量网络分析仪的四通道独立稳幅式本振功分装置和方法，其功能是完成内部本振源信号产生后的功分/放大/稳幅功能，并最终提供给矢量网络分析仪接收机(下变频器)必需的4路本振信号(本文记为LO₁、LO₂、LO₃、LO₄)。每个输出支路具有独立宽带稳幅功能，能够实现输出信号的末端稳幅，从而提高了本振信号的功率稳定性、功率可调范围、本振通道间的隔离性能，并使矢量网络分析仪之间具有直接接收机级联扩展能力。本发明可有效解决传统方法存在的不足之处，提升矢量网络分析仪本振电路的性能，以通用化的方式最大限度地满足高稳定度和高精度矢量网络分析仪技术创新要求。本方法和装置具有通用性，也可用于其它类型多通道接收机的本振通道设计中。

本发明一种四通道独立稳幅式本振功分装置，其结构如图1所示，包括本振级联扩展单元、一级功分放大单元、二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B四大单元，用来完成矢量网络分析仪本振信号的1-4路功分、放大、并实现4路最终输出信号的稳幅功能，为矢量网络分析仪的四路接收机提供宽频带(1GHz～40GHz)、全频段输出功率上限高、功率可调范围大(＞30dB)、每支路具备独立功率配置能力的、末端稳幅的本振信号。本发明从创新、优化本振通道设计的角度为接收机提供更加稳定的本振信号，从而提升矢量网络分析仪的接收机稳定性、灵敏度以及通道一致性等指标。可实现从1GHz～40GHz范围的本振信号功分调理功能，具有通用性。

所述本振级联扩展单元：由宽带定向耦合电路和放大器组成，工作频率范围1GHz～40GHz。一是用来把本振源产生的本振输入信号通过第一耦合器的主路传输至下一级的一级功分放大单元，从而起到本振信号输入接口的作用；另一方面，从第一耦合器的耦合端口耦合出一路本振信号并通过放大器3进行放大，经级联扩展端口输出。可把该端口输出的信号送至另外的矢量网络分析仪本振输入口作为输入，放大器3用来补偿信号的耦合损耗，可实现多组矢量网络分析仪的接收机本振级联或者外输出功能；

所述一级功分放大单元：由一级功分电路和功分支路上的两个宽带微波放大器1和放大器2构成。主要完成输入本振信号的第一次功分，把输入的本振信号功分为两路，并在每个功分通道上使用放大器(放大器1和放大器2)对功分后信号分别进行放大；

所述二级末端稳幅式功分/放大单元A：由二级功分电路(一分二)、功率调制器、宽带双放大器组、输出端耦合检波电路、稳幅控制电路组成。该单元主要完成本振信号的二次功分、放大、稳幅功能，并输出最终的本振信号，为矢量网络分析仪四通道接收机提供两路经过调理的最终本振信号输出：LO1和LO2；

所述二级末端稳幅式功分/放大单元B：和二级末端稳幅式功分/放大单元A的功能相似，为矢量网络分析仪四通道接收机提供两路最终的经过调理的本振信号输出：LO3和LO4；

本发明主要工作原理为：

在本振级联扩展单元：

本振信号发生器产生的本振信号由输入端口进入后经过耦合器1的主路和耦合支路分为两部分信号。主路方面，输入的本振信号主要经过定向耦合器的主路后进入下一个功能单元：一级功分放大单元。宽带耦合器主路插损较小，对经过的信号衰减损耗很小；

在耦合支路，由定向耦合器耦合臂耦合出一路信号作为级联信号，经宽带微波放大器1放大后输出，该信号是仪器外输出信号，用于提供给其它的矢量网络分析仪，作为外接本振输入信号，从而实现同其它矢量网络分析仪的接收机级联。由于使用一个本振源，因而可实现不同矢量网络分析仪接收机的真正同步，实现多通道信号相干性接收测量功能，并且可以复用实现多路级联；放大器3对信号的耦合损耗进行补偿(选择合适的放大器放大倍数，则经补偿后级联输出端口的功率仍然接近输入功率，这样利于多级级联而不衰减)。另外耦合器1具有良好的方向性，放大器反向隔离度也比较大，因此，这种设计可以具有良好的总体隔离性能，使被级联外部部分避免干扰本机的正常工作。

在一级功分放大单元：

前级输入的本振信号进入本单元后首先由1分2的一级功分电路分为两路，然后分别由每个支路的放大器(放大器1和放大器2)进行放大补偿；另一方面，由于本单元两个支路分别设有宽带放大器，从而增加了反向隔离性能。

经本单元完成功分放大的两路本振信号分别并列输入到下一级单元：二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B。

在二级末端稳幅式功分/放大单元A：

由前级单元输入的本振信号在本单元中首先进入二级功分电路，再次被功分为两个支路；在每个支路，本振信号经功率调制器后再进入宽带双放大器组进行高增益放大，从而可以实现大的输出功率和大的功率调整范围(调制器压控衰减量＞30dB)，放大后的本振信号经后面的输出端耦合检波电路完成最终输出(LO1和LO2)。耦合检波电路由耦合和检波器电路构成，耦合检波方式电路插损较小，具有减少功率损耗优点。最终输出的信号(LO1和LO2)是经过稳幅的本振信号。本振信号功率稳幅功能具体工作过程为：

1)预先功率校准：在输出端连接功率计，根据矢量网络分析仪对应接收机的本振要求，进行全频段本振校准，并把校准数据存在矢量网络分析仪系统文件中作为功率稳幅的参考，它对应着本振每个频点信号电平的稳幅要求；稳幅控制电路的数据线和A/D电路为整个本振装置进行校准提供了必需的硬件接口；

2)整个稳幅环路工作时，检波电路在信号的最终输出端完成输出信号电平的取样和检测，检波信号进一步进入稳幅控制电路；在稳幅控制电路中，检波信号和来自数据线的上述参考信号进行比较积分处理，形成的误差驱动信号反过来驱动功率调制器线性地改变衰减量，起到自动精细调整输入功率的作用，直到本振输出功率达到要求的设定功率值要求。

所述二级末端稳幅式功分/放大单元B：

其构成和工作原理相同，最终完成另外两路本振信号输出(LO3和LO4)的功分、放大、稳幅和最终输出。

本发明装置在矢量网络分析仪分析仪原理框图中位置见示意图2。

给本发明带来有益效果的关键技术点

1、本发明提出的由本振级联扩展单元、一级功分放大单元、二级末端稳幅式功分/放大单元A、二级末端稳幅式功分/放大单元B四单元构成的一种四通道独立稳幅式本振功分装置和方法，总体采用两级/三组功分单元组合、每个功分支路独立设置放大器进行信号放大的总体构架和本振通道设计方式，可综合完成矢量网络分析仪本振信号的1-4功分、每路功分支路本振信号独立放大功能。发明的优点主要体现在可提供本振信号的稳定性得到极大改善、本振通道间的一致性能调整的更好、功率更加满足要求、本振通道间的干扰进一步得到抑制和能够提供本振级联扩展功能。

2、本发明提出本振四通道末端独立稳幅设计技术。本发明中二级末端稳幅式功分/放大单元A、二级末端稳幅式功分/放大单元B，共四路本振输出，每路都设有独立可控的本振放大电路并自带稳幅环路，可以根据后级每路所对应的下变频接收机对本振功率的要求，实现独立功率设置和稳幅功能；每个支路在最终输出端口采用耦合检波方式，检波电路由放置在最终输出端的定向耦合器和检波器构成，具有插损小、方向性好的优点，从而可实现每路本振输出端的末端稳幅，这样可以对本振信号的每路输出实现全通道功率自动补偿，从而消除了本振通道差异而造成的功率不确定性；由于每路都实现独立稳幅，因而极大增强了矢量网络分析仪分析仪的本振信号稳定性，提高了功率精度和通道一致性。从而保证了整机接收机的稳定性，可满足新一代高精度高稳定性矢量网络分析仪设计需要；

3、本发明提出了用于矢量网络分析仪的通道均衡式本振功分放大电路综合设计方法。本发明中的一级功分放大单元、二级末端稳幅式功分/放大单元A、二级末端稳幅式功分/放大单元B中，都在每级功分电路后通路上放置微波放大器或双放大器组，这种设计方法补偿了功分电路引起的功率损耗，可为矢量网络分析仪接收机提供极高的本振信号功率上限；构架设计使通道总体电路设计具有良好的均衡和对称性，利于提高通道一致性；

在二级末端稳幅式功分/放大单元A、二级末端稳幅式功分/放大单元B中都在输入端放置功率调制器(宽带、大衰减量)，可实现本振输出功率大的可调节范围；

4、本发明支路放置放大器能为矢量网络分析仪的四路接收机提供宽频带1GHz～40GHz、输出功率大的本振信号，放大电路的使用进一步减小了接收机通过本振通道的信号串扰，增加了接收机通道间的隔离性能；

5、本发明提出的基于耦合放大电路的本振级联扩展级方法，可便于实现多组矢量网络分析仪的接收机级联能力，并且由于级联后使用同一本振信号来源，使级联后的接收机组具备相位相干特性；另一方面，本振级联扩展单元接口采用定向耦合输出后再放大补偿的方式，可实现级联端口的信号功率和输入功率总体保持一致，这样极大提高多级矢量网络分析仪接收机级联扩展能力，并且和所级联的其它仪器保持高的隔离性，减小了相互影响。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种四通道独立稳幅式本振功分装置，其特征在于：包括本振级联扩展单元、一级功分放大单元、二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B；

本振级联扩展单元，包括第一耦合器和第三放大器，工作频率范围为1GHz～40GHz，一方面，将本振源产生的本振信号通过第一耦合器的主路输出至下一级的一级功分放大单元；另一方面，将第一耦合器的耦合端口耦合出的一路本振信号经第三放大器放大后经级联扩展输出端口输出至其它的矢量网络分析仪本振输入口作为级联本振输入信号；

第一耦合器，被配置为用于通过其耦合端口耦合出一路本振信号作为级联信号，并输出至第三放大器；

第三放大器，被配置为用于对第一耦合器耦合出的本振信号进行放大，补偿信号的耦合损耗，实现多组矢量网络分析仪的接收机本振级联或者外输出功能；

一级功分放大单元，包括一级功分电路和功分支路上的第一放大器和第二放大器；被配置为用于完成输入本振信号的第一次功分，将输入的本振信号通过一级功分电路功分为两路，并在每个功分支路上通过第一放大器和第二放大器对功分后的本振信号分别进行放大补偿后，并列输出至二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B；

二级末端稳幅式功分/放大单元A，其结构和功能与二级末端稳幅式功分/放大单元B一样，均包括二级功分电路、功率调制器、宽带双放大器组、输出端耦合检波电路和稳幅控制电路；被配置为用于完成本振信号的二次功分、放大和稳幅功能，并输出最终的本振信号，为矢量网络分析仪四通道接收机提供两路经过调理的最终本振信号输出；

二级功分电路，被配置为用于将一级功分放大单元输出的每路本振信号再次功分为两路；

功率调制器，被配置为用于对经过二级功分电路功分后的信号进行功率调制，根据控制电压进行功率衰减；

宽带双放大器组，被配置为用于对经过功率调制器功率调制后的信号进行增益放大；

输出端耦合检波电路，被配置为用于对输出信号电平进行取样和检测，并输出检波信号至稳幅控制电路；

稳幅控制电路，被配置为用于对检波信号和来自数据线的参考信号进行比较积分处理，形成误差驱动信号，驱动功率调制器改变衰减量，起到自动调整输入功率大小的作用，直至最终输出功率达到要求的设定功率值要求。

2.根据权利要求1所述的四通道独立稳幅式本振功分装置，其特征在于：一级功分电路和二级功分电路均为一分二功分电路。

3.一种四通道独立稳幅式本振功分方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种四通道独立稳幅式本振功分装置，包括如下步骤：

步骤1：本振源产生的本振信号输入至本振级联扩展单元；

步骤2：本振级联扩展单元，一方面，将本振源产生的本振信号通过第一耦合器的主路输出至下一级的一级功分放大单元；另一方面，将第一耦合器的耦合端口耦合出的一路本振信号经第三放大器放大后经级联扩展输出端口输出至其它的矢量网络分析仪本振输入口作为输入；

步骤3：一级功分放大单元将本振级联扩展单元输出的本振信号通过一级功分电路分为两路，并在每个功分支路上通过第一放大器和第二放大器对功分后的本振信号分别进行放大补偿后，并列输出至二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B；

步骤4：二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B，通过二级功分电路、功率调制器、宽带双放大器组、输出端耦合检波电路和稳幅控制电路，完成本振信号的二次功分、放大和稳幅功能，并输出最终的本振信号，二级末端稳幅式功分/放大单元A和二级末端稳幅式功分/放大单元B为矢量网络分析仪四通道接收机提供共四路经过调理的最终本振信号输出。