基于幅频衰减特性的宽带测频装置的制作方法

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及到一种基于幅频衰减特性的宽带测频装置。


背景技术：

2.在射频微波系统中，对频率的感知测量是其关键功能需求之一。在通信、雷达和电子战领域，几乎所有电子设备均需要对外部信号进行快速、准确的频率测量。测频电路极为常见，用于提取信号频率参数，便于判别信号类别、信号来源和信号用途等。
3.常见的测频方法主要有：超外差接收测频、调谐晶体视频接收测频、信道化接收测频，以及近现代数字电路发展后，采用比相法的瞬时测频(ifm)和快速傅里叶(fft)数字测频等。超外差接收测频是利用调谐频率源输出信号与被测信号频率一致时，产生直流或低频信号来判断被测信号频率。该方法需频率源不停搜索，实时性较差。调谐晶体视频接收和信道化接收测频均是采用谐振原理，当电路谐振频率与外部信号频率相同时产生共振，达到测量频率目的。该方法缺点也是实时性差且测频精度低。现代经典的瞬时测频技术(ifm)，是通过测量信号相位变化的方式推导出被测信号频率。傅里叶方法是采用高速采集量化的数字化方法，将被测信号在数字域用正交因子相乘的数字处理方法计算出信号频率。数字方法具有速度快、测量准的特点，但需要数字信号处理器件，电路复杂且成本高。因此，如何提供一种电路简单、成本低、微型化的测频电路，是一个亟需解决的技术问题。
4.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种基于幅频衰减特性的宽带测频装置，旨在解决目前测频方法实时性差、精度低、成本高的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种基于幅频衰减特性的宽带测频装置，所述装置包括信号放大器、功率分配器、均衡器、第一幅度检波器、第二幅度检波器和电压检测处理电路；其中：
7.所述信号放大器的输入端接收被测信号，所述信号放大器的输出端连接功率分配器的输入端；
8.所述功率分配器的第一输出端连接第一幅度检波器，构成第一检波支路，所述功率分配器的第二输出端通过均衡器连接第二幅度检波器，构成第二检波支路；
9.所述电压检测处理电路的第一输入端连接第一幅度检波器的输出端，所述电压检测处理电路的第二输入端连接第二幅度检波器的输出端，所述电压检测处理电路根据第一检波支路的第二检波支路分别输入的信号幅度电平值获得被测信号的频率值。
10.可选的，所述均衡器在被测频率范围内对输入信号进行负线性衰减。
11.可选的，所述功率分配器采用两路等功率分配的微博宽带功率分配器。
12.可选的，所述第一幅度检波器和第二幅度检波器分别通过二极管整流和电容滤波
后对第一检波支路和第二检波支路的信号进行输出。
13.可选的，所述电压检测处理电路包括ad采样量化模块和测频模块。
14.可选的，所述ad采样量化模块用于分别对第一检波支路和第二检波支路输出的信号进行模数转换，获得信号幅度电平值。
15.可选的，所述测频模块用于根据第一检波支路的第二检波支路分别输入的信号幅度电平值获得被测信号的频率值，所述获得被测信号频率值的表达式为：
16.f
x
＝f
l
(f
h-f
l
)(10log10(a/b)-α)/(β-α)；
17.其中，f
x
为被测信号频率，a为第一检波支路的信号幅度电频值，b为第二检波支路的信号幅度电频值，f
l
为均衡器设计的工作频率范围下限，fh为均衡器设计的工作频率范围上限，α和β分别为均衡器在频率f
l
和fh的衰减值。
18.本发明的提出具有如下有益效果：
19.本发明从原理上，首次提出在电路中采用负线性斜率的幅-频衰减特性的均衡器，通过幅-频映射关系进行频率计算测量的方法。该方法工作原理简单，电路架构极大简化，便于采用微型化、低成本、通用成熟器件设计实现，具有小型化、低成本、高可靠和通用性好等优势。
20.本发明具有高频、超宽带特点，由于均衡器可通过先进半导体工艺设计实现，可在超宽带范围内，实现高线性度的幅-频特性，使得测量频率可同时覆盖射频、微波和毫米波等多个频段。
21.本发明具有高精度大动态的特点，由于均衡器具有高线性度的幅-频特性，且通过幅度检波后形成低频幅度电压，对模数转换器ad的采样频率要求急剧降低，从而对量化精度和量化幅度范围大幅度提升。
附图说明
22.图1为本发明基于幅频衰减特性的宽带测频装置的组成示意图；
23.图2为本发明均衡器的频率-幅度特性曲线；
24.图3为本发明均衡器芯片设计模型示意图；
25.图4为本发明均衡器的幅度-频率特性曲线的仿真结果示意图；
26.图5为本发明基于幅频衰减特性的宽带测频装置的仿真模型示意图；
27.图6为本发明基于幅频衰减特性的宽带测频装置的仿真结果示意图。
28.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
29.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.在射频微波系统中，对频率的感知测量是其关键功能需求之一。在通信、雷达和电子战领域，几乎所有电子设备均需要对外部信号进行快速、准确的频率测量。测频电路极为常见，用于提取信号频率参数，便于判别信号类别、信号来源和信号用途等。
31.常见的测频方法主要有：超外差接收测频、调谐晶体视频接收测频、信道化接收测频，以及近现代数字电路发展后，采用比相法的瞬时测频(ifm)和快速傅里叶(fft)数字测频等。超外差接收测频是利用调谐频率源输出信号与被测信号频率一致时，产生直流或低
频信号来判断被测信号频率。该方法需频率源不停搜索，实时性较差。调谐晶体视频接收和信道化接收测频均是采用谐振原理，当电路谐振频率与外部信号频率相同时产生共振，达到测量频率目的。该方法缺点也是实时性差且测频精度低。现代经典的瞬时测频技术(ifm)，是通过测量信号相位变化的方式推导出被测信号频率。傅里叶方法是采用高速采集量化的数字化方法，将被测信号在数字域用正交因子相乘的数字处理方法计算出信号频率。数字方法具有速度快、测量准的特点，但需要数字信号处理器件，电路复杂且成本高。因此，如何提供一种电路简单、成本低、微型化的测频电路，是一个亟需解决的技术问题。
32.为了解决这一问题，提出本发明的基于幅频衰减特性的宽带测频装置的各个实施例。本发明提供的基于幅频衰减特性的宽带测频装置通过采用负线性斜率的幅-频衰减特性的均衡器，利用幅-频映射关系根据第一检波支路和第二检波支路的输出电频进行频率计算测量，电路架构极大简化，具有小型化、低成本、高可靠和通用性好等优势。
33.本发明实施例提供了一种基于幅频衰减特性的宽带测频装置，参照图1，图1为本发明基于幅频衰减特性的宽带测频装置的实施例的组成示意图。
34.本实施例中，所述基于幅频衰减特性的宽带测频装置包括信号放大器、功率分配器、均衡器、第一幅度检波器、第二幅度检波器和电压检测处理电路。
35.具体而言，信号放大器的输入端接收被测信号，所述信号放大器的输出端连接功率分配器的输入端；功率分配器的第一输出端连接第一幅度检波器，构成第一检波支路，所述功率分配器的第二输出端通过均衡器连接第二幅度检波器，构成第二检波支路；电压检测处理电路的第一输入端连接第一幅度检波器的输出端，所述电压检测处理电路的第二输入端连接第二幅度检波器的输出端，所述电压检测处理电路根据第一检波支路的第二检波支路分别输入的信号幅度电平值获得被测信号的频率值。
36.在本实施例中，利用射频微波信号在传输路径中，经过一种特殊器件或材料时，信号幅度随频率线性变化，形成频率-幅度的映射关系，将该信号幅度进行精确测量后，根据幅频映射关系，计算得出准确频率。具体发明电路主要特征如图1所示，包括：信号放大器1、功率分配器2、均衡器3、幅度检波器4(-1,-2)、电压检测电路5。
37.接收信号先经过信号放大器1进行功率放大后，再经过等幅度功率分配器2，功分成两路信号分别进入支路1和支路2。支路1为参考支路，支路2为与频率呈负线性斜率衰减支路。支路1的信号直接进入幅度检波器4-1，输出信号幅度电平，然后经电压检测处理电路5进行电压幅度采集量化和处理计算出信号的幅度值a。支路2的信号经过均衡器3，将信号幅度按照信号的频率进行衰减，再进入幅度检波器4-2输出该频点下衰减后的信号幅度电平，然后经电压检测处理电路5进行幅度采集量化和处理计算出信号的幅度值b。均衡器的负线性斜率的频率衰减特性可进行精确设计制造，如图2所示，为均衡器3的频率—幅度特性曲线。其中，f
l
和fh为均衡器设计的工作频率范围下限和上限，α和β分别为均衡器在频率f
l
和fh的衰减值。θ为被测信号频率f
x
经均衡器的衰减值。
38.需要说明的是，信号放大器1采用半导体芯片技术进行设计和加工制造，实现小型化、高频和宽带特性，其噪声系数和增益等指标根据系统设计要求确定。
39.需要说明的是，所述功率分配器2采用微波无源电路技术进行设计和加工制造，实现微型的两路等功率分配的微博宽带功率分配器。
40.在本实施例中，所述均衡器3是本发明的关键器件，主要实现在被测频率范围内所
需的负线性衰减量。随着半导体工艺技术的发展进步，采用芯片设计和加工制造技术，可以较容易的在20ghz以内实现呈负线性衰减的均衡器，且体积尺寸小、线性度高、性能稳定。其具体频率—衰减对应关系根据系统设计需求确定。
41.第一幅度检波器和第二幅度检波器分别通过二极管整流和电容滤波后对第一检波支路和第二检波支路的信号进行输出。
42.在本实施例中，第一幅度检波器即幅度检波器4-1，第二幅度检波器即幅度检波器4-2，采用成熟的宽带对数检波器实现，将高频信号通过二极管整流和电容滤波后，输出对应幅度的直流信号。
43.电压检测处理电路5包括ad采样量化模块和测频模块。电压检测处理电路5，是将检波后的幅度信号进行大动态采集和高精度量化，转换为便于计算处理的数字信号。由于射频微波信号经幅度检波电路转换为低频或直流电压后，对模数转换器的速度要求急剧降低，从而可大幅提升幅度测量的精度和动态范围。量化后的幅度信息，可单独或者组合使用：存储器(sdram)、单片机(mcu)或可编逻辑阵列(fpga)等器件，采用查表或计算处理的方式得出被测信号的频率值。
44.具体而言，ad采样量化模块用于分别对第一检波支路和第二检波支路输出的信号进行模数转换，获得信号幅度电平值。
45.具体而言，测频模块用于根据第一检波支路的第二检波支路分别输入的信号幅度电平值获得被测信号的频率值，被测信号频率fx可通过如下计算方式推导出：
46.由：(10log10(a/b)-α)/(f
x-f
l
)＝(β-α)/(f
h-f
l
)；
47.f
x
＝f
l
(f
h-f
l
)(10log10(a/b)-α)/(β-α)；
48.在射频微波电路中，为便于计算和测量，信号的功率或幅值通常以db值表示，因此，需要对被测电压值a、b取对数(db表示)。同样，α,β为均衡器在工作频率的低、高端对应的衰减值(db表示)。因此，f
x
为被测信号频率，a为第一检波支路的信号幅度电频值，b为第二检波支路的信号幅度电频值，f
l
为均衡器设计的工作频率范围下限，fh为均衡器设计的工作频率范围上限，α和β分别为均衡器在频率f
l
和fh的衰减值。
49.为了便于理解，本实施例提出基于幅频衰减特性的宽带测频装置的具体实例，具体如下：
50.在本实施案例中，设定该测频系统的主要指标要求为：
51.被测信号频率范围：2～6ghz；
52.带宽：bw＝4ghz；
53.被测信号功率范围：-60～-30dbm(1dbm＝10log(pin/1mw))；
54.测频系统的测频精度要求为：
△
f＝10mhz；
55.(1)首先确定均衡器3的参数指标。如图1所示，引入关键的均衡器3，均衡器为射频微波电路常用器件，其主要特性参数为幅度-衰减斜率。根据本实施案例指标要求，均衡器的工作频率为2～6ghz，考虑bw/
△
f＝400，为便于计算测量，转换为对数(db)值：10log(bw/
△
f)＝26db，如果设定系统检测灵敏度为0.1db，则均衡器的均衡量设计为36db(即：10*log(4000)＝36db)。如图2所示，均衡器在频率fl衰减值设计为α，在频率fh衰减值设计为β，且|α-β|≈36db，频率与衰减值呈一一对应的线性关系。图3为本实施例的均衡器芯片设计模型的示意图，图4为均衡器的幅度-频率特性曲线的仿真结果示意图。在2ghz的衰减为38db，
6ghz的衰减为2db，整个频率范围内的幅-频特性呈现近似的负线性斜率关系。由于均衡器内的元器件参数和加工制造过程会引入误差，最终曲线不是理想的线性状态，可通过系统测试和校准来纠正误差。
56.(2)然后确定放大器1和电压检波电路4(-1,-2)的参数指标。如图1所示，信号放大器1主要作用是放大被测信号功率，提升系统的噪声性能，其主要性能参数为：增益值(g)和噪声系数(nf)，根据被测信号功率范围及后续检波电路性能来确定。在本案例，该放大器的增益设定为39db，噪声系数≤3db，工作频率范围2～6ghz。由于后端的功率分配器2是等幅度功分，因此，放大器的增益平坦度对系统工作没有影响，大大降低了该放大器的设计要求，可选用成熟的小型化低噪声放大器实现。
57.(3)幅度检波器4(-1,-2)，主要对两个支路的信号进行整流和滤波，将射频信号转换为低频或者直流电压，利于后续电路进行数字量化和处理。其主要性能参数为检波灵敏度和工作频率范围。本实施例中，其检波灵敏度设定为-60dbm，功率范围-60dbm～10dbm，工作频率范围2～6ghz，可采用成熟的小型化射频检波器实现。
58.(4)为检验各器件是否满足系统应用要求，考虑最恶劣的两种情况，1)当接收信号参数为：功率-60dbm，频率2ghz，经放大功分后，信号功率为-24dbm，支路2的信号经均衡器3后，功率衰减为-60dbm，支路1的信号功率为-24dbm。2)当接收信号参数为：功率-30dbm，频率6ghz，经放大功分后，信号功率为6dbm，支路2的信号经均衡器3后，功率为6dbm，支路1的信号功率为6dbm。两种情况的功率均在检波器的检测功率范围内，满足系统应用要求。
59.(5)如图1所示，电压检测处理电路5，主要实现对检波器后的低频或直流电压进行采集量化和计算处理，得出频率结果。其主要性能参数为量化(bit)位数(即量化精度)和输入信号功率范围，以及运算速度、精度等。为提高测量精度，本案例中，模数转换可采用量化位数≥14bit，采样速率≥100msps的器件即可。14bit的动态范围≥86db，满足本案例信号功率范围和测频精度。bit位越高测量精度越高。计算处理单元，可单独或者组合使用：存储器(sdram)、单片机(mcu)或可编逻辑阵列(fpga)等器件，采用查表或运用公式f
x
＝f
l
(f
h-f
l
)(10log10(a/b)-α)/(β-α)，计算处理得出被测信号的频率值。
60.(6)按照实施例的组成和设计参数，采用系统仿真软件进行模拟仿真，其仿真模型如图5所示，仿真测试结果如图6所示。可以看出，在2-6ghz频带内仿真测试结果曲线与均衡器3设计的幅-频衰减曲线一致，因此可以根据测试结果得出准确的频率信息。
61.(7)在实际应用电路中，除均衡器外，其余器件的非理想特性，如：功分器的不均等功分，两个检波器之间的差异等，都会引入误差影响测频精度。但可通过系统预先校准来消除各项误差，从而达到要求测试精度。
62.在本实施例中，提供了一种基于幅频衰减特性的宽带测频装置，该装置包括信号放大器、功率分配器、均衡器、第一幅度检波器、第二幅度检波器和电压检测处理电路；信号放大器将放大后的被测信号发送至功率分配器；功率分配器的第一输出端连接第一幅度检波器，构成第一检波支路，功率分配器的第二输出端通过均衡器连接第二幅度检波器，构成第二检波支路；电压检测处理电路的根据第一检波支路的第二检波支路分别输入的信号幅度电平值获得被测信号的频率值。本发明通过采用负线性斜率的幅-频衰减特性的均衡器，利用幅-频映射关系根据第一检波支路和第二检波支路的输出电频进行频率计算测量，电路架构极大简化，具有小型化、低成本、高可靠和通用性好等优势。
63.另外需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
64.通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用cpu、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本发明而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘、u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。