专利名称：1GHz～50GHz同轴衰减校准装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及毫米波衰减测量装置，特别是涉及1GHz 50GHz同轴衰减测量装置。
背景技术：
微波无线电衰减参数在无线电测量领域中是一个非常重要和普及的参数，国内外 都非常重视衰减参数标准的建立。例如国家计量院建立的衰减计量国家标准装置，频率范 围30MHz 18GHz。目前国防衰减最高计量标准分别建立在1MHz 18GHz和26. 5GHz 40GHz两个频段上，其中26. 5GHz 40GHz衰减最高标准是8mm波导系统。而对于同轴系 统的18GHz 50GHz衰减标准，国际上尚无此标准，国内的标准覆盖频段也不完全，并且相 应的变频系统和测试匹配方面也没有开展相关研究。随着科学技术的不断发展，大量同轴 系统和更宽更高频段衰减器得到广泛应用，S参数、信号源等标准的更新也对衰减标准提 出了新的要求，现有的两套标准已远远不能满足校准和量值传递的要求，所以迫切需要建 立一套能够满足毫米波同轴衰减参数量值传递的标准装置。目前，国内外已有不少公司 推出了频段覆盖到50GHz的宽频带信号发生器，以及上限频率到50GHz的测量接收机，例 如Agilent公司的E8257D、N5531S, R/S公司的SMR50、FSMR-50等。这些宽频带仪器都是 同轴系统，他们的衰减参数需要更高标准的衰减器为其定标。另外，一些其它仪器，诸如网 络分析仪的S21参数在建立50GHz标准时，其溯源问题也无法解决。如果建立了一套同轴 (2. 4mm/2. 92mm) 18GHz 50GHz衰减装置，加上之前已有的1MHz 18GHz衰减标准，上述困 难都可以得到解决。所以急需建立该频段同轴衰减标准，以满足目前衰减参数量传的迫切 需求。上世纪六七十年代，国内研制了 T07衰减校准装置，在国内得到了普遍应用。到 八十年代末期，HP公司生产的8902S测量接收机普遍代替了 T07。目前衰减测量仪器主要 有R&S公司生产的FSMR测量接收机、Agilent公司生产的N5531S测量接收机和WE公司生 产的VM-7衰减测量装置。目前8902S和VM-7已经停产，而FSMR和N5531S属于综合测量 仪器，除了测量衰减以外，还可以测量功率电平、频谱纯度等，但是价格昂贵，因此急需一种 衰减校准装置以满足国内市场的需求。
发明内容本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足提供一种1GHz 50GHz同轴 衰减测量装置，使同轴衰减标准装置的测量频率达到了 50GHz，满足了国内对该频段衰减参 数的量值传递需求。本实用新型的技术方案为1GHz 50GHz同轴衰减测量装置，包括射频信号源、本振信号源、混频器、半自动 感应分压器、窄带测量接收机，所述的射频信号源、本振信号源通过所述的混频器与所述的 窄带测量接收机相连，所述的半自动感应分压器与所述的窄带测量接收机相连。[0007]所述的窄带测量接收机包括依次相连的隔离变压器、预放和滤波�？榧耙来蜗� 连的中放和滤波模块、直流检波模块、A/D及显示驱动�？椋龅脑し藕吐瞬？榱铀� 述的半自动感应分压器的一端，所述的中放和滤波�？榱铀龅陌胱远杏Ψ盅蛊鞯牧硪欢恕Ｋ龅纳淦敌藕旁淳徊馑ゼ跗鳌⒏衾胨ゼ跗髦粱炱灯鞯囊皇淙攵耍龅谋菊� 信号源连接于混频器的另一输入端，混频器的一输出端经隔离变压器连接于所述的预放和 滤波模块。所述的预放和滤波�？�、中放和滤波�？�、直流检波�？楹虯/D及显示驱动�？� 中包括有电源滤波�？�。所述的半自动感应分压器包括感应分压器和分压比控制装置，所述的分压比控制 装置包括拨码档位开关，至少一个数据采集卡和至少一块I/O接口卡；所述的拨码档位开 关与感应分压器相连，所述的数据采集卡和I/O接口卡依次串联连接在拨码档位开关上。所述的I/O接口卡与计算机的内插式PCI总线兼容。所述的半自动感应分压器的档位开关上设有连轴器，该连轴器的一端与所述感应 分压器的档位开关相连，另一端通过数据线与所述的拨码档位开关相连。本实用新型的优点为本实用新型同轴衰减标准装置的测量频率达到了 50GHz，同时具有小信号接收能 力，具有良好的稳定性和重复性，满足了国内对该频段衰减参数的量值传递需求。
图1为本实用新型结构原理图；图2为半自动感应分压器的结构示意方框图。
具体实施方式
本实用新型采用了串联低中频替代法的技术方案。射频信号源和本振信号源采用 了合成信号源(要求共时基)，该类仪器具有很高的频率稳定度和准确度以及高达1Hz的 频率分辨力，这就保证了混频后的1kHz中频信号频率稳定度和准确度。采用了具有较好驻 波比特性的隔离衰减器，减小了系统测量过程中的失配问题。采用了基波混频方式，使系统 具有较大的动态范围和较好的信噪比。它通过频率变换方式将射频及微波信号线性地变换 为1kHz中频信号，在系统中作为主标准器的感应分压器与被测衰减器采用串联方式连接， 通过系统的两次平衡(调零)完成了替代的过程。该装置的主要优点是避免了使用很难实 现的高指标宽带射频及微波标准衰减器。采用高灵敏度低噪声运算放大器为主研制的1kHz 窄带测量接收机，具有很高灵敏度(_135dBm)和较大的动态范围(120dB)。利用工作频率为 1kHz的精密半自动感应分压器作为基准，利用准确的分压比的改变量替代被检的射频及微 波衰减器的衰减量从而达到准确有效地测量衰减量的目的。由于采用了这些新的技术和设 备使得该衰减校准装置与其它原理构成的衰减校准装置相比能达到较高的测量准确度。该衰减校准装置的工作频率范围为1GHz 50GHz，采用了基波混频的工作方式， 信号源和本振源均采用合成扫描信号源，两个信号源采用共时基的方式连接。按被测件的 要求设置信号源的工作频率(CW)经内稳幅后输出至被测衰减器，然后到达混频器。射频和本振差频后的1kHz中频信号经过混频器的中频输出端送到1kHz中频接收机的预放模块， 混频器在频率变换过程中将线性地保持射频信号的幅度特性不变。利用作为中频标准衰减 器的感应分压器的分压比的改变量替代被测衰减器的衰减量。由于被测衰减器和感应分压 器是串连连接在系统中，所以该系统的工作方式被称为串联替代法。该测量系统对被测衰 减器进行测量的过程是首先根据被测衰减器的要求将射频和本振源的频率设置到所需的 频率点上，将本振源的输出电平设置为+10dBm，射频信号源的电平设置为-lOdBm。把被测 衰减器(一般为可变衰减器)置于初始衰减量& (零刻度)位置，感应分压器分压比置于 队位置，调节接收机增益和射频源的信号电平(根据被校衰减器的衰减量)使得1kHz接收 机获得平衡指示(平衡电平指示为零)；然后将被测衰减器置于待测衰减量~位置，此时在 串联系统中由于衰减量的变化，使得系统失去平衡。再次调节感应分压器分压比使系统再 次平衡，并读取此时分压比队。则被测衰减器的衰减增量Ax为 对于步进或可变衰减器，改变衰减刻度后重复上述测量过程就可得到各不同衰减 档位的衰减量测量值。以上的感应分压器为半自动的，所以对感应分压器的数据读取和数 据处理均采用软硬件结合的方式进行，无需再进行人工读数和计算。如图1所示，本实用新型包括射频信号源1、本振信号源2、窄带测量接收机3、半 自动感应分压器4，所述的射频信号源1、本振信号源2分别与所述的窄带测量接收机3相 连，所述的半自动感应分压器4与所述的窄带测量接收机3相连。所述的窄带接收机3包 括依次相连的预放和滤波�？�5、中放和滤波�？�6、直流检波模块7、A/D及显示驱动模块 8。所述的射频信号源1经被测衰减器9、隔离衰减器10至混频器11的一输入端，所述的本 振信号源2连接于混频器11的另一输入端，混频器11的一输出端经隔离变压器12连接于 所述的预放和滤波�？�5。其中窄带测量接收机是本衰减校准装置的核心部件，有足够宽的动态范围和低噪 声，以及较高的灵敏度和抗干扰能力，主要由五部分组成包括预放和滤波�？�、中放和滤波 �？�、直流检波�？�、电源滤波�？楹虯/D及显示驱动�？椤Ｋ龅脑し藕吐瞬？椤⒅蟹� 和滤波�？椤⒅绷骷觳？楹虯/D及显示驱动�？橹卸及ㄓ械缭绰瞬？椤Ｒ韵露哉� 测量接收机的各个�？榉直鸾樯�(1)预放和滤波�？榻邮栈谙低持械淖饔檬墙炱岛蟮闹衅敌藕沤械驮肷は确糯蠛吐� 波，在测量最大动态80dB衰减量时，预放/滤波�？槭淙攵说淖钚⌒藕诺缙浇� 到-97dBm(3. v)。这个信号电平很弱，对接收机的第一级预放/滤波器提出较高的技术 指标要求，要有较高灵敏度和极低的噪声系数。预先放大器和窄带滤波器一起构成了整个窄带接收机的第一级。由于系统提出了 很高的技术指标，所以对接收机的第一级也有很高的指标要求。对于N级放大器的级联，整 个噪声系数可以由以下公式确定 式中第i级放大器的噪声系数；[0028]GAi-第i级放大器的增益。由上述公式可以看出整个系统的噪声系数主要由第一级放大器确定，所以该�？� 所选用的第一级放大器的噪声系数是最关键的。我们选用了 ANALOGDEVICES公司的AD743 超低噪声双极场效应管运放，其噪声系数可达到2. 9nV/ V Hz在10kHz，并具有良好的交流 特性如4. 5MHz的增益带宽积和0. 0003%的总谐波失真(在1kHz频率)，在1kHz左右时， 共模抑制比大约有95dB，电源抑制比有75dB。。低噪声放大器对混频后的低中频信号进行 放大，改善信噪比，以提高测量动态范围和测量准确度。(2)中放和滤波�？樵诓饬抗讨兴孀疟徊馑ゼ跗魉ゼ趿康脑黾樱杏Ψ盅蛊鞯姆盅贡仍谕郊跣。� 使得中放输入端(_86.5dBm)及后面各级电路的信号电平近似保持恒定。中放输出端的信 号电平为13.5dBm(1.06V)，因此，中放的增益应为100dB(放大倍数为10万倍)。中放为 三级，在中放第三级输出端接有三级滤波器，其滤波带宽可达到30Hz，可以有效滤除电源 50Hz的噪声干扰，用于改善信号的质量。(3)直流检波�？榧觳ú糠质褂昧� AD公司的AD637芯片，该芯片是一个高精密交流有效值到直流 的转换器。在0V 2V有效值输入范围内，它输出电平最大的非线性为0. 02 %，是一个高 准确度的、交流有效值到直流变换的单片集成电路。在该部分电路的设计中，降低纹波的 影响是该电路�？榈纳杓乒丶�。降低纹波的有效方式是采用滤波网络，电路采用的是一个 Sallen-Key双级滤波网络滤波器。经过调试，直流检波输出的信号最高可稳定到10 y V量 级，进一步提高了测量的准确度。(4)电源滤波�？槲朔奖愫屯骋唬诮邮栈形颐峭骋皇褂昧苏�15V直流电源。由于接收机很 高的灵敏度指标，对电源的温度特性、纹波特性及干扰的抑制都有很高指标要求。因此，我 们在电源系统中采用了二次稳压方式。前级采用了正负20V双路线性支流稳压电源，将其 分别引入到各级电路板上。每级电路板上利用摩托罗拉公司的MC1723芯片分别设计了独 立的二次稳压源。采用该设计方式可以明显地改善各级电路通过电源回路产生的干扰。(5) A/D及显示驱动�？锳/D及显示驱动电路采用24位A/D转换器，由工控机显示最终的结果。本电路模 块用AD7710对直流检波�？榈氖涑鲂藕沤惺莶杉珹D7710是一种E _ A型24Bit模 数转换器。采用AD7710等芯片设计后的A/D及显示驱动�？椋哂芯雀�、使用方便的特
点o最后将预放和滤波�？�、中放和滤波�？�、直流检波�？�、电源滤波模块、A/D及显 示驱动�？楹凸た鼗樽肮钩芍衅嫡饬拷邮栈⒍越邮栈恼逍阅芙胁馐裕� 信号源及混频器组成系统，进行对接联调，达到了完好的工作状态。如图2所示一种半自动感应分压器，半自动感应分压器包括感应分压器1和分压 比控制装置2，分压比控制装置2包括拨码档位开关3，一个数据采集卡4和一块与计算机 内插式PCI总线兼容的I/O接口卡5 ；拨码档位开关3通过数据线与感应分压器1相连，数 据采集卡4和I/O接口卡5通过数据线依次串联连接在拨码档位开关3上；在感应分压器 1的8组档位开关上分别设有连轴器6，该连轴器6的一端与所述感应分压器1的档位开关相连，另一端通过数据线与所述的拨码档位开关3相连。感应分压器1是作为衰减校准装置中的标准衰减器，又称比率变压器，它是工作 于音频的准确度很高的步进衰减器。一台8位感应分压器1是包括8组准确抽头的自耦变 压器，采用优质开关相互连接，这种连接方法使输出电压对输入电压的分压比按1X10_8的 步进量从0变到1。本实用新型半自动感应分压器与以往不同的是，对原有感应分压器的 读数采用了数据自动采集，采用在感应分压器1的8组档位开关(每组档位开关有11个档 位)上各连接一个连轴器6，每个连轴器6上均通过数据线连接一拨码档位开关3，每一个 拨码档位开关3又分为11个档位(即有11种状态显示)，感应分压器1的8组档位开关分 别对应一拨码档位开关3，然后通过数据线把所有拨码档位开关3的各个档位与数据采集 卡4连接，并将感应分压器1的8组档位开关的位置数据锁存在数据采集卡内4，实现对数 据的储存，该数据采集卡4连接有一块与计算机内插式PCI总线兼容的数据I/O接口卡5， 通过该I/O接口卡5将数据采集卡4内的信息及数据传送到终端计算机中，实现了对数据 的读取，同时对读取的数据进行处理，得出感应分压器1在不同档位上的具体位置，并对采 集的读数进行计算，得到被测衰减量并在计算机屏幕上显示，屏幕上的衰减读数既能实时 显示测量平衡时的衰减量的动态变化，又能在测量过程中帮助人员对感应分压器1的档位 变化后的衰减量快速做出判断，使得测试过程更加方便快捷。在数据采集卡对数据进行储存的过程中是读取每一个拨码档位开关3的状态，由 于每一个拨码档位开关3共有11个档位，所以每一个拨码档位开关3分为11种状态。通 过读取数据后对数据进行编码，每个编码对应于一个拨码档位开关3上的档位位置，由一 位十进制代码显示，然后对这个8组拨码档位开关3的代码按不同的分压比进行合成，构成 一个9位的十进制数，每个拨码档位开关3上的档位位于10档时向前进一位。最大的数为 100000000，分压比为1 ；最小为000000000，分压比为-①。例如读数为000010000，则分 压比为10_4，相对于最大数衰减了 80dB。系统配套的计算机对感应分压器1的测量数据进行采集、处理，并利用相关模型 软件对误差进行修正，使系统测量不确定度指标达到规定要求。
权利要求1GHz～50GHz同轴衰减测量装置，其特征在于，包括射频信号源、本振信号源、混频器、半自动感应分压器、窄带测量接收机，所述的射频信号源、本振信号源通过所述的混频器与所述的窄带测量接收机相连，所述的半自动感应分压器与所述的窄带测量接收机相连。
2.如权利要求1所述的1GHz 50GHz同轴衰减测量装置，其特征在于，所述的窄带测 量接收机包括依次相连的隔离变压器、预放和滤波�？榧耙来蜗嗔闹蟹藕吐瞬？�、直 流检波�？�、A/D及显示驱动�？椋龅脑し藕吐瞬？榱铀龅陌胱远杏Ψ盅蛊鞯� 一端，所述的中放和滤波�？榱铀龅陌胱远杏Ψ盅蛊鞯牧硪欢�。
3.如权利要求1、2所述的1GH 50GHz同轴衰减测量装置，其特征在于所述的射频信 号源经被测衰减器、隔离衰减器至混频器的一输入端，所述的本振信号源连接于混频器的 另一输入端，混频器的一输出端经隔离变压器连接于所述的预放和滤波�？�。
4.如权利要求2所述的1GHz 50GHz同轴衰减测量装置，其特征在于，所述的预放和 滤波�？椤⒅蟹藕吐瞬？椤⒅绷骷觳？楹虯/D及显示驱动�？橹邪ㄓ械缭绰瞬？�。
5.如权利要求1所述的1GHz 50GHz同轴衰减测量装置，其特征在于，所述的半自 动感应分压器包括感应分压器和分压比控制装置，所述的分压比控制装置包括拨码档位开 关，至少一个数据采集卡和至少一块I/O接口卡；所述的拨码档位开关与感应分压器相连， 所述的数据采集卡和I/O接口卡依次串联连接在拨码档位开关上。
6.根据权利要求5所述的1GHz 50GHz同轴衰减测量装置，其特征在于所述的I/O 接口卡与计算机的内插式PCI总线兼容。
7.根据权利要求5或6所述的1GHz 50GHz同轴衰减测量装置，其特征在于所述的 半自动感应分压器的档位开关上设有连轴器，该连轴器的一端与所述感应分压器的档位开 关相连，另一端通过数据线与所述的拨码档位开关相连。
专利摘要本实用新型涉及一种1GHz～50GHz同轴衰减测量装置，包括射频信号源、本振信号源、混频器、半自动感应分压器、窄带测量接收机，所述的射频信号源、本振信号源通过所述的混频器与所述的窄带测量接收机相连，所述的半自动感应分压器与所述的窄带测量接收机相连。本实用新型同轴衰减标准装置的测量频率达到了50GHz，同时具有小信号接收能力，具有良好的稳定性和重复性，满足了国内对该频段衰减参数的量值传递需求。
文档编号G01R35/00GK201600445SQ20102010700
公开日2010年10月6日 申请日期2010年2月3日 优先权日2010年2月3日
发明者宗惠庆, 张国华, 张娜, 徐宝利, 成俊杰, 李放, 杨春涛, 闫旭红, 马红梅, 高春彦 申请人:北京无线电计量测试研究所
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