專利名稱：用于毫米波全息成像系統(tǒng)前端的跳頻頻率合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于毫米波全息成像系統(tǒng)前端的跳頻頻率合成器，更確切地說涉及一種具有快速跳頻功能的鎖相環(huán)頻率合成器，可用作毫米波全息成像系統(tǒng)的本振信號源。
背景技術(shù)：
毫米波全息成像系統(tǒng)基于毫米波反射原理，利用反射毫米波對人體進行掃描檢測，能夠在不直接接觸人體的情況下有效檢測出藏匿于人體衣物下的違禁品和危險品，并以圖像的方式顯示檢測結(jié)果，能滿足機場、車站、重要集會活動等場所的人體安檢需求。與被動式毫米波成像系統(tǒng)相比，毫米波全息成像系統(tǒng)是主動式的，它需要毫米波本振源的發(fā)生裝置。當毫米波本振源能在一個寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)快速跳頻功能時，主動式毫米波系統(tǒng)能夠?qū)Ρ粰z對象成三維圖像，所以毫米波全息成像需要一個具有快速跳頻功能的頻率合成器作為本振源。目前主要的跳頻頻率合成器有三類直接頻率合成(DS)，直接數(shù)字頻率合成 (DDS)和鎖相環(huán)頻率合成(PLL)。直接頻率合成技術(shù)是利用一個或者多個晶振為基準信號源，經(jīng)過倍頻、分頻、混頻等途徑直接產(chǎn)生多個離散頻率的輸出信號。這種方法得到的信號穩(wěn)定度高，頻率切換速度快，但調(diào)試難度大，雜散抑制差。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)從相位的角度出發(fā)進行頻率合成，采用數(shù)字采樣存儲技術(shù)，具有相位精確，頻率切換時間短等缺點， 但是輸出頻率不高。鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)是利用鎖相環(huán)這個相位誤差控制系統(tǒng)，它通過比較輸入信號和壓控振蕩器經(jīng)分頻后的信號之間的相位差，用產(chǎn)生的誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的頻率，達到與輸入信號倍頻的關(guān)系。這種單回路的方法可以達到很高的輸出頻率，具有很好的相噪和雜散特性，缺點是頻率轉(zhuǎn)換時間較長(參見金國瓊，L波段低相噪、快鎖定頻率合成器研制，電子對抗，2009，2( :32-37 ；武永軍，沈保鎖，跳頻頻率合成器頻率轉(zhuǎn)換速度和頻譜純度的研究，天津工業(yè)大學學報，2002，21 (1) :20-23)。所以，直接應(yīng)用現(xiàn)有的跳頻頻率合成器是滿足不了毫米波全息成像系統(tǒng)的要求，這就需要改進的頻率合成器， 從而因到處本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于毫米波全息成像系統(tǒng)前端的跳頻頻率合成器，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供的一種具有快速跳頻功能的鎖相環(huán)頻率合成器，與普通單回路鎖相環(huán)頻率合成器相比至少可以縮短一半的鎖定時間。該跳頻頻率合成器可用作毫米波全息成像系統(tǒng)的本振信號源，同時還具有低相噪、低雜散、低成本的特點。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案有所述跳頻頻率合成器它是由多路鎖相環(huán)回路，單刀多擲開關(guān)、倍頻器及單片機構(gòu)成。所述多路鎖相環(huán)回路輸出的信號經(jīng)所述單刀多擲開關(guān)選擇后經(jīng)所述倍頻器倍頻到毫米波段輸出，鎖相環(huán)回路的選擇及開關(guān)的打開或關(guān)閉是由所述的單片機控制。
所述的多路鎖相環(huán)回路包括N個單路鎖相環(huán)回路，路數(shù)N越多則整個跳頻源的頻率轉(zhuǎn)換時間越短，N路鎖相環(huán)回路的跳頻時間縮短為單路鎖相環(huán)回路跳頻時間的N分之一， N彡2。最常取N為2、4或者8。所述的單路鎖相環(huán)回路由晶體振蕩器、鑒頻鑒相器、濾波器、壓控振蕩器和功分器組成。所述單路鎖相環(huán)回路包括晶體振蕩器、鑒頻鑒相器、濾波器、壓控振蕩器和功分器， 其中，鑒頻鑒相器輸入與晶體振蕩器和從壓控振蕩器提供的反饋信號相連，輸出與濾波器相連，所述功分器使壓控振蕩器的輸出分為兩路，一路輸出到單刀多擲開關(guān)，另一路反饋到鑒頻鑒相器。其中，所述晶體振蕩器輸出參考信號，考慮頻率穩(wěn)定度一般采用溫補晶體振蕩器或者恒溫晶體振蕩器，輸出電平是TTL、CM0S或者削頂正弦波。所述鑒頻鑒相器在回路中起到一個誤差放大器的作用，它可以檢測晶體振蕩器和從壓控振蕩器提供的反饋信號之間的頻率及相位差，輸出誤差信號給濾波器。所述濾波器為低通濾波器，為無源濾波器或者有源濾波器，階數(shù)為一階到四階中的任一種。低通濾波器抑制了所述鑒頻鑒相器輸出信號中的高頻部分，只允許直流分量來控制所述壓控振蕩器的頻率。所述壓控振蕩器的輸出頻率受濾波器輸出電壓控制，為了實現(xiàn)寬頻帶的快速跳頻，壓控振蕩器具有寬帶的輸出頻率范圍及較大的增益。所述功分器讓壓控振蕩器的輸出分為兩路，一路輸出到所述單刀多擲開關(guān)，另一路反饋到所述鑒頻鑒相器。所述功分器可以采用集總參數(shù)功分器或者分布參數(shù)功分器。所述的單刀多擲開關(guān)為毫米波單刀M擲開關(guān)，采用PIN 二極管管芯的單片毫米波集成電路，M的數(shù)量與鎖相環(huán)路的路數(shù)N相同。開關(guān)的打開或關(guān)閉控制著是哪一路鎖相環(huán)的信號輸出。所述的單片機用來控制每一路鎖相環(huán)回路和單刀多擲開關(guān)。所述單片機輸出信號的時序決定了每一路鎖相環(huán)回路何時頻率輸出，何時跳頻，何時等待，以及開關(guān)何時把哪一路打開，把哪一路關(guān)閉。所述的倍頻器把鎖相環(huán)回路輸出的低頻信號倍頻到毫米波波段。該倍頻器可以是單極的倍頻也可以是多級倍頻器串聯(lián)而成。由于采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下顯著優(yōu)點本發(fā)明采用了鎖相環(huán)回路，具有低相位噪聲，低雜散的特點。本發(fā)明采用外部單片機來控制多個鎖相環(huán)路和開關(guān)，可以實現(xiàn)快速的跳頻功能，且結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。本發(fā)明采用倍頻方式來實現(xiàn)毫米波段跳頻信號的輸出，具有成本低的特點。所提供的跳頻頻率合成器具有跳頻快，低成本，易于調(diào)試的優(yōu)點，以滿足毫米波全息成像系統(tǒng)的要求。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明的有源低通濾波器電路圖；圖3是本發(fā)明的電阻式功分器電路圖；圖4是本發(fā)明的單片機輸出信號時序圖。
具體實施例方式本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下雙回路跳頻頻率合成器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本實施例包括單片機1，單路鎖相環(huán)回路2，另一個單路鎖相環(huán)回路3，單刀雙擲開關(guān)14，二倍頻器A15，二倍頻器B16及二倍頻器C17。單片機1控制鎖相環(huán)回路2和鎖相環(huán)回路3的跳頻以及單刀雙擲開關(guān)14的打開或關(guān)閉，單刀雙擲開關(guān)14輸出的信號經(jīng)二倍頻器A15、二倍頻器B16及二倍頻器C17三級倍頻后輸出。所述的單路鎖相環(huán)回路2由溫補晶振4，鑒頻鑒相器6，有源低通濾波器8，寬帶壓控振蕩器10及電阻式功分器12組成。所述的另一個鎖相環(huán)回路3由溫補晶振5，鑒頻鑒相器7，有源低通濾波器9，寬帶壓控振蕩器11及電阻式功分器13組成。所述的溫補晶振4、5輸出頻率為20MHz，頻率穩(wěn)定度小于lppm，輸出為CMOS電平。所述的鑒頻鑒相器6、7為單片微波集成電路，能檢測溫補晶振4、5和從寬帶壓控振蕩器10、11提供的反饋信號之間的頻率及相位差，輸出誤差信號給有源低通濾波器8、9。所述的有源低通濾波器8、9的電路原理圖如圖2所示，其具體參數(shù)為Rl = 100 Ω， R2 = 1. 25kQ , R3 = IkQ , Cl = 159pF, C2 = 389pF, C3 = 52pF, Vr = 2. 5V。這種濾波器還具有放大功能，以滿足后面寬帶壓控振蕩器10、11對調(diào)諧電壓的要求。所述的寬帶壓控振蕩器10、11采用單片微波集成電路，輸出頻率范圍為 2. 5GHz-5GHz，調(diào)諧電壓范圍為1V-9V。所述的電阻式功分器12、13為集總參數(shù)功分器，由三個16. 9歐姆的電阻組成，結(jié)構(gòu)簡單，如圖3所示，其損耗為6dB。所述的單刀雙擲開關(guān)采14用PIN二極管管芯的單片毫米波集成電路芯片，開關(guān)的打開或關(guān)閉決定了鎖相環(huán)回路2和鎖相環(huán)回路3哪路信號的輸出。所述的單片機1用來控制鎖相環(huán)回路2、3和單刀雙擲開關(guān)14。單片機1輸出控制信號的時序圖如圖4所示，它決定了每一路鎖相環(huán)回路何時頻率輸出，何時跳頻，何時等待，以及開關(guān)何時把哪一路打開，把哪一路關(guān)閉。工作時，首先單片機1讓鎖相環(huán)回路2工作于頻率Π，而鎖相環(huán)回路3開始跳頻，同時控制單刀雙擲開關(guān)14對鎖相環(huán)回路2打開輸出信號Π，而對鎖相環(huán)回路3關(guān)閉。當鎖相環(huán)回路3完成跳頻到f2后單片機1馬上讓鎖相環(huán)回路2開始跳頻，鎖相環(huán)回路2開始輸出信號，同時控制單刀雙擲開關(guān)14對鎖相環(huán)回路 3打開輸出信號f2，而對鎖相環(huán)回路2關(guān)閉，如此周而復(fù)始實現(xiàn)頻率的快速切換。所述的二倍頻器A15采用GaAs PHEMT為核心單片毫米波集成電路芯片，輸出頻率 6GHz-9GHz的寬帶信號。所述的二倍頻器B16采用GaAs PHEMT為核心單片毫米波集成電路芯片，輸出頻率 12GHz-18GHz的寬帶信號。所述的二倍頻器C17采用GaAs PHEMT為核心單片毫米波集成電路芯片，輸出頻率 24GHz-36GHz的毫米波寬帶信號，滿足毫米波全息成像系統(tǒng)前端的要求。本實施例采用雙鎖相環(huán)回路，其跳頻時間是單鎖相環(huán)回路的一半。輸出信號 MGHz-36GHz可以滿足毫米波全息成像系統(tǒng)前端的要求。本實施例僅僅作為例子，本發(fā)明并不僅僅限于以上實施例，當需要更快的跳頻時間時，可采用更多的鎖相環(huán)回路，同時采用對應(yīng)的單刀多擲開關(guān)。倍頻器的級數(shù)和倍數(shù)可根據(jù)輸出信號的頻段要求進行調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種用于毫米波全息成像系統(tǒng)前端的跳頻頻率合成器，其特征在于包括多路鎖相環(huán)回路，單刀多擲開關(guān)、倍頻器及單片機；所述的多路鎖相環(huán)回路輸出的信號經(jīng)單刀多擲開關(guān)選擇后經(jīng)倍頻器倍頻到毫米波段輸出，鎖相環(huán)回路的選擇及單刀多擲開關(guān)的打開或關(guān)閉由單片機控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跳頻頻率合成器，其特征在于所述的多路鎖相環(huán)路包括N個單路鎖相環(huán)回路，N路數(shù)越多則整個跳頻源的頻率轉(zhuǎn)換時間越短，N路鎖相環(huán)回路的跳頻時間縮短為單路環(huán)回路跳頻時間的N分之一，N > 2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的跳頻頻率合成器，其特征在于所述多路鎖相環(huán)回路為2 個、4個或者8個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的跳頻頻率合成器，其特征在于所述單路鎖相環(huán)回路包括 晶體振蕩器、鑒頻鑒相器、濾波器、壓控振蕩器和功分器，其中，鑒頻鑒相器輸入與晶體振蕩器和從壓控振蕩器提供的反饋信號相連，輸出與濾波器相連，所述功分器使所述壓控振蕩器的輸出分為兩路，一路輸出到單刀多擲開關(guān)，另一路反饋到鑒頻鑒相器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的跳頻頻率合成器，其特征在于(1)所述的晶體振蕩器為溫度補償晶體振蕩器或恒溫晶體振蕩器，輸出電平為TTL、 CMOS或削頂正弦波；(2)所述的濾波器為無源低通濾波器或有源低通濾波器，階數(shù)為一階到四階中的任一種；(3)所述的壓控振蕩器的輸出頻率受濾波器輸出電壓控制，具有寬帶的輸出頻率和大的增益；(4)所述的功分器采用集總參數(shù)功分器或公布參數(shù)功分器；(5)所述的鑒相鑒頻器為單片微波集成電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的跳頻頻率合成器，其特征在于所述單刀多擲開關(guān)為毫米波單刀M擲開關(guān)，采用PIN 二極管管芯的單片毫米波集成電路，M的數(shù)量與鎖相環(huán)路的路數(shù) N相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跳頻頻率合成器，其特征在于所述單片機用來控制每一路所述鎖相環(huán)回路和所述單刀多擲開關(guān)；所述單片機輸出控制信號的時序決定了每一路鎖相環(huán)回路何時頻率輸出，何時跳頻，何時等待，以及開關(guān)何時把哪一路打開，把哪一路關(guān)閉。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跳頻頻率合成器，其特征在于所述倍頻器是單極的倍頻或者多級倍頻器串聯(lián)而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的跳頻頻率合成器，其特征在于(1)所述溫度補償晶體振蕩器的輸出頻率為20MHz，頻率穩(wěn)定度小于Ippm；(2)所述的有源低通濾波器具有放大功能；(3)所述的壓控振蕩器采用單片微波集成電路，輸出頻率范圍為2.5-5GHz，調(diào)諧電壓為 1-9V ；(4)所述的功分器為電阻式功分器，由三個16.9歐姆的電阻構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的跳頻頻率合成器，其特征在于多級倍頻器中三級倍頻器采用GaAs PHEMT為核心單片毫米集成電路芯片，輸出頻率分別為6_12GHz、12_18GHz、和 24-36GHz。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跳頻頻率合成器的應(yīng)用，其特征在于用作毫米波全息成像系統(tǒng)的本征信號源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于毫米波全息成像系統(tǒng)前端的跳頻頻率合成器。它由多路鎖相環(huán)回路，單刀多擲開關(guān)，倍頻器和單片機組成。單片機控制多路鎖相環(huán)回路的跳頻及單刀多擲開關(guān)的打開或關(guān)閉。所述的多路鎖相環(huán)路包括N個單路鎖相環(huán)回路，N路數(shù)越多則整個跳頻源的頻率轉(zhuǎn)換時間越短，N路鎖相環(huán)回路的跳頻時間縮短為單路環(huán)回路跳頻時間的N分之一。所述單路鎖相環(huán)回路包括晶體振蕩器、鑒頻鑒相器、濾波器、壓控振蕩器和功分器，其中，鑒頻鑒相器輸入與晶體振蕩器和從壓控振蕩器提供的反饋信號相連，輸出與濾波器相連，所述功分器讓所述壓控振蕩器的輸出分為兩路，一路輸出到所述單刀多擲開關(guān)，另一路反饋到鑒頻鑒相器本發(fā)明跳頻頻率合成器輸出24GHz-36GHz的寬頻帶毫米波信號。
文檔編號H03L7/18GK102324929SQ201110103138
公開日2012年1月18日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者孫曉瑋, 時翔, 李凌云, 李江夏, 陳敏華 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所