《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》是中國電子科技集團公司第四十一研究所於2014年7月21日申請的發明專利，該專利申請號為201410357580X，公布號為CN104142447A，公布日為2014年11月12日，發明人是鄧建欽、年夫順、姜萬順、陳卓、王沫、辛海鳴。
《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》採用分體式結構，包括：矢量網路分析儀主機、矢量網路分析儀擴頻控制機和140千兆赫茲-325千兆赫茲S參數擴頻模組；S參數擴頻模組包括140千兆赫茲-220千兆赫茲及220千兆赫茲-325千兆赫茲信號發生單元、信號接收單元和信號分離單元。該發明高穩定大動態1毫米S參數測試系統採用低次諧波混頻方案，提高系統的動態範圍；同時該振倍頻鏈路使用空間多層倍頻技術，通過空間進行驅動功率分配，在不增加單層倍頻鏈路功率的情況下，提高整個倍頻器的壓縮點，解決了大功率本振輸出的問題，同時也提高了擴頻裝置的穩定性。
2021年6月24日，《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統
- 申請人：中國電子科技集團公司第四十一研究所
- 發明人：鄧建欽、年夫順、姜萬順、陳卓、王沫、辛海鳴
- 申請號：201410357580X
- 申請日：2014年7月21日
- 公布號：CN104142447A
- 公布日：2014年11月12日
- 地址：山東省青島市經濟技術開發區香江路98號
- Int. Cl.：G01R31/00
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
由於毫米波系統具有體積小、波束窄、容量大、解析度高、抗干擾能力強及保密性好等特點，在軍事及民用上都具有重要的戰略意義，隨著毫米波和亞毫米波的發展，以及光電技術的廣泛套用，電磁頻譜迅速擴展起來，電磁頻譜已經從極低頻發展1毫米頻段。1毫米信號的頻率範圍為140千兆赫茲至325千兆赫茲，位於毫米波信號的高端和太赫茲信號的低端，包含多個大氣視窗，在雷達、通信、成像等領域有著廣泛的套用前景，成為中國國內外眾多科研機構競相開發利用的頻譜資源。傳輸參數測試是1毫米系統開發的基本保障條件，如何實現大動態和高穩定的1毫米傳輸參數測試系統，是1毫米頻譜資源利用的關鍵。
1毫米S參數測試系統在實現上常採用的方案，是以微波測試儀器為基礎，外加1毫米S參數擴頻裝置的方案。整個系統的技術指標主要取決於擴頻裝置的性能指標。1毫米S參數擴頻模組在具體的實現方案上，依據測試通道和參考通道混頻器的不同，可分為低次諧波混頻和高次諧波混頻兩種方案。其中，低次諧波混頻方案由於混頻器的變頻損耗較小，使得S參數擴頻裝置接收機具有較高靈敏度，致使整個矢量網路分析系統具有較大的動態範圍。但低次諧波混頻方案對本振要求較高。由於缺乏毫米波功率放大器，2014年7月前，毫米波本振信號的產生，經常採用低端大功率信號直接驅動倍頻器的方式實現，同時為提高倍頻器的壓縮點，中國國內外在倍頻器的設計上，是通過串聯多級管芯的方式實現，保證各個管芯承受合理的功率難度較大，降低了倍頻器的穩定性。基於高次諧波混頻的方案對本振要求較低，實現起來較為容易，同時需要的部件比較少，使得擴頻裝置的穩定性有了很大的提高。但是其諧波次數較高，導致變頻信號較大，從而降低了接收機的靈敏度，使得整個測試裝置和以這些測試裝置為基礎研發的矢量網路分析儀，RCS測試系統，天線測試系統，都具有較小的動態範圍，難以滿足大動態系統的需求。
因此如何保持擴頻裝置的高穩定性同時提高動態範圍，是2014年7月前的1毫米S參數測試系統所要解決的首要問題。
發明內容
專利目的
《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》的目的是提出一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統，解決2014年7月前1毫米S參數測試系統所要解決的如何保持擴頻裝置的高穩定性同時提高動態範圍的問題。
技術方案
《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》採用分體式結構，包括：矢量網路分析儀主機（1）、矢量網路分析儀擴頻控制機（2）和140千兆赫茲-325千兆赫茲S參數擴頻模組（3）；S參數擴頻模組包括140千兆赫茲-220千兆赫茲及220千兆赫茲-325千兆赫茲信號發生單元、信號接收單元和信號分離單元；
140千兆赫茲-220千兆赫茲信號發生單元包括8毫米倍頻放大器（108），接收擴頻控制機（2）輸入的11.66千兆赫茲-18.33千兆赫茲頻段的射頻信號，二次倍頻放大後產生23.33千兆赫茲-36.67千兆赫茲頻段的信號，驅動3毫米多層倍頻器（104）產生70千兆赫茲-110千兆赫茲頻段的信號，經3毫米波導放大器（107）放大，直接驅動末級140千兆赫茲-220千兆赫茲二倍頻器（105），產生140千兆赫茲-220千兆赫茲的信號，該信號經隔離器（102）和雙定向耦合器（101）實現信號的分離，一路作為參考信號耦合至第一參考通道，一路作為第一測試通道測試的激勵信號，雙定向耦合器（101）還耦和到140千兆赫茲-220千兆赫茲測試信號；第一參考通道通過L形隔離器（109）接收雙定向耦合器（101）耦合的參考信號，第一測試通道接收雙定向耦合器（101）耦合的140千兆赫茲-220千兆赫茲測試信號，第一參考通道和第一測試通道分別經二次諧波混頻器（103）進行下混頻產生中頻信號，其中二次諧波混頻器（103）的本振鏈路包含8毫米波導放大器（106），對擴頻控制機（2）輸入的本振信號二次倍頻放大產生23.33千兆赫茲-36.67千兆赫茲頻段的信號，驅動3毫米多層倍頻器（104）產生70千兆赫茲-110千兆赫茲頻段的大功率信號到二次諧波混頻器（103）進行下混頻；
220千兆赫茲-325千兆赫茲信號發生單元包括8毫米倍頻放大器（208），接收擴頻控制機（2）輸入的12.22千兆赫茲-18.05千兆赫茲頻段的射頻信號，二次倍頻放大後產生24.44千兆赫茲-36.1千兆赫茲頻段的信號，驅動3毫米多層倍頻器（207）產生73.32千兆赫茲-108.3千兆赫茲頻段的信號，經3毫米波導放大器（203）放大後驅動末級三倍頻器（202），產生220千兆赫茲-325千兆赫茲的信號，該信號經雙定向耦合器（201）實現信號的分離，一路作為參考信號耦合至第二參考通道，另一路作為第二測試通道測試的激勵信號，雙定向耦合器（201）還耦和到220千兆赫茲-325千兆赫茲測試信號；第二參考通道通過彎波導（210）接收雙定向耦合器（201）耦合的參考信號，第二測試通道接收雙定向耦合器（201）耦合的220千兆赫茲-325千兆赫茲測試信號，第二參考通道和第二測試通道分別經二次諧波混頻器（204）進行下混頻產生中頻信號，其中二次諧波混頻器（204）的本振鏈路包含6毫米二倍頻器（209），接收擴頻控制機（2）輸入的9.17千兆赫茲-13.54千兆赫茲本振信號，經四次倍頻放大產生36.67千兆赫茲-54.16千兆赫茲頻段的信號，經6毫米波導多層放大器（206）放大，驅動2毫米多層三倍頻器（205），產生110千兆赫茲-162.5千兆赫茲頻段的大功率信號到二次諧波混頻器（204）進行下混頻。
可選地，所述擴頻控制機輸入的本振信號經功分器分為兩路，分別送入第一測試通道和第一參考通道。
可選地，所述擴頻控制機輸入的本振信號經功分器分為兩路，經過二倍頻器倍頻後分別送入第二測試通道和第二參考通道。
改善效果
《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》的有益效果是：
（1）採用低次諧波混頻方案，提高系統的動態範圍；
（2）同時本振倍頻鏈路使用空間多層倍頻技術，通過空間進行驅動功率分配，在不增加單層倍頻鏈路的功率的情況下，提高整個倍頻器的壓縮點，解決了大功率本振輸出的問題，同時也提高了擴頻裝置的穩定性。
附圖說明
圖1為《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》的整體框圖；
圖2為140千兆赫茲-220千兆赫茲信號發生單元的控制框圖；
圖3為220千兆赫茲-325千兆赫茲信號發生單元的控制框圖。
技術領域
《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》涉及測試技術領域，特別涉及一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統。
權利要求
1.《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》採用分體式結構，包括：矢量網路分析儀主機（1）、矢量網路分析儀擴頻控制機（2）和140千兆赫茲-325千兆赫茲S參數擴頻模組（3）；S參數擴頻模組包括140千兆赫茲-220千兆赫茲信號發生單元、220千兆赫茲-325千兆赫茲信號發生單元、信號接收單元和信號分離單元；其特徵在於：140千兆赫茲-220千兆赫茲信號發生單元包括8毫米倍頻放大器（108），接收擴頻控制機（2）輸入的11.66千兆赫茲-18.33千兆赫茲頻段的射頻信號，二次倍頻放大後產生23.33千兆赫茲-36.67千兆赫茲頻段的信號，驅動3毫米多層倍頻器（104）產生70千兆赫茲-110千兆赫茲頻段的信號，經3毫米波導放大器（107）放大，直接驅動末級140千兆赫茲-220千兆赫茲二倍頻器（105），產生140千兆赫茲-220千兆赫茲的信號，該信號經隔離器（102）和雙定向耦合器（101）實現信號的分離，一路作為參考信號耦合至第一參考通道，一路作為第一測試通道測試的激勵信號，雙定向耦合器（101）還耦和到140千兆赫茲-220千兆赫茲測試信號；第一參考通道通過L形隔離器（109）接收雙定向耦合器（101）耦合的參考信號，第一測試通道接收雙定向耦合器（101）耦合的140千兆赫茲-220千兆赫茲測試信號，第一參考通道和第一測試通道分別經二次諧波混頻器（103）進行下混頻產生中頻信號，其中二次諧波混頻器（103）的本振鏈路包含8毫米波導放大器（106），對擴頻控制機（2）輸入的本振信號二次倍頻放大產生23.33千兆赫茲-36.67千兆赫茲頻段的信號，驅動3毫米多層倍頻器（104）產生70千兆赫茲-110千兆赫茲頻段的大功率信號到二次諧波混頻器（103）進行下混頻；220千兆赫茲-325千兆赫茲信號發生單元包括8毫米倍頻放大器（208），接收擴頻控制機（2）輸入的12.22千兆赫茲-18.05千兆赫茲頻段的射頻信號，二次倍頻放大後產生24.44千兆赫茲-36.1千兆赫茲頻段的信號，驅動3毫米多層倍頻器（207）產生73.32千兆赫茲-108.3千兆赫茲頻段的信號，經3毫米波導放大器（203）放大後驅動末級三倍頻器（202），產生220千兆赫茲-325千兆赫茲的信號，該信號經雙定向耦合器（201）實現信號的分離，一路作為參考信號耦合至第二參考通道，另一路作為第二測試通道測試的激勵信號，雙定向耦合器（201）還耦和到220千兆赫茲-325千兆赫茲測試信號；第二參考通道通過彎波導（210）接收雙定向耦合器（201）耦合的參考信號，第二測試通道接收雙定向耦合器（201）耦合的220千兆赫茲-325千兆赫茲測試信號，第二參考通道和第二測試通道分別經二次諧波混頻器（204）進行下混頻產生中頻信號，其中二次諧波混頻器（204）的本振鏈路包含6毫米二倍頻器（209），接收擴頻控制機（2）輸入的9.17千兆赫茲-13.54千兆赫茲本振信號，經四次倍頻放大產生36.67千兆赫茲-54.16千兆赫茲頻段的信號，經6毫米波導多層放大器（206）放大，驅動2毫米多層三倍頻器（205），產生110千兆赫茲-162.5千兆赫茲頻段的大功率信號到二次諧波混頻器（204）進行下混頻；所述擴頻控制機輸入的本振信號經第一功分器分為兩路，經過二倍頻器倍頻後分別送入第二測試通道和第二參考通道。
2.如權利要求1所述的高穩定大動態1毫米S參數測試系統，其特徵在於，所述擴頻控制機輸入的本振信號經第二功分器分為兩路，分別送入第一測試通道和第一參考通道。
實施方式
2014年7月前已有的1毫米S參數測試系統，都是以微波測試儀器為基礎，外加1毫米擴頻裝置的方案實現。如何實現大動態高穩定的1毫米S參數擴頻裝置，是1毫米S參數測試系統首先要解決的問題。1毫米S參數測試裝置接收通道和參考通道採用低次諧波混頻的方案，由於混頻器具有較低的變頻損耗，因此擴頻裝置具有較高的靈敏度，致使S參數測試系統具有較大的動態範圍，但這種方案需要解決高頻本振產生及因此帶來的穩定性問題。1毫米S參數高次諧波混頻的方案對本振要求較低，實現起來較為容易，有源功率器件相對較少，但擴頻裝置的靈敏度相對較低，因此動態範圍及性能指標也相對較差。
《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》針對以上問題，採用低次諧波混頻方案，提高系統的動態範圍。同時本振倍頻鏈路使用空間多層倍頻技術，通過空間進行驅動功率分配，在不增加單層倍頻鏈路的功率的情況下，提高整個倍頻器的壓縮點，解決了大功率本振輸出的問題，同時也提高了擴頻裝置的穩定性。
《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》採用分體式結構，如圖1所示，包括三個部分：20千兆赫茲矢量網路分析儀主機1、矢量網路分析儀擴頻控制機2和140千兆赫茲-325千兆赫茲S參數擴頻模組3。
20千兆赫茲矢量網路分析儀主機1提供射頻與本振信號、硬體控制接口、中頻輸入接口和擴頻系統的總體控制。擴頻控制機2接收矢量網路分析儀主機1射頻、本振信號，並進行功分、開關倍頻放大濾波，然後將信號送至140千兆赫茲-220千兆赫茲及220千兆赫茲-325千兆赫茲S參數測試模組3，同時接收S參數模組3產生的中頻信號並進行預處理。140千兆赫茲-220千兆赫茲及220千兆赫茲-325千兆赫茲S參數測試模組3倍頻產生140千兆赫茲-220千兆赫茲及220千兆赫茲-325千兆赫茲激勵信號，通過信號分離裝置實現正向、反向信號提取，將140千兆赫茲-220千兆赫茲及220千兆赫茲-325千兆赫茲信號混頻到中頻信號，送至控制機2。
S參數擴頻模組3包括140千兆赫茲-220千兆赫茲及220千兆赫茲-325千兆赫茲信號發生單元、信號接收單元和信號分離單元三部分。140千兆赫茲-220千兆赫茲及220千兆赫茲-325千兆赫茲信號發生單元是本發明的關鍵，其性能指標直接決定了140千兆赫茲-220千兆赫茲及220千兆赫茲-325千兆赫茲矢量網路分析儀的動態範圍、反射跟蹤和傳輸跟蹤等關鍵技術指標。
如圖2所示，140千兆赫茲-220千兆赫茲信號發生單元採用12次倍頻級聯的方案，包括8毫米倍頻放大器108，接收擴頻控制機2輸入的11.66千兆赫茲-18.33千兆赫茲頻段的射頻信號，二次倍頻放大後產生23.33千兆赫茲-36.67千兆赫茲頻段的信號，驅動3毫米多層倍頻器104產生70千兆赫茲-110千兆赫茲頻段的信號，經3毫米波導放大器107放大，直接驅動末級140千兆赫茲-220千兆赫茲二倍頻器105，產生140千兆赫茲-220千兆赫茲的信號，該信號經隔離器102和雙定向耦合器101實現信號的分離，一路作為參考信號耦合至第一參考通道，用於發生功率的定標，一路作為第一測試通道測試的激勵信號，上述雙定向耦合器101還耦和到140千兆赫茲-220千兆赫茲測試信號。第一參考通道通過L形隔離器109接收上述雙定向耦合器101耦合的參考信號，第一測試通道接收上述雙定向耦合器101耦合的140千兆赫茲-220千兆赫茲測試信號，第一參考通道和第一測試通道分別經二次諧波混頻器103進行下混頻產生中頻信號，其中二次諧波混頻器的本振鏈路，用於產生70千兆赫茲-110千兆赫茲大功率本振信號，整個本振鏈路包含8毫米波導放大器106，對擴頻控制機2輸入的本振信號二次倍頻放大產生23.33千兆赫茲-36.67千兆赫茲頻段的信號，驅動3毫米多層倍頻器104產生70千兆赫茲-110千兆赫茲頻段的大功率信號到二次諧波混頻器103進行下混頻。擴頻控制機2輸入的本振信號經功分器分為兩路，分別送入第一測試通道和第一參考通道。第一測試通道和第一參考通道接收機在設計中，綜合套用了空間多層倍頻技術及寬頻可調諧分諧波混頻技術，提高了其穩定性。
如圖3所示，220千兆赫茲-325千兆赫茲信號發生單元採用18次倍頻級聯的方案，包括8毫米倍頻放大器208，接收擴頻控制機2輸入的12.22千兆赫茲-18.05千兆赫茲頻段的射頻信號，二次倍頻放大後產生24.44千兆赫茲-36.1千兆赫茲頻段的信號，驅動3毫米多層倍頻器207產生73.32千兆赫茲-108.3千兆赫茲頻段的信號，經3毫米波導放大器203放大後驅動末級三倍頻器202，產生220千兆赫茲-325千兆赫茲的信號，該信號經雙定向耦合器201實現信號的分離，一路作為參考信號耦合至第二參考通道，用於發生功率的定標，一路作為第二測試通道測試的激勵信號，上述雙定向耦合器201還耦和到220千兆赫茲-325千兆赫茲測試信號。第二參考通道通過彎波導210接收上述雙定向耦合器201耦合的參考信號，第二測試通道接收上述雙定向耦合器201耦合的220千兆赫茲-325千兆赫茲測試信號，第二參考通道和第二測試通道分別經二次諧波混頻器204進行下混頻產生中頻信號，其中二次諧波混頻器的本振鏈路，用於產生110千兆赫茲-162.5千兆赫茲大功率本振信號，整個本振鏈路包含6毫米二倍頻器209，接收擴頻控制機2輸入的9.17千兆赫茲-13.54千兆赫茲本振信號，經四次倍頻放大產生36.67千兆赫茲-54.16千兆赫茲頻段的信號，經6毫米波導多層放大器206放大，驅動2毫米多層三倍頻器205，產生110千兆赫茲-162.5千兆赫茲頻段的大功率信號到二次諧波混頻器204進行下混頻。擴頻控制機2輸入的本振信號經功分器分為兩路，經過二倍頻器倍頻後分別送入第二測試通道和第二參考通道。
《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》採用低次諧波混頻方案，提高系統的動態範圍；同時本振倍頻鏈路使用空間多層倍頻技術，通過空間進行驅動功率分配，在不增加單層倍頻鏈路的功率的情況下，提高整個倍頻器的壓縮點，解決了大功率本振輸出的問題，同時也提高了擴頻裝置的穩定性。
專利榮譽
2021年6月24日，《一種高穩定大動態1毫米S參數測試系統》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
