一种高稳定大动态1毫米s参数测试系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种高稳定大动态1毫米S参数测试系统，采用分体式结构，包括：矢量网络分析仪主机、矢量网络分析仪扩频控制机和140GHz～325GHz?S参数扩频模块；S参数扩频模块包括140GHz-220GHz及220GHz-325GHz信号发生单元、信号接收单元和信号分离单元。本发明高稳定大动态1毫米S参数测试系统采用低次谐波混频方案，提高系统的动态范围；同时本振倍频链路使用空间多层倍频技术，通过空间进行驱动功率分配，在不增加单层倍频链路功率的情况下，提高整个倍频器的压缩点，解决了大功率本振输出的问题，同时也提高了扩频装置的稳定性。
【专利说明】一种高稳定大动态1毫米S参数测试系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测试【技术领域】，特别涉及一种高稳定大动态1毫米S参数测试系统。
【背景技术】
[0002] 由于毫米波系统具有体积小、波束窄、容量大、分辨率高、抗干扰能力强及保密性 好等特点，在军事及民用上都具有重要的战略意义，随着毫米波和亚毫米波的发展，以及光 电技术的广泛应用，电磁频谱迅速扩展起来，电磁频谱已经从极低频发展1毫米频段。lmm 信号的频率范围为140GHz至325GHz，位于毫米波信号的高端和太赫兹信号的低端，包含多 个大气窗口，在雷达、通信、成像等领域有着广泛的应用前景，成为国内外众多科研机构竞 相开发利用的频谱资源。传输参数测试是1毫米系统开发的基本保障条件，如何实现大动 态和高稳定的1毫米传输参数测试系统，是1毫米频谱资源利用的关键。
[0003] 1毫米S参数测试系统在实现上常采用的方案，是以微波测试仪器为基础，外加1 毫米S参数扩频装置的方案。整个系统的技术指标主要取决于扩频装置的性能指标。1毫米 S参数扩频模块在具体的实现方案上，依据测试通道和参考通道混频器的不同，可分为低次 谐波混频和高次谐波混频两种方案。其中，低次谐波混频方案由于混频器的变频损耗较小， 使得S参数扩频装置接收机具有较高灵敏度，致使整个矢量网络分析系统具有较大的动态 范围。但低次谐波混频方案对本振要求较高。由于缺乏毫米波功率放大器，目前，毫米波本 振信号的产生，经常采用低端大功率信号直接驱动倍频器的方式实现，同时为提高倍频器 的压缩点，国内外在倍频器的设计上，是通过串联多级管芯的方式实现，保证各个管芯承受 合理的功率难度较大，降低了倍频器的稳定性。基于高次谐波混频的方案对本振要求较低， 实现起来较为容易，同时需要的部件比较少，使得扩频装置的稳定性有了很大的提高。但是 其谐波次数较高，导致变频信号较大，从而降低了接收机的灵敏度，使得整个测试装置和以 这些测试装置为基础研发的矢量网络分析仪，RCS测试系统，天线测试系统，都具有较小的 动态范围，难以满足大动态系统的需求。
[0004] 因此如何保持扩频装置的高稳定性同时提高动态范围，是目前的1毫米S参数测 试系统所要解决的首要问题。
【发明内容】
[0005] 本发明提出一种高稳定大动态1毫米S参数测试系统，解决了目前1毫米S参数 测试系统所要解决的如何保持扩频装置的高稳定性同时提高动态范围的问题。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] -种高稳定大动态1毫米S参数测试系统，采用分体式结构，包括：矢量网络分析 仪主机（1)、矢量网络分析仪扩频控制机（2)和140GHz?325GHz S参数扩频模块（3) ;S参 数扩频模块包括140GHz-220GHz及220GHz-325GHz信号发生单元、信号接收单元和信号分 离单元；
[0008] 140GHZ-220GHZ信号发生单元包括8mm倍频放大器（108)，接收扩频控制机（2) 输入的11. 66GHZ-18. 33GHz频段的射频信号，二次倍频放大后产生23. 33GHZ-36. 67GHz频 段的信号，驱动3mm多层倍频器（104)产生70GHz-110GHz频段的信号，经3mm波导放大器 (107)放大，直接驱动末级140GHz-220GHz二倍频器（105)，产生140GHz-220GHz的信号， 该信号经隔离器（102)和双定向耦合器（101)实现信号的分离，一路作为参考信号耦合 至第一参考通道，一路作为第一测试通道测试的激励信号，双定向耦合器（101)还耦和到 140GHz-220GHz测试信号；第一参考通道通过L形隔离器（109)接收双定向耦合器（101)耦 合的参考信号，第一测试通道接收双定向耦合器（101)耦合的140GHz-220GHz测试信号，第 一参考通道和第一测试通道分别经二次谐波混频器（103)进行下混频产生中频信号，其中 二次谐波混频器（103)的本振链路包含8_波导放大器（106)，对扩频控制机（2)输入的本 振信号二次倍频放大产生23. 33GHZ-36. 67GHz频段的信号，驱动3mm多层倍频器（104)产 生70GHz-110GHz频段的大功率信号到二次谐波混频器（103)进行下混频；
[0009] 220GHZ-325GHZ信号发生单元包括8mm倍频放大器（208)，接收扩频控制机（2)输 入的12. 22GHZ-18. 05GHz频段的射频信号，二次倍频放大后产生24. 44GHZ-36. 1GHz频段的 信号，驱动3mm多层倍频器（207)产生73. 32GHZ-108. 3GHz频段的信号，经3mm波导放大器 (203)放大后驱动末级三倍频器（202)，产生220GHz-325GHz的信号，该信号经双定向耦合 器（201)实现信号的分离，一路作为参考信号耦合至第二参考通道，另一路作为第二测试 通道测试的激励信号，双定向耦合器（201)还耦和到220GHz-325GHz测试信号；第二参考通 道通过弯波导（210)接收双定向耦合器（201)耦合的参考信号，第二测试通道接收双定向 耦合器（201)耦合的220GHz-325GHz测试信号，第二参考通道和第二测试通道分别经二次 谐波混频器（204)进行下混频产生中频信号，其中二次谐波混频器（204)的本振链路包含 6mm二倍频器（209)，接收扩频控制机（2)输入的9. 17GHZ-13. 54GHz本振信号，经四次倍频 放大产生36. 67GHZ-54. 16GHz频段的信号，经6mm波导多层放大器（206)放大，驱动2mm多 层三倍频器（205)，产生llOGHz-162. 5GHz频段的大功率信号到二次谐波混频器（204)进行 下混频。
[0010] 可选地，所述扩频控制机输入的本振信号经功分器分为两路，分别送入第一测试 通道和第一参考通道。
[0011] 可选地，所述扩频控制机输入的本振信号经功分器分为两路，经过二倍频器倍频 后分别送入第二测试通道和第二参考通道。
[0012] 本发明的有益效果是：
[0013] (1)采用低次谐波混频方案，提高系统的动态范围；
[0014] (2)同时本振倍频链路使用空间多层倍频技术，通过空间进行驱动功率分配，在不 增加单层倍频链路的功率的情况下，提高整个倍频器的压缩点，解决了大功率本振输出的 问题，同时也提高了扩频装置的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图，都属于本发明保护的范围。
[0016] 图1为本发明高稳定大动态1毫米S参数测试系统的整体框图；
[0017] 图2为140GHz-220GHz信号发生单元的控制框图；
[0018] 图3为220GHz-325GHz信号发生单元的控制框图。
【具体实施方式】
[0019] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020] 现有的1毫米S参数测试系统，都是以微波测试仪器为基础，外加1毫米扩频装置 的方案实现。如何实现大动态高稳定的1毫米S参数扩频装置，是目前1毫米S参数测试 系统首先要解决的问题。1毫米S参数测试装置接收通道和参考通道采用低次谐波混频的 方案，由于混频器具有较低的变频损耗，因此扩频装置具有较高的灵敏度，致使S参数测试 系统具有较大的动态范围，但这种方案需要解决高频本振产生及因此带来的稳定性问题。 1毫米S参数高次谐波混频的方案对本振要求较低，实现起来较为容易，有源功率器件相对 较少，但扩频装置的灵敏度相对较低，因此动态范围及性能指标也相对较差。
[0021] 本发明针对以上问题，采用低次谐波混频方案，提高系统的动态范围。同时本振倍 频链路使用空间多层倍频技术，通过空间进行驱动功率分配，在不增加单层倍频链路的功 率的情况下，提高整个倍频器的压缩点，解决了大功率本振输出的问题，同时也提高了扩频 装置的稳定性。
[0022] 本发明高稳定大动态1毫米S参数测试系统采用分体式结构，如图1所示，包括三 个部分：20GHz矢量网络分析仪主机1、矢量网络分析仪扩频控制机2和140GHz?325GHz S参数扩频模块3。
[0023] 20GHz矢量网络分析仪主机1提供射频与本振信号、硬件控制接口、中频输入接 口和扩频系统的总体控制。扩频控制机2接收矢量网络分析仪主机1射频、本振信号，并 进行功分、开关倍频放大滤波，然后将信号送至140GHz-220GHz及220GHz-325GHz S参数 测试模块3,同时接收S参数模块3产生的中频信号并进行预处理。140GHz-220GHz及 220GHz-325GHz S参数测试模块3倍频产生140GHz-220GHz及220GHz-325GHz激励信号，通 过信号分离装置实现正向、反向信号提取，将140GHz-220GHz及220GHz-325GHz信号混频到 中频信号，
[0024] 送至控制机2。
[0025] S参数扩频模块3包括140GHz-220GHz及220GHz-325GHz信号发生单元、信号接收 单元和信号分离单元三部分。140GHz-220GHz及220GHz-325GHz信号发生单元是本发明的 关键，其性能指标直接决定了 140GHz-220GHz及220GHz-325GHz矢量网络分析仪的动态范 围、反射跟踪和传输跟踪等关键技术指标。
[0026] 如图2所示，140GHz-220GHz信号发生单元采用12次倍频级联的方案，包括8mm 倍频放大器108,接收扩频控制机2输入的11. 66GHZ-18. 33GHz频段的射频信号，二次倍频 放大后产生23. 33GHz-36. 67GHz频段的信号，驱动3mm多层倍频器104产生70GHz-110GHz 频段的信号，经3mm波导放大器107放大，直接驱动末级140GHz-220GHz二倍频器105,产 生140GHz-220GHz的信号，该信号经隔离器102和双定向耦合器101实现信号的分离，一 路作为参考信号耦合至第一参考通道，用于发生功率的定标，一路作为第一测试通道测试 的激励信号，上述双定向耦合器101还耦和到140GHz-220GHz测试信号。第一参考通道通 过L形隔离器109接收上述双定向耦合器101耦合的参考信号，第一测试通道接收上述双 定向耦合器101耦合的140GHz-220GHz测试信号，第一参考通道和第一测试通道分别经二 次谐波混频器103进行下混频产生中频信号，其中二次谐波混频器的本振链路，用于产生 70GHZ-110GHz大功率本振信号，整个本振链路包含8_波导放大器106，对扩频控制机2输 入的本振信号二次倍频放大产生23. 33GHZ-36. 67GHz频段的信号，驱动3mm多层倍频器104 产生70GHz-110GHz频段的大功率信号到二次谐波混频器103进行下混频。扩频控制机2 输入的本振信号经功分器分为两路，分别送入第一测试通道和第一参考通道。第一测试通 道和第一参考通道接收机在设计中，综合应用了空间多层倍频技术及宽带可调谐分谐波混 频技术，大大提高了其稳定性。
[0027] 如图3所示，220GHz-325GHz信号发生单元采用18次倍频级联的方案，包括 8mm倍频放大器208，接收扩频控制机2输入的12. 22GHZ-18. 05GHz频段的射频信号， 二次倍频放大后产生24. 44GHZ-36. 1GHz频段的信号，驱动3mm多层倍频器207产生 73. 32GHZ-108. 3GHz频段的信号，经3mm波导放大器203放大后驱动末级三倍频器202,产 生220GHz-325GHz的信号，该信号经双定向耦合器201实现信号的分离，一路作为参考信 号耦合至第二参考通道，用于发生功率的定标，一路作为第二测试通道测试的激励信号，上 述双定向耦合器201还耦和到220GHz-325GHz测试信号。第二参考通道通过弯波导210 接收上述双定向耦合器201耦合的参考信号，第二测试通道接收上述双定向耦合器201耦 合的220GHz-325GHz测试信号，第二参考通道和第二测试通道分别经二次谐波混频器204 进行下混频产生中频信号，其中二次谐波混频器的本振链路，用于产生1 lOGHz-162. 5GHz 大功率本振信号，整个本振链路包含6mm二倍频器209，接收扩频控制机2输入的 9. 17GHz-13. 54GHz本振信号，经四次倍频放大产生36. 67GHz-54. 16GHz频段的信号，经6mm 波导多层放大器206放大，驱动2mm多层三倍频器205,产生llOGHz-162. 5GHz频段的大功 率信号到二次谐波混频器204进行下混频。扩频控制机2输入的本振信号经功分器分为两 路，经过二倍频器倍频后分别送入第二测试通道和第二参考通道。
[0028] 本发明高稳定大动态1毫米S参数测试系统采用低次谐波混频方案，提高系统的 动态范围；同时本振倍频链路使用空间多层倍频技术，通过空间进行驱动功率分配，在不增 加单层倍频链路的功率的情况下，提高整个倍频器的压缩点，解决了大功率本振输出的问 题，同时也提高了扩频装置的稳定性。
[0029] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种高稳定大动态1毫米S参数测试系统，采用分体式结构，包括：矢量网络分析仪 主机（1)、矢量网络分析仪扩频控制机⑵和140GHz?325GHz S参数扩频模块（3) ;S参 数扩频模块包括140GHz-220GHz及220GHz-325GHz信号发生单元、信号接收单元和信号分 离单元；其特征在于： 140GHz-220GHz信号发生单元包括8mm倍频放大器（108)，接收扩频控制机（2)输入的 11. 66GHZ-18. 33GHz频段的射频信号，二次倍频放大后产生23. 33GHZ-36. 67GHz频段的信 号，驱动3mm多层倍频器（104)产生70GHz-110GHz频段的信号，经3mm波导放大器（107)放 大，直接驱动末级140GHz-220GHz二倍频器（105)，产生140GHz-220GHz的信号，该信号经隔 离器（102)和双定向耦合器（101)实现信号的分离，一路作为参考信号耦合至第一参考通 道，一路作为第一测试通道测试的激励信号，双定向耦合器（101)还耦和到140GHz-220GHz 测试信号；第一参考通道通过L形隔离器（109)接收双定向耦合器（101)耦合的参考信 号，第一测试通道接收双定向耦合器（101)耦合的140GHz-220GHz测试信号，第一参考通 道和第一测试通道分别经二次谐波混频器（103)进行下混频产生中频信号，其中二次谐 波混频器（103)的本振链路包含8mm波导放大器（106)，对扩频控制机（2)输入的本振信 号二次倍频放大产生23. 33GHZ-36. 67GHz频段的信号，驱动3mm多层倍频器（104)产生 70GHz-110GHz频段的大功率信号到二次谐波混频器（103)进行下混频； 220GHz-325GHz信号发生单元包括8mm倍频放大器（208)，接收扩频控制机（2)输入 的12. 22GHZ-18. 05GHz频段的射频信号，二次倍频放大后产生24. 44GHZ-36. 1GHz频段的信 号，驱动3mm多层倍频器（207)产生73. 32GHZ-108. 3GHz频段的信号，经3mm波导放大器 (203)放大后驱动末级三倍频器（202)，产生220GHz-325GHz的信号，该信号经双定向耦合 器（201)实现信号的分离，一路作为参考信号耦合至第二参考通道，另一路作为第二测试 通道测试的激励信号，双定向耦合器（201)还耦和到220GHz-325GHz测试信号；第二参考通 道通过弯波导（210)接收双定向耦合器（201)耦合的参考信号，第二测试通道接收双定向 耦合器（201)耦合的220GHz-325GHz测试信号，第二参考通道和第二测试通道分别经二次 谐波混频器（204)进行下混频产生中频信号，其中二次谐波混频器（204)的本振链路包含 6mm二倍频器（209)，接收扩频控制机（2)输入的9. 17GHZ-13. 54GHz本振信号，经四次倍频 放大产生36. 67GHZ-54. 16GHz频段的信号，经6mm波导多层放大器（206)放大，驱动2mm多 层三倍频器（205)，产生llOGHz-162. 5GHz频段的大功率信号到二次谐波混频器（204)进行 下混频。
2. 如权利要求1所述的高稳定大动态1毫米S参数测试系统，其特征在于，所述扩频控 制机输入的本振信号经功分器分为两路，分别送入第一测试通道和第一参考通道。
3. 如权利要求1所述的高稳定大动态1毫米S参数测试系统，其特征在于，所述扩频控 制机输入的本振信号经功分器分为两路，经过二倍频器倍频后分别送入第二测试通道和第 二参考通道。
【文档编号】G01R31/00GK104142447SQ201410357580
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】邓建钦, 年夫顺, 姜万顺, 陈卓, 王沫, 辛海鸣 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所