专利名称：一种毫米波和亚毫米波频段频率稳定度测量系统和方法
技术领域：
本发明研制了一种基于差拍法的频率稳定度测量系统和方法，特别适用于毫米波和亚毫米波频率范围内的频率稳定度测量，这种系统和方法的应用可以解决毫米波和亚毫米波频率范围内的频率源以及光频标的频率稳定度测量问题。
背景技术：
毫米波在通讯、雷达、制导遥感、频标技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中断通信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。在远程导弹或航天器重返大气层时，需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。基于光梳技术而研制成功的光频标，其频率稳定度达到了非常高的水平。在这些应用范畴内，毫米波频率源得到了广泛的应用，其频率稳定度尤其是短期频率稳定度受到了格外的关注，所以需要在毫米波和亚毫米波频段范围内进行频率稳定度测试。目前市场上的频率稳定度测量系统主要是基于双混频时差法测量原理、频差倍增法测量原理和差拍法测量原理的基础上研制的。频差倍增法测量系统仅可以测量标准频率的高稳晶振和原子频率标准的频率稳定度，但是这种系统的测量频率范围有限，只能测量频率5MHz、10MHz。系统组成参考源、 频差倍增器、计数器和计算机。双混频时差法测量系统可以测量标准频率的高稳晶振和原子频率标准的频率稳定度，其秒级自身频率稳定度可达到10-14量级，但是这种系统仅能测量标准频率5MHz、 IOMHz的频率稳定度，频率范围具有局限性。系统组成包括参考源、公共源、双通道差拍器、隔离放大器、移相器、计数器和计算机。差拍法测量系统是目前唯一可以在宽频带范围内对分数频率源的短期频率稳定度进行测量的装置，但是受限于其自身的测量频率范围，这种系统仅能测量18GHz以内的频率源。系统组成包括参考源、差拍器、倍频器、计数器和计算机。由于目前毫米波和亚毫米波频率源日益得到广泛的应用，所以需要弥补差拍法测量系统在频率范围方面的局限性，使之能够测量毫米波和亚毫米波频段频率稳定度。

发明内容
本发明目的在于研制一种基于差拍法的频率稳定度测量装置，以解决毫米波和亚毫米波频率源的稳定度测量问题双混频时差测量系统和频差倍增法测量系统在频率范围方面具有局限性，不适用于毫米波和亚毫米波频段稳定度的测量，频率范围仅为18GHz。根据本发明，提供一种毫米波和亚毫米波频段频率稳定度系统，该系统包括本振源、基波混频器、谐波混频器、次谐波混频器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第三带通滤波器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、选频开关、差拍器、计数器、中频参考源和计算机；本振源的微波输出端分别与基波混频器的本振端和谐波混频器的本振端微波电缆连接，本振源的倍频端与毫米波倍频器的输入端微波电缆连接，基波混频器的射频端用作第一输入端，谐波混频器的射频端用作第二输入端，毫米波倍频器的输出端与次谐波混频器的本振端波导连接，次谐波混频器的射频端用作第三输入端，基波混频器的中频端与第一带通滤波器的输入端射频电缆连接，谐波混频器的中频端与第二带通滤波器的输入端射频电缆连接，次谐波混频器的中频端与第三带通滤波器的输入端射频电缆连接，第一带通滤波器的输出端与第一放大器的输入端射频电缆连接，第二带通滤波器的输出端与第二放大器的输入端射频电缆连接，第三带通滤波器的输出端与第三放大器的输入端射频电缆连接，第一放大器的输出端与选频开关的Ku端射频电缆连接，第二放大器的输出端与选频开关的Ka端射频电缆连接，第三放大器的输出端与选频开关的W端射频电缆连接，选频开关的输出端与差拍器的输入端射频电缆连接，差拍器的输出端与计数器的输入端射频电缆连接，中频参考源的输出端与差拍器的本振端射频电缆连接，计数器的输出端与计算机通过串口总线连接，计算机根据计数器采集的频率计算阿仑方差作为频率稳定度的表征。优选地，所述本振源是一台微波频率源，其频率范围为IGHz 40GHz。优选地，所述第一输入端用于输入频率范围为18GHz 40GHz的待测信号，所述第二输入端用于输入频率范围为40GHz IlOGHz的待测信号，所述第三输入端用于输入频率范围为IlOGHz 300GHz的待测信号。优选地，当第一输入端输入待测信号时，本振源的输出信号频率与待测信号频率差的范围是5MHz IGHz ;当第二输入端输入待测信号时，本振源的输出信号频率范围是 IGHz IOGHz ;或当第三输入端输入待测信号时，本振源的输出信号频率范围是17GHz 40GHz ο优选地，所述中频参考源输出的中频参考信号的频率范围是5MHz 1GHz。根据本发明的另一个方面，提供一种毫米波和亚毫米波频段频率稳定度测量方法，该方法包括当待测信号的频率范围为18GHz 40GHz时，将本振信号和待测信号通过第一基波混频器进行基波混频，经过第一带通滤波器滤除基频分量与和频分量信号，得到待测信号的频率下变频到中频的频率信号，该中频的频率信号通过第一放大器获得适当的功率输出，选频开关的输出端与Ku端选通，将选通的中频的频率信号送入差拍器与中频参考信号进行差拍、滤波和放大，差拍器输出差拍信号至计算机控制的计数器进行频率采集，计算出阿仑方差作为频率稳定度的表征；当待测信号的频率范围为40GHz IlOGHz时，谐波混频器选取本振信号频率的8 次谐波与待测信号的频率进行混频，经过第二带通滤波器滤除其它频率信号，得到待测信号的频率下变频到中频的频率信号，该中频的频率信号通过第二放大器获得适当的功率输出，选频开关的输出端与Ka端选通，将选通的中频的频率信号送入差拍器与中频参考信号进行差拍、滤波和放大，差拍器输出差拍信号至计算机控制的计数器进行频率采集，计算出阿仑方差作为频率稳定度的表征；或当待测信号的频率范围为IlOGHz 300GHz时，将本振信号通过毫米波倍频器进行四倍频，次谐波混频器选取倍频后的本振信号输出频率的2次谐波与待测信号的频率进行混频，经过第三带通滤波器滤除其它频率信号，得到待测信号的频率下变频到中频的频率信号，该中频的频率信号通过第三放大器获得适当的功率输出，将选频开关的输出端与W 端选通，将选通的中频的频率信号送入差拍器与中频参考信号进行差拍、滤波和放大，差拍器输出的差拍信号送入计算机控制的计数器进行频率采集，计算出阿仑方差作为频率稳定度的表征。优选地，所述本振信号的频率范围为IGHz 40GHz。优选地，当待测信号的频率范围为18GHz 40GHz时，本振信号与待测信号频率差的范围是5MHz IGHz ;当待测信号的频率范围为40GHz IlOGHz时，本振信号的频率范围是IGHz IOGHz ;当待测信号的频率范围为为IlOGHz 300GHz时，本振信号的频率范围是 17GHz 40GHz ο优选地，所述中频参考信号的频率范围是5MHz 1GHz。本发明所提供的一种毫米波和亚毫米波频段频率稳定度测量系统和方法，克服了目前频率稳定度测量系统频率范围不足的问题，优点是可以测量频率范围为18G-300GHZ 的毫米波和亚毫米波频段频率源的频率稳定度的测量。


图I示出了根据本发明实施例的毫米波和亚毫米波频段频率稳定度测量系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步阐述。图I示出了根据本发明实施例的毫米波和亚毫米波频段频率稳定度测量系统的结构示意图。该系统包括本振源、基波混频器、谐波混频器、次谐波混频器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第三带通滤波器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、选频开关、差拍器、计数器、中频参考源和计算机。本振源的微波输出端分别与基波混频器的本振端和谐波混频器的本振端微波电缆连接，本振源的倍频端与毫米波倍频器的输入端微波电缆连接，基波混频器的射频端用作第一输入端，谐波混频器的射频端用作第二输入端，毫米波倍频器的输出端与次谐波混频器的本振端波导连接，次谐波混频器的射频端用作第三输入端，基波混频器的中频端与第一带通滤波器的输入端射频电缆连接，谐波混频器的中频端与第二带通滤波器的输入端射频电缆连接，次谐波混频器的中频端与第三带通滤波器的输入端射频电缆连接，第一带通滤波器的输出端与第一放大器的输入端射频电缆连接，第二带通滤波器的输出端与第二放大器的输入端射频电缆连接，第三带通滤波器的输出端与第三放大器的输入端射频电缆连接，第一放大器的输出端与选频开关的Ku端射频电缆连接，第二放大器的输出端与选频开关的Ka端射频电缆连接，第三放大器的输出端与选频开关的W端射频电缆连接，选频开关的输出端与差拍器的输入端射频电缆连接，差拍器的输出端与计数器的输入端射频电缆连接，中频参考源的输出端与差拍器的本振端射频电缆连接，计数器的输出端与计算机通过串口总线连接，计算机根据计数器采集的频率计算阿仑方差作为频率稳定度的表征。
根据本发明实施例，所述本振源是一台微波频率源，其频率范围为IGHz 40GHz。 所述第一输入端用于输入频率范围为18GHz 40GHz的待测信号，所述第二输入端用于输入频率范围为40GHz IlOGHz的待测信号，所述第三输入端用于输入频率范围为 IlOGHz 300GHz的待测信号。当第一输入端输入待测信号时，本振源的输出信号频率与待测信号频率差的范围是5MHz IGHz ;当第二输入端输入待测信号时，本振源的输出信号频率范围是IGHz IOGHz ;或当第三输入端输入待测信号时，本振源的输出信号频率范围是 17GHz 40GHz。参考图1，工作时，本振源是一台微波频率源，其输出信号的频率范围为IGHz 40GHz,当待测信号的频率范围为18GHz 40GHz，本振源输出的本振信号频率与待测信号频率差的范围是5MHz 1GHz，本振源输出的本振信号和第一待测源输出的待测信号通过第一基波混频器进行基波混频，并经过第一带通滤波器滤除基频分量与和频分量信号，得到待测信号的频率下变频到中频的频率信号，该中频的频率信号通过第一放大器获得适当的功率输出，选频开关的输出端与Ku端选通，将选通的中频频率信号送入差拍器与中频参考信号进行差拍、滤波和放大，该中频参考信号的频率范围是5MHz 1GHz，差拍器输出差拍信号至计算机控制的计数器进行频率采集，计算出阿仑方差作为频率稳定度的表征。当待测信号的频率范围在40GHz 110GHz，本振源输出的本振信号的频率范围是 IGHz 10GHz，谐波混频器选取本振信号频率的8次谐波与待测信号的频率进行混频，并经过第二带通滤波器滤除其它频率信号，得到待测信号的频率下变频到中频的频率信号，该中频的频率信号通过第二放大器获得适当的功率输出，选频开关的输出端与Ka端选通，将选通的中频频率信号送入差拍器与中频参考信号进行差拍、滤波和放大，该中频参考信号的频率范围是5MHz 1GHz，差拍器输出差拍信号至计算机控制的计数器进行频率采集，计算出阿仑方差作为频率稳定度的表征。当待测信号的频率范围在IlOGHz 300GHz时，本振源输出的本振信号的频率范围是17GHz 40GHz，将本振信号通过毫米波倍频器进行四倍频，次谐波混频器选取该倍频后的本振信号输出频率的2次谐波与待测信号的频率进行混频，并经过第三带通滤波器滤除其它频率信号，得到待测信号的频率下变频到中频的频率信号，该中频的频率信号通过第三放大器获得适当的功率输出，选频开关的输出端与W端选通，将选通的中频频率信号送入差拍器与中频参考信号进行差拍、滤波和放大，该中频参考信号的频率范围是5MHz 1GHz，差拍器输出差拍信号至计算机控制的计数器进行频率采集，计算出阿仑方差作为频率稳定度的表征。应当理解，以上借助本发明的优选实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。 本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明的保护范围仅由随附权利要求书限定。
权利要求
1.一种毫米波和亚毫米波频段频率稳定度测量系统，其特征在于，该系统包括本振源、基波混频器、谐波混频器、次谐波混频器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第三带通滤波器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、选频开关、差拍器、计数器、中频参考源和计算机；本振源的微波输出端分别与基波混频器的本振端和谐波混频器的本振端微波电缆连接，本振源的倍频端与毫米波倍频器的输入端微波电缆连接，基波混频器的射频端用作第一输入端，谐波混频器的射频端用作第二输入端，毫米波倍频器的输出端与次谐波混频器的本振端波导连接，次谐波混频器的射频端用作第三输入端，基波混频器的中频端与第一带通滤波器的输入端射频电缆连接，谐波混频器的中频端与第二带通滤波器的输入端射频电缆连接，次谐波混频器的中频端与第三带通滤波器的输入端射频电缆连接，第一带通滤波器的输出端与第一放大器的输入端射频电缆连接，第二带通滤波器的输出端与第二放大器的输入端射频电缆连接，第三带通滤波器的输出端与第三放大器的输入端射频电缆连接，第一放大器的输出端与选频开关的Ku端射频电缆连接，第二放大器的输出端与选频开关的Ka端射频电缆连接，第三放大器的输出端与选频开关的W端射频电缆连接，选频开关的输出端与差拍器的输入端射频电缆连接，差拍器的输出端与计数器的输入端射频电缆连接，中频参考源的输出端与差拍器的本振端射频电缆连接，计数器的输出端与计算机通过串口总线连接，计算机根据计数器采集的频率计算阿仑方差作为频率稳定度的表征。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述本振源是一台微波频率源，其频率范围为 IGHz 40GHz ο
3.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述第一输入端用于输入频率范围为 18GHz 40GHz的待测信号，所述第二输入端用于输入频率范围为40GHz IlOGHz的待测信号，所述第三输入端用于输入频率范围为IlOGHz 300GHz的待测信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当第一输入端输入待测信号时，本振源的输出信号频率与待测信号频率差的范围是5MHz IGHz ;当第二输入端输入待测信号时，本振源的输出信号频率范围是IGHz IOGHz ;或当第三输入端输入待测信号时，本振源的输出信号频率范围是17GHz 40GHz。
5.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述中频参考源输出的中频参考信号的频率范围是5MHz IGHz。
6.一种毫米波和亚毫米波频段频率稳定度测量方法，其特征在于，该方法包括当待测信号的频率范围为18GHz 40GHz时，将本振信号和待测信号通过第一基波混频器进行基波混频，经过第一带通滤波器滤除基频分量与和频分量信号，得到待测信号的频率下变频到中频的频率信号，该中频的频率信号通过第一放大器获得适当的功率输出， 选频开关的输出端与Ku端选通，将选通的中频的频率信号送入差拍器与中频参考信号进行差拍、滤波和放大，差拍器输出差拍信号至计算机控制的计数器进行频率采集，计算出阿仑方差作为频率稳定度的表征；当待测信号的频率范围为40GHz IlOGHz时，谐波混频器选取本振信号频率的8次谐波与待测信号的频率进行混频，经过第二带通滤波器滤除其它频率信号，得到待测信号的频率下变频到中频的频率信号，该中频的频率信号通过第二放大器获得适当的功率输出， 选频开关的输出端与Ka端选通，将选通的中频的频率信号送入差拍器与中频参考信号进行差拍、滤波和放大，差拍器输出差拍信号至计算机控制的计数器进行频率采集，计算出阿仑方差作为频率稳定度的表征；或当待测信号的频率范围为IlOGHz 300GHz时，将本振信号通过毫米波倍频器进行四倍频，次谐波混频器选取倍频后的本振信号输出频率的2次谐波与待测信号的频率进行混频，经过第三带通滤波器滤除其它频率信号，得到待测信号的频率下变频到中频的频率信号，该中频的频率信号通过第三放大器获得适当的功率输出，将选频开关的输出端与W端选通，将选通的中频的频率信号送入差拍器与中频参考信号进行差拍、滤波和放大，差拍器输出的差拍信号送入计算机控制的计数器进行频率采集，计算出阿仑方差作为频率稳定度的表征。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述本振信号的频率范围为IGHz 40GHz ο
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当待测信号的频率范围为18GHz 40GHz 时，本振信号与待测信号频率差的范围是5MHz IGHz ;当待测信号的频率范围为40GHz IlOGHz时，本振信号的频率范围是IGHz IOGHz ;当待测信号的频率范围为为IlOGHz 300GHz时，本振信号的频率范围是17GHz 40GHz。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述中频参考信号的频率范围是5MHz IGHz。
全文摘要
本发明公开了一种毫米波和亚毫米波频段频率稳定度测量系统，该系统包括本振源、基波混频器、谐波混频器、次谐波混频器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第三带通滤波器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、选频开关、差拍器、计数器、中频参考源和计算机。本发明进一步公开了一种毫米波和亚毫米波频段频率稳定度测量方法。通过本发明，克服了目前频率稳定度测量系统频率范围不足的问题，优点是可以测量毫米波和亚毫米波频段频率源的频率稳定度的测量。
文档编号G01R23/02GK102608417SQ20121005218
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者阎栋梁 申请人:北京无线电计量测试研究所