專利名稱：一種頻率幅度相位快速可調(diào)型微波發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波發(fā)生器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種頻率幅度相位快速可調(diào)型微波發(fā)生器，該微波發(fā)生器可用于X波段脈沖式電子順磁共振譜儀。
背景技術(shù)：
脈沖式電子順磁共振譜儀中，微波發(fā)生器用來產(chǎn)生微波信號(hào)，激勵(lì)測(cè)試樣品中的未成對(duì)電子，從而產(chǎn)生順磁共振信號(hào)。隨著電子順磁共振應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，微波發(fā)生器需要滿足越來越苛刻的性能指標(biāo)和功能要求。不僅要求微波的參數(shù)有很高的精度，而且要求微波的頻率、幅度和相位能夠具備納秒量級(jí)的實(shí)時(shí)精確調(diào)制能力。目前商用X波段脈沖式電子順磁共振譜儀中的微波發(fā)生器缺乏對(duì)微波的頻率幅度和相位進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)制的能力。圖1所示為目前國際脈沖式電子順磁共振譜儀的唯一制造商Bruker公司出品的型號(hào)為ELEXSYS E580的商用X波段脈沖式電子順磁共振譜儀中的微波產(chǎn)生裝置的原理框圖。該裝置能夠產(chǎn)生+X，-X，+Y，-Y四個(gè)通道的微波信號(hào)，這四個(gè)通道微波的幅度和頻率相同且可以預(yù)設(shè)，相位固定，不可更改。同時(shí)譜儀包含一個(gè)低頻段的 ELDOR微波通道，其幅度和相位在預(yù)配置時(shí)可以做一定調(diào)整。譜儀在進(jìn)行脈沖電子順磁共振實(shí)驗(yàn)時(shí)，無法對(duì)這些通道的幅度和相位進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)制。ELEXSYS E580譜儀提供MPFU(Microwave Pulse Forming Unit)單元選件。每一個(gè)單元包含兩個(gè)通道，這兩個(gè)通道均包含衰減器和相移器，可以在預(yù)配置階段設(shè)定微波的功率和相位，MPFU單元的存在使譜儀的微波調(diào)制能力有所提高，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足前沿科學(xué)研究的需求。在某些應(yīng)用場合，需要產(chǎn)生參數(shù)實(shí)時(shí)變化的微波波形時(shí)(比如高斯波)， ELEXSYS E580譜儀無法勝任。與此同時(shí)，現(xiàn)有的可以產(chǎn)生微波的產(chǎn)品大都不具有納秒量級(jí)的快速頻率、幅度和相位調(diào)制能力，而具有此能力的裝置(如任意波發(fā)生器)則往往無法直接產(chǎn)生X波段的微波信號(hào)。而能產(chǎn)生X波段頻率幅度相位任意調(diào)制的微波的裝置(如矢量發(fā)生器)，則往往售價(jià)昂貴且體積龐大，難以集成到X波段脈沖式電子順磁共振譜儀系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有的X波段脈沖式電子順磁共振譜儀中的微波發(fā)生器所缺乏的對(duì)所產(chǎn)生微波的頻率、幅度和相位進(jìn)行納秒級(jí)快速精確調(diào)制的能力，本發(fā)明提供一種頻率幅度相位快速可調(diào)型微波發(fā)生器，該微波發(fā)生器可用于χ波段脈沖式電子順磁共振譜儀。本發(fā)明提供的技術(shù)方案為一種頻率幅度相位快速可調(diào)型微波發(fā)生器，該微波發(fā)生器可應(yīng)用于X波段脈沖式電子順磁共振譜儀中，其能夠產(chǎn)生頻率、幅度、相位可快速精確調(diào)制的X波段微波信號(hào)，該微波發(fā)生器包括控制模塊和頻率搬移模塊，其中，控制模塊，其包括單片機(jī)、可編程邏輯器件和對(duì)外高速接口 ；該控制模塊控制直接數(shù)字頻率合成器或者任意波形發(fā)生器，使其產(chǎn)生頻率、幅度、相位可快速精確調(diào)制的低頻基帶信號(hào)；頻率搬移模塊，其將上述低頻基帶信號(hào)搬移到了 X波段，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生頻率幅度相位納秒級(jí)實(shí)時(shí)精確可調(diào)的X波段微波的功能。進(jìn)一步的，所述控制模塊具有兩種配置模式通過串口進(jìn)行的預(yù)配置模式和通過并行口進(jìn)行的實(shí)時(shí)配置模式。進(jìn)一步的，當(dāng)所述的控制模塊處于串行預(yù)配置模式時(shí)，又具有三種子模式a)單頻模式在該模式下，用戶通過串口將選定的頻率，幅度和初始相位預(yù)先提供給直接數(shù)字頻率合成器，然后通過串口在八組參數(shù)中進(jìn)行慢速的選擇，也可以通過對(duì)外高速接口進(jìn)行高速的切換，其中，切換的頻率可達(dá)250MHz，即頻率幅度相位切換速度達(dá)到納秒量級(jí)；b)數(shù)字斜坡模式在該模式下直接數(shù)字頻率合成器可以輸出頻率或是幅度或是相位連續(xù)線性變化的波形；在輸出前，可以通過串口對(duì)線性變化的速度和范圍進(jìn)行設(shè)定；在輸出過程中，可以通過外部觸發(fā)改為反向線性變化或是暫停；外部觸發(fā)在我們的設(shè)計(jì)中可以通過串口或?qū)ν飧咚俳涌趯?shí)現(xiàn)，使用對(duì)外高速接口時(shí)觸發(fā)頻率可以達(dá)到250MHz甚至是IGHz ；c)任意波形模式在該模式下，用戶可以通過串口將預(yù)配置的最多八個(gè)任意波形序列寫入DDS的 RAM中，并將對(duì)應(yīng)的其他參數(shù)寫入?yún)?shù)寄存器中，并通過外部高速接口實(shí)現(xiàn)播放控制；外部播放控制包括啟動(dòng)與停止以及八個(gè)任意波形序列之間的切換，其頻率同樣可以達(dá)到 250MHz。進(jìn)一步的，所述頻率搬移模塊使用直接數(shù)字頻率合成芯片作為生成低頻段基帶信號(hào)的波源；所述頻率搬移模塊的實(shí)現(xiàn)方式為，將本振源的穩(wěn)定載波信號(hào)，與DDS輸出的基帶信號(hào)在混頻器中進(jìn)行混頻，則基帶信號(hào)的頻率幅度和相位信息將會(huì)加載到載波信號(hào)上，成為混頻器的輸出；為了濾除不必要的諧波成分，混頻后的輸出通過一個(gè)具有線性相位特性的帶通濾波器，然后得到頻率范圍為X波段的頻率、幅度、相位可隨基帶信號(hào)快速變化的微波信號(hào)；通過這種方式，將低頻段的頻率幅度相位實(shí)時(shí)精確可調(diào)的基帶信號(hào)搬移到了所需要的X波段，從而可以通過調(diào)制基帶信號(hào)獲得所需要的X波段微波信號(hào)。進(jìn)一步的，所述頻率搬移模塊使用了兩級(jí)頻率搬移模塊，增加了輸出的靈活性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明具備對(duì)輸出微波進(jìn)行頻率、幅度和相位的納秒級(jí)快速精確調(diào)制能力，能產(chǎn)生用戶預(yù)先制定甚至是實(shí)時(shí)制定的特殊波形(高斯波，鋸齒波，方波甚至任意波形)，極大的提升了微波發(fā)生器的能力。2、本發(fā)明通過頻率搬移技術(shù)，將低波段的基帶調(diào)制信號(hào)幾乎不失真的加載到了 X 波段上。上述兩點(diǎn)相結(jié)合，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了 X波段的頻率幅度相位快速精確可調(diào)型微波發(fā)生
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圖1所示為目前國際脈沖式電子順磁共振譜儀的唯一制造商Bruker公司出品的型號(hào)為ELEXSYS E580的商用X波段脈沖式電子順磁共振譜儀中的微波產(chǎn)生裝置的原理框圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本方法的一個(gè)實(shí)施例；圖4為本方法的另一實(shí)施例；圖5為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的一種基帶為高斯波形的微波信號(hào)輸出；圖6所示為兩級(jí)頻率搬移模塊的實(shí)施例所產(chǎn)生的頻率為9. 7GHz的微波的頻譜；圖7所示為兩級(jí)頻率搬移模塊的實(shí)施例所產(chǎn)生的頻率為9. 7GHz的微波的相噪圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，單片機(jī)(MCU)、可編程邏輯器件(CPLD)和對(duì)外高速接口組成控制模塊。控制模塊控制直接數(shù)字頻率合成器(DDQ或是任意波形發(fā)生器(AWG)， 使其產(chǎn)生頻率、幅度、相位可快速精確調(diào)制的低頻基帶信號(hào)，將其提供給微波頻率搬移模塊，將其搬移到了 X波段，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生頻率幅度相位納秒級(jí)實(shí)時(shí)精確可調(diào)的X波段微波的功能。1、控制模塊控制模塊由單片機(jī)(MCU)、可編程邏輯器件(CPLD)和對(duì)外高速接口構(gòu)成?？刂颇K用于操控任意波形產(chǎn)生器(AWG)或是直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，控制低頻基帶信號(hào)的產(chǎn)生以及與外部的通訊和同步。為了提高配置的自由度，本發(fā)明中任意波形產(chǎn)生器由一片直接數(shù)字頻率合成器 (DDS)芯片代替。本實(shí)施例中，控制模塊具有兩種配置模式通過串口進(jìn)行的預(yù)配置模式和通過并行口進(jìn)行的實(shí)時(shí)配置模式。(1)、串行預(yù)配置模式在串行模式下，用戶通過RS232串口，發(fā)送符合IEEE 488. 2協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)指令給控制模塊，控制模塊的MCU將利用預(yù)先配置的解碼程序?qū)ζ溥M(jìn)行解析，并將解析的結(jié)果發(fā)送給CPLD。CPLD根據(jù)解析結(jié)果更改內(nèi)部邏輯，從而修改輸出引腳的電平，完成對(duì)DDS的配置以及對(duì)控制模塊中對(duì)外高速接口，如外部觸發(fā)口(Trig 口)，外部模式切換口(ftx)file[2:0] 口)等的選擇性啟用或是禁用。當(dāng)控制模塊處于串行預(yù)配置模式時(shí)，又具有三種子模式a) Single Tone 模式(單頻模式)在該模式下，用戶通過串口將選定的頻率，幅度和初始相位預(yù)先提供給DDS (最多可以提供八組參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)八組頻率幅度和相位)。然后通過串口在八組參數(shù)中進(jìn)行慢速的選擇，也可以通過對(duì)外高速接口進(jìn)行高速的切換(切換的頻率可達(dá)250MHz，即頻率幅度相位切換速度達(dá)到納秒量級(jí))。b) DRG模式(數(shù)字斜坡模式)在該模式下DDS可以輸出頻率或是幅度或是相位連續(xù)線性變化的波形。在輸出前，可以通過串口對(duì)線性變化的速度和范圍進(jìn)行設(shè)定；在輸出過程中，可以通過外部觸發(fā)改為反向線性變化或是暫停。外部觸發(fā)在我們的設(shè)計(jì)中可以通過串口或?qū)ν飧咚俳涌趯?shí)現(xiàn)， 使用對(duì)外高速接口時(shí)觸發(fā)頻率可以達(dá)到250MHz甚至是IGHz。
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c) RAM模式(任意波形模式)在該模式下，用戶可以通過串口將預(yù)配置的多個(gè)(最多八個(gè))任意波形序列(可以是頻率任意變化的序列，幅度任意變化的序列，相位任意變化的序列以及幅度相位同時(shí)任意變化的序列)寫入DDS的RAM中，并將對(duì)應(yīng)的其他參數(shù)寫入?yún)?shù)寄存器中，并通過外部高速接口實(shí)現(xiàn)播放控制。外部播放控制包括啟動(dòng)與停止以及八個(gè)任意波形序列之間的切換，其頻率同樣可以達(dá)到250MHz。圖5所示為DDS處于RAM工作模式時(shí)產(chǎn)生的基帶為高斯波形的微波信號(hào)的時(shí)域圖，其實(shí)現(xiàn)是通過將一組按高斯形變化的幅度值預(yù)先寫入RAM中再依序播放完成的。O)、并行實(shí)時(shí)配置模式當(dāng)DDS處于并行工作模式時(shí)，用戶可以通過高速并行接口將16位的數(shù)據(jù)位 D[15:0]和2位的選擇位F[1:0]實(shí)時(shí)發(fā)送給DDS (傳送頻率最高可達(dá)250MHz)，并由DDS實(shí)時(shí)地將傳入的參數(shù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的微波輸出。F[1:0]的值決定D[15:0]的含義，即頻率，幅度，相位和極性(相位和幅度)模式，由此可實(shí)現(xiàn)輸出微波的頻率、幅度、相位和極性的實(shí)時(shí)調(diào)制，且不存在輸出總長度的限制。因而在此模式下，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)比串口預(yù)配置模式下更為靈活的微波調(diào)制功能。2、頻率搬移模塊X波段脈沖式電子順磁共振譜儀所需的微波頻率在X波段，通常為9GHz 10GHz， 一般現(xiàn)有的任意波形產(chǎn)生器(AWG)或直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的輸出頻率較低，不能滿足需求。本發(fā)明采用頻率搬移模塊將AWG或DDS產(chǎn)生的微波頻率搬移到9GHz 10GHz。圖3為上述頻率搬移模塊的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例使用直接數(shù)字頻率合成芯片 (即DDS芯片)作為生成低頻段基帶信號(hào)的波源，其輸出頻率范圍為0 400MHz。該實(shí)施例中頻率搬移模塊的實(shí)現(xiàn)方式為，將本振源(LO)的穩(wěn)定載波信號(hào)(頻率范圍9GHz IOGHz) 與DDS輸出的基帶信號(hào)在混頻器中進(jìn)行混頻，則基帶信號(hào)的頻率幅度和相位信息將會(huì)加載到載波信號(hào)上，成為混頻器的輸出。為了濾除不必要的諧波成分，混頻后的輸出通過一個(gè)具有線性相位特性的帶通濾波器(BPF，通帶范圍是9GHz IOGHz)，得到頻率范圍為9GHz IOGHz的頻率、幅度、相位可隨基帶信號(hào)快速變化的微波信號(hào)。通過這種方式，我們將低頻段的頻率幅度相位實(shí)時(shí)精確可調(diào)的基帶信號(hào)搬移到了我們所需要的X波段，從而可以通過調(diào)制基帶信號(hào)獲得我們所需要的X波段微波信號(hào)。圖4為上述頻率搬移模塊的另一實(shí)施例，該實(shí)施例中使用了兩級(jí)頻率搬移模塊， 增加了輸出的靈活性。圖6和圖7所示為該兩級(jí)頻率搬移模塊的實(shí)施例所產(chǎn)生的頻率為 9. 7GHz的微波的頻譜和相噪圖。圖5為DDS處于RAM工作模式時(shí)產(chǎn)生的基帶為高斯波形的微波信號(hào)的時(shí)域圖.與上述實(shí)施例類似的，采用多個(gè)頻率搬移模塊任意組合的連接方式都可以看作該頻率搬移模塊的應(yīng)用。表1列出了圖4所示實(shí)施例中產(chǎn)生的微波所能達(dá)到的性能指標(biāo)
權(quán)利要求
1.一種頻率幅度相位快速可調(diào)型微波發(fā)生器，該微波發(fā)生器可應(yīng)用于X波段脈沖式電子順磁共振譜儀中，其能夠產(chǎn)生頻率、幅度、相位可快速精確調(diào)制的X波段微波信號(hào)，該微波發(fā)生器包括控制模塊和頻率搬移模塊，其特征在于其中，控制模塊，其包括單片機(jī)、可編程邏輯器件和對(duì)外高速接口 ；該控制模塊控制直接數(shù)字頻率合成器或者任意波形發(fā)生器，使其產(chǎn)生頻率、幅度、相位可快速精確調(diào)制的低頻基帶信號(hào)；頻率搬移模塊，其將上述低頻基帶信號(hào)搬移到了 X波段，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生頻率幅度相位納秒級(jí)實(shí)時(shí)精確可調(diào)的X波段微波的功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率幅度相位快速可調(diào)型微波發(fā)生器，其特征在于所述控制模塊具有兩種配置模式通過串口進(jìn)行的預(yù)配置模式和通過并行口進(jìn)行的實(shí)時(shí)配置模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種頻率幅度相位快速可調(diào)型微波發(fā)生器，其特征在于當(dāng)所述的控制模塊處于串行預(yù)配置模式時(shí)，又具有三種子模式a)單頻模式在該模式下，用戶通過串口將選定的頻率，幅度和初始相位預(yù)先提供給直接數(shù)字頻率合成器，然后通過串口在八組參數(shù)中進(jìn)行慢速的選擇，也可以通過對(duì)外高速接口進(jìn)行高速的切換，其中，切換的頻率可達(dá)250MHz，即頻率幅度相位切換速度達(dá)到納秒量級(jí)；b)數(shù)字斜坡模式在該模式下直接數(shù)字頻率合成器可以輸出頻率或是幅度或是相位連續(xù)線性變化的波形；在輸出前，可以通過串口對(duì)線性變化的速度和范圍進(jìn)行設(shè)定；在輸出過程中，可以通過外部觸發(fā)改為反向線性變化或是暫停；外部觸發(fā)在我們的設(shè)計(jì)中可以通過串口或?qū)ν飧咚俳涌趯?shí)現(xiàn)，使用對(duì)外高速接口時(shí)觸發(fā)頻率可以達(dá)到250MHz甚至是IGHz ；c)任意波形模式在該模式下，用戶可以通過串口將預(yù)配置的最多八個(gè)任意波形序列寫入DDS的RAM中， 并將對(duì)應(yīng)的其他參數(shù)寫入?yún)?shù)寄存器中，并通過外部高速接口實(shí)現(xiàn)播放控制；外部播放控制包括啟動(dòng)與停止以及八個(gè)任意波形序列之間的切換，其頻率同樣可以達(dá)到250MHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率幅度相位快速可調(diào)型微波發(fā)生器，其特征在于所述頻率搬移模塊使用直接數(shù)字頻率合成芯片作為生成低頻段基帶信號(hào)的波源；所述頻率搬移模塊的實(shí)現(xiàn)方式為，將本振源的穩(wěn)定載波信號(hào)，與DDS輸出的基帶信號(hào)在混頻器中進(jìn)行混頻，則基帶信號(hào)的頻率幅度和相位信息將會(huì)加載到載波信號(hào)上，成為混頻器的輸出；為了濾除不必要的諧波成分，混頻后的輸出通過一個(gè)具有線性相位特性的帶通濾波器，然后得到頻率范圍為X波段的頻率、幅度、相位可隨基帶信號(hào)快速變化的微波信號(hào)；通過這種方式，將低頻段的頻率幅度相位實(shí)時(shí)精確可調(diào)的基帶信號(hào)搬移到了所需要的X波段，從而可以通過調(diào)制基帶信號(hào)獲得所需要的X波段微波信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率幅度相位快速可調(diào)型微波發(fā)生器，其特征在于所述頻率搬移模塊使用了兩級(jí)頻率搬移模塊，增加了輸出的靈活性。
全文摘要
本發(fā)明提供一種頻率幅度相位快速可調(diào)型微波發(fā)生器，該微波發(fā)生器可應(yīng)用于X波段脈沖式電子順磁共振譜儀中，其能夠產(chǎn)生頻率、幅度、相位可快速精確調(diào)制的X波段微波信號(hào)，其中，單片機(jī)、可編程邏輯器件和對(duì)外高速接口組成控制模塊；控制模塊控制直接數(shù)字頻率合成器或者任意波形發(fā)生器，使其產(chǎn)生頻率、幅度、相位可快速精確調(diào)制的低頻基帶信號(hào)，將其提供給微波頻率搬移模塊，將其搬移到了X波段，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生頻率幅度相位納秒級(jí)實(shí)時(shí)精確可調(diào)的X波段微波的功能。
文檔編號(hào)G01R33/36GK102508180SQ201110328398
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者徐南陽, 徐挽杰, 杜江峰, 王梓翔, 榮星 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)