专利名称：一种频率幅度相位快速可调型微波发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波发生器的技术领域，具体涉及一种频率幅度相位快速可调型微波发生器，该微波发生器可用于X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪。
背景技术：
脉冲式电子顺磁共振谱仪中，微波发生器用来产生微波信号，激励测试样品中的未成对电子，从而产生顺磁共振信号。随着电子顺磁共振应用领域不断扩展，微波发生器需要满足越来越苛刻的性能指标和功能要求。不仅要求微波的参数有很高的精度，而且要求微波的频率、幅度和相位能够具备纳秒量级的实时精确调制能力。目前商用X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪中的微波发生器缺乏对微波的频率幅度和相位进行实时调制的能力。图1所示为目前国际脉冲式电子顺磁共振谱仪的唯一制造商Bruker公司出品的型号为ELEXSYS E580的商用X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪中的微波产生装置的原理框图。该装置能够产生+X，-X，+Y，-Y四个通道的微波信号，这四个通道微波的幅度和频率相同且可以预设，相位固定，不可更改。同时谱仪包含一个低频段的 ELDOR微波通道，其幅度和相位在预配置时可以做一定调整。谱仪在进行脉冲电子顺磁共振实验时，无法对这些通道的幅度和相位进行实时的调制。ELEXSYS E580谱仪提供MPFU(Microwave Pulse Forming Unit)单元选件。每一个单元包含两个通道，这两个通道均包含衰减器和相移器，可以在预配置阶段设定微波的功率和相位，MPFU单元的存在使谱仪的微波调制能力有所提高，但是仍然远远无法满足前沿科学研究的需求。在某些应用场合，需要产生参数实时变化的微波波形时(比如高斯波)， ELEXSYS E580谱仪无法胜任。与此同时，现有的可以产生微波的产品大都不具有纳秒量级的快速频率、幅度和相位调制能力，而具有此能力的装置(如任意波发生器)则往往无法直接产生X波段的微波信号。而能产生X波段频率幅度相位任意调制的微波的装置(如矢量发生器)，则往往售价昂贵且体积庞大，难以集成到X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪系统中。
发明内容
本发明的目的是要解决现有的X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪中的微波发生器所缺乏的对所产生微波的频率、幅度和相位进行纳秒级快速精确调制的能力，本发明提供一种频率幅度相位快速可调型微波发生器，该微波发生器可用于χ波段脉冲式电子顺磁共振谱仪。本发明提供的技术方案为一种频率幅度相位快速可调型微波发生器，该微波发生器可应用于X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪中，其能够产生频率、幅度、相位可快速精确调制的X波段微波信号，该微波发生器包括控制模块和频率搬移模块，其中，控制模块，其包括单片机、可编程逻辑器件和对外高速接口 ；该控制模块控制直接数字频率合成器或者任意波形发生器，使其产生频率、幅度、相位可快速精确调制的低频基带信号；频率搬移模块，其将上述低频基带信号搬移到了 X波段，从而实现了产生频率幅度相位纳秒级实时精确可调的X波段微波的功能。进一步的，所述控制模块具有两种配置模式通过串口进行的预配置模式和通过并行口进行的实时配置模式。进一步的，当所述的控制模块处于串行预配置模式时，又具有三种子模式a)单频模式在该模式下，用户通过串口将选定的频率，幅度和初始相位预先提供给直接数字频率合成器，然后通过串口在八组参数中进行慢速的选择，也可以通过对外高速接口进行高速的切换，其中，切换的频率可达250MHz，即频率幅度相位切换速度达到纳秒量级；b)数字斜坡模式在该模式下直接数字频率合成器可以输出频率或是幅度或是相位连续线性变化的波形；在输出前，可以通过串口对线性变化的速度和范围进行设定；在输出过程中，可以通过外部触发改为反向线性变化或是暂停；外部触发在我们的设计中可以通过串口或对外高速接口实现，使用对外高速接口时触发频率可以达到250MHz甚至是IGHz ；c)任意波形模式在该模式下，用户可以通过串口将预配置的最多八个任意波形序列写入DDS的 RAM中，并将对应的其他参数写入参数寄存器中，并通过外部高速接口实现播放控制；外部播放控制包括启动与停止以及八个任意波形序列之间的切换，其频率同样可以达到 250MHz。进一步的，所述频率搬移模块使用直接数字频率合成芯片作为生成低频段基带信号的波源；所述频率搬移模块的实现方式为，将本振源的稳定载波信号，与DDS输出的基带信号在混频器中进行混频，则基带信号的频率幅度和相位信息将会加载到载波信号上，成为混频器的输出；为了滤除不必要的谐波成分，混频后的输出通过一个具有线性相位特性的带通滤波器，然后得到频率范围为X波段的频率、幅度、相位可随基带信号快速变化的微波信号；通过这种方式，将低频段的频率幅度相位实时精确可调的基带信号搬移到了所需要的X波段，从而可以通过调制基带信号获得所需要的X波段微波信号。进一步的，所述频率搬移模块使用了两级频率搬移模块，增加了输出的灵活性。本发明与现有技术相比优点在于1、本发明具备对输出微波进行频率、幅度和相位的纳秒级快速精确调制能力，能产生用户预先制定甚至是实时制定的特殊波形(高斯波，锯齿波，方波甚至任意波形)，极大的提升了微波发生器的能力。2、本发明通过频率搬移技术，将低波段的基带调制信号几乎不失真的加载到了 X 波段上。上述两点相结合，本发明实现了 X波段的频率幅度相位快速精确可调型微波发生
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图1所示为目前国际脉冲式电子顺磁共振谱仪的唯一制造商Bruker公司出品的型号为ELEXSYS E580的商用X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪中的微波产生装置的原理框图；图2为本发明的结构框图；图3为本方法的一个实施例；图4为本方法的另一实施例；图5为本发明实现的一种基带为高斯波形的微波信号输出；图6所示为两级频率搬移模块的实施例所产生的频率为9. 7GHz的微波的频谱；图7所示为两级频率搬移模块的实施例所产生的频率为9. 7GHz的微波的相噪图。
具体实施例方式本发明的结构框图如图2所示，单片机(MCU)、可编程逻辑器件(CPLD)和对外高速接口组成控制模块。控制模块控制直接数字频率合成器(DDQ或是任意波形发生器(AWG)， 使其产生频率、幅度、相位可快速精确调制的低频基带信号，将其提供给微波频率搬移模块，将其搬移到了 X波段，从而实现了产生频率幅度相位纳秒级实时精确可调的X波段微波的功能。1、控制模块控制模块由单片机(MCU)、可编程逻辑器件(CPLD)和对外高速接口构成。控制模块用于操控任意波形产生器(AWG)或是直接数字频率合成器(DDS)，控制低频基带信号的产生以及与外部的通讯和同步。为了提高配置的自由度，本发明中任意波形产生器由一片直接数字频率合成器 (DDS)芯片代替。本实施例中，控制模块具有两种配置模式通过串口进行的预配置模式和通过并行口进行的实时配置模式。(1)、串行预配置模式在串行模式下，用户通过RS232串口，发送符合IEEE 488. 2协议的标准指令给控制模块，控制模块的MCU将利用预先配置的解码程序对其进行解析，并将解析的结果发送给CPLD。CPLD根据解析结果更改内部逻辑，从而修改输出引脚的电平，完成对DDS的配置以及对控制模块中对外高速接口，如外部触发口(Trig 口)，外部模式切换口(ftx)file[2:0] 口)等的选择性启用或是禁用。当控制模块处于串行预配置模式时，又具有三种子模式a) Single Tone 模式(单频模式)在该模式下，用户通过串口将选定的频率，幅度和初始相位预先提供给DDS (最多可以提供八组参数，分别对应八组频率幅度和相位)。然后通过串口在八组参数中进行慢速的选择，也可以通过对外高速接口进行高速的切换(切换的频率可达250MHz，即频率幅度相位切换速度达到纳秒量级)。b) DRG模式(数字斜坡模式)在该模式下DDS可以输出频率或是幅度或是相位连续线性变化的波形。在输出前，可以通过串口对线性变化的速度和范围进行设定；在输出过程中，可以通过外部触发改为反向线性变化或是暂停。外部触发在我们的设计中可以通过串口或对外高速接口实现， 使用对外高速接口时触发频率可以达到250MHz甚至是IGHz。
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c) RAM模式(任意波形模式)在该模式下，用户可以通过串口将预配置的多个(最多八个)任意波形序列(可以是频率任意变化的序列，幅度任意变化的序列，相位任意变化的序列以及幅度相位同时任意变化的序列)写入DDS的RAM中，并将对应的其他参数写入参数寄存器中，并通过外部高速接口实现播放控制。外部播放控制包括启动与停止以及八个任意波形序列之间的切换，其频率同样可以达到250MHz。图5所示为DDS处于RAM工作模式时产生的基带为高斯波形的微波信号的时域图，其实现是通过将一组按高斯形变化的幅度值预先写入RAM中再依序播放完成的。O)、并行实时配置模式当DDS处于并行工作模式时，用户可以通过高速并行接口将16位的数据位 D[15:0]和2位的选择位F[1:0]实时发送给DDS (传送频率最高可达250MHz)，并由DDS实时地将传入的参数转化为对应的微波输出。F[1:0]的值决定D[15:0]的含义，即频率，幅度，相位和极性(相位和幅度)模式，由此可实现输出微波的频率、幅度、相位和极性的实时调制，且不存在输出总长度的限制。因而在此模式下，本发明能实现比串口预配置模式下更为灵活的微波调制功能。2、频率搬移模块X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪所需的微波频率在X波段，通常为9GHz 10GHz， 一般现有的任意波形产生器(AWG)或直接数字频率合成器(DDS)的输出频率较低，不能满足需求。本发明采用频率搬移模块将AWG或DDS产生的微波频率搬移到9GHz 10GHz。图3为上述频率搬移模块的一个实施例，该实施例使用直接数字频率合成芯片 (即DDS芯片)作为生成低频段基带信号的波源，其输出频率范围为0 400MHz。该实施例中频率搬移模块的实现方式为，将本振源(LO)的稳定载波信号(频率范围9GHz IOGHz) 与DDS输出的基带信号在混频器中进行混频，则基带信号的频率幅度和相位信息将会加载到载波信号上，成为混频器的输出。为了滤除不必要的谐波成分，混频后的输出通过一个具有线性相位特性的带通滤波器(BPF，通带范围是9GHz IOGHz)，得到频率范围为9GHz IOGHz的频率、幅度、相位可随基带信号快速变化的微波信号。通过这种方式，我们将低频段的频率幅度相位实时精确可调的基带信号搬移到了我们所需要的X波段，从而可以通过调制基带信号获得我们所需要的X波段微波信号。图4为上述频率搬移模块的另一实施例，该实施例中使用了两级频率搬移模块， 增加了输出的灵活性。图6和图7所示为该两级频率搬移模块的实施例所产生的频率为 9. 7GHz的微波的频谱和相噪图。图5为DDS处于RAM工作模式时产生的基带为高斯波形的微波信号的时域图.与上述实施例类似的，采用多个频率搬移模块任意组合的连接方式都可以看作该频率搬移模块的应用。表1列出了图4所示实施例中产生的微波所能达到的性能指标
权利要求
1.一种频率幅度相位快速可调型微波发生器，该微波发生器可应用于X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪中，其能够产生频率、幅度、相位可快速精确调制的X波段微波信号，该微波发生器包括控制模块和频率搬移模块，其特征在于其中，控制模块，其包括单片机、可编程逻辑器件和对外高速接口 ；该控制模块控制直接数字频率合成器或者任意波形发生器，使其产生频率、幅度、相位可快速精确调制的低频基带信号；频率搬移模块，其将上述低频基带信号搬移到了 X波段，从而实现了产生频率幅度相位纳秒级实时精确可调的X波段微波的功能。
2.根据权利要求1所述的一种频率幅度相位快速可调型微波发生器，其特征在于所述控制模块具有两种配置模式通过串口进行的预配置模式和通过并行口进行的实时配置模式。
3.根据权利要求2所述的一种频率幅度相位快速可调型微波发生器，其特征在于当所述的控制模块处于串行预配置模式时，又具有三种子模式a)单频模式在该模式下，用户通过串口将选定的频率，幅度和初始相位预先提供给直接数字频率合成器，然后通过串口在八组参数中进行慢速的选择，也可以通过对外高速接口进行高速的切换，其中，切换的频率可达250MHz，即频率幅度相位切换速度达到纳秒量级；b)数字斜坡模式在该模式下直接数字频率合成器可以输出频率或是幅度或是相位连续线性变化的波形；在输出前，可以通过串口对线性变化的速度和范围进行设定；在输出过程中，可以通过外部触发改为反向线性变化或是暂停；外部触发在我们的设计中可以通过串口或对外高速接口实现，使用对外高速接口时触发频率可以达到250MHz甚至是IGHz ；c)任意波形模式在该模式下，用户可以通过串口将预配置的最多八个任意波形序列写入DDS的RAM中， 并将对应的其他参数写入参数寄存器中，并通过外部高速接口实现播放控制；外部播放控制包括启动与停止以及八个任意波形序列之间的切换，其频率同样可以达到250MHz。
4.根据权利要求1所述的一种频率幅度相位快速可调型微波发生器，其特征在于所述频率搬移模块使用直接数字频率合成芯片作为生成低频段基带信号的波源；所述频率搬移模块的实现方式为，将本振源的稳定载波信号，与DDS输出的基带信号在混频器中进行混频，则基带信号的频率幅度和相位信息将会加载到载波信号上，成为混频器的输出；为了滤除不必要的谐波成分，混频后的输出通过一个具有线性相位特性的带通滤波器，然后得到频率范围为X波段的频率、幅度、相位可随基带信号快速变化的微波信号；通过这种方式，将低频段的频率幅度相位实时精确可调的基带信号搬移到了所需要的X波段，从而可以通过调制基带信号获得所需要的X波段微波信号。
5.根据权利要求1所述的一种频率幅度相位快速可调型微波发生器，其特征在于所述频率搬移模块使用了两级频率搬移模块，增加了输出的灵活性。
全文摘要
本发明提供一种频率幅度相位快速可调型微波发生器，该微波发生器可应用于X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪中，其能够产生频率、幅度、相位可快速精确调制的X波段微波信号，其中，单片机、可编程逻辑器件和对外高速接口组成控制模块；控制模块控制直接数字频率合成器或者任意波形发生器，使其产生频率、幅度、相位可快速精确调制的低频基带信号，将其提供给微波频率搬移模块，将其搬移到了X波段，从而实现了产生频率幅度相位纳秒级实时精确可调的X波段微波的功能。
文档编号G01R33/36GK102508180SQ201110328398
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者徐南阳, 徐挽杰, 杜江峰, 王梓翔, 荣星 申请人:中国科学技术大学