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基于混频器的微波无损检测系统接收技术研究

作　者: 冯红专
导　师: 许会
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 无损检测技术微波信号接收技术微波电路设计超宽带混频器
分类号: TN773
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

微波信号接收技术作为微波无损检测技术的核心部分,它使后续信号处理技术和微波成像技术成为可能。针对确定钢筋混凝土中钢筋的数量和分布的问题,本课题采取测量反射信号的幅度变化和相位变化,实现测量目的。本文主要围绕基于混频器的微波无损检测接收技术的研究,给出了一个完整的微波接收系统设计过程。设计了两款宽频带高增益微波信号放大器。工作频带在800~4000MHz,增益分别为15dB和20dB。设计了系统本振信号源,输出为2450MHz。为系统的两个混频单元提供相同的本振信号。利用微波频率合成器仿真设计软件ADIsimPLL进行了环路滤波器的参数验证和稳定锁相时间估算。设计了系统的混频器单元,采用分段匹配设计方法,实现了宽频带滤波网络匹配。与低通滤波器电路共同作用,基本满足将2500~4000MHz的RF信号下变频至50~1550MHz。设计了800~2450MHz范围内的两路信号幅度比相位差测量单元,在得到反射信号幅度信息的同时获得相位变化信息。利用ADS的原理图仿真和Layout版图仿真,得到理论上满足要求的微带线窄带功率分配器。分别设计了微带线带通滤波器和微带线低通滤波器。在理论计算和优化仿真基础上,得到滤波器的最终参数。所有电路均制作出实物,利用实验室现有设备,采取间接测量的方法,对微波电路进行了测量。对实验结果进行分析,除微带线带通滤波器不满足设计要求外,其他电路均满足课题的应用要求。与往届系统相比,新的系统接收频率范围为800~4000MHz,提高了测量分辨率,且采取下变频的方式,进行幅度相位分离测量,能够同时获得幅度信息和相位信息。实验结果表明,采取混频器的方式,将高频信号下变频至中低频信号,同步测量反射信号的幅度变化和相位变化,进而获取系统的信息是可行的,证明了本文所采取的方法是正确的。论文对设计过程中应注意的问题进行了说明,并且对课题进一步研究提出了若干建议。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-16
  1.1 微波的简要介绍  11
  1.2 无损检测技术(NDT)  11-14
    1.2.1 微波无损检测技术及特点  12
    1.2.2 微波无损检测技术成像简介  12-13
    1.2.3 国内外的发展现状  13-14
  1.3 课题背景  14-15
  1.4 本文的内容安排及主要工作  15-16
第二章微波成像无损检测系统的硬件设计  16-21
  2.1 基于混频器的工作原理  17-18
  2.2 系统各组成部分功能介绍  18-20
    2.2.1 功率放大单元  18-19
    2.2.2 2450MHz 本振(LO)信号源  19
    2.2.3 超宽带混频器  19
    2.2.4 微带线低通滤波器  19
    2.2.5 幅度比相位差测量单元  19
    2.2.6 多路A/D 转换单元及单片机与上位机接口单元  19-20
  2.3 小结  20-21
第三章微波有源电路部分的设计  21-49
  3.1 微波放大器的设计  21-27
    3.1.1 增益模块ADL5541  22
    3.1.2 增益模块ADL5541 在ADS 中的仿真  22-24
    3.1.3 15dB 增益放大器的设计  24-26
    3.1.4 15dB 增益放大器实际制作  26-27
  3.2 系统本振源的设计  27-32
    3.2.1 锁相环的基本工作原理  27-28
    3.2.2 鉴相器ADF4113 特点及工作原理  28-29
    3.2.3 压控振荡器MAX2750  29-30
    3.2.4 环路滤波器的设计  30-31
    3.2.5 2450MHz 本振信号源  31-32
    3.2.6 2450MHz 本振信号源实物图  32
  3.3 超宽带混频器的设计  32-42
    3.3.1 无源混频器电路  33
    3.3.2 有源混频电路  33-34
    3.3.3 有源混频器ADL5350  34-38
    3.3.4 宽频带电平控制多路开关ADG904 和ADG936  38-41
    3.3.5 RF 端口和IF 端口滤波网络的确定  41-42
    3.3.6 超宽带混频器实物图  42
  3.4 幅度比相位差测量单元的设计  42-48
    3.4.1 幅度比和相位差的测量  42-43
    3.4.2 单芯片硅双极性器件AD8302 介绍  43-44
    3.4.3 AD8302 的工作原理  44
    3.4.4 幅度比和相位测量  44-48
  3.5 小结  48-49
第四章微波无源电路部分的设计  49-63
  4.1 窄带功率分配器的设计  49-56
    4.1.1 微带线功率分配器设计原理  49-51
    4.1.2 3dB 功率分配器设计  51-56
  4.2 微带线滤波器的设计  56-61
    4.2.1 微带线带通滤波器设计方法  56-58
    4.2.2 2400～2500MHz 带通滤波器的设计  58-61
    4.2.3 带通滤波器实物图  61
  4.3 微带线低通滤波器的设计  61-62
  4.4 小结  62-63
第五章上位机控制部分以及系统软件设计  63-67
  5.1 单片机与PC 机接口部分设计  63-65
    5.1.1 TLC2543 串行A/D 转换芯片  63-64
    5.1.2 TLC2543 与单片机的连接  64
    5.1.3 TLC2543 与单片机接口程序  64-65
    5.1.4 单片机与PC 机接口部分实物  65
  5.2 本振源部分软件实现  65
  5.3 上位机虚拟仪器通信与实时显示的软件实现  65-66
  5.4 小结  66-67
第六章实验验证过程以及详细实验结果  67-78
  6.1 微波放大器的实验验证  67-69
    6.1.1 实验步骤  67
    6.1.2 实验结果  67-69
    6.1.3 15dB 增益放大器的调试要点  69
  6.2 系统本振信号源的实验验证  69-70
    6.2.1 实验步骤  69
    6.2.2 本振信号源实测结果  69-70
  6.3 超宽带混频器的实验验证  70-71
    6.3.1 超宽带混频器的实验模型  70-71
    6.3.2 超宽带混频器实验步骤  71
    6.3.3 超宽带混频器的实测结果  71
    6.3.4 超宽带混频器的调试要点  71
  6.4 幅度比相位差测量单元的实验验证  71-74
    6.4.1 实验模型  71
    6.4.2 实验步骤  71-72
    6.4.3 实验结果  72-73
    6.4.4 调试要点  73-74
  6.5 微带线带通滤波器的实验验证  74-76
    6.5.1 实验模型  74
    6.5.2 实验步骤  74
    6.5.3 实验结果  74
    6.5.4 实验结果分析  74-76
  6.6 微带线低通滤波器的实验验证  76-77
    6.6.1 实验模型  76
    6.6.2 实验步骤  76
    6.6.3 试验结果  76-77
  6.7 小结  77-78
第七章结论  78-79
参考文献  79-82
附录  82-86
在学研究成果  86-87
致谢  87

基于混频器的微波无损检测系统接收技术研究

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