高品质电子束是太赫兹自由电子激光装置获得高质量的太赫兹辐射信号的关键因素之一,而微波功率源的稳定性对电子束团的品质参数有重要影响,很多加速器装置都引入了高频低电平控制系统来保障加速电场幅值和相位的稳定。前端模块作为高频低电平控制系统的信号预处理和信号生成模块,它预处理信号的能力和生成信号的质量将直接影响控制系统的工作情况。华中科技大学正在研究高频低电平控制系统,用于改进现有的太赫兹自由电子激光装置微波功率系统的稳定性。本论文重点研究高频低电平控制系统的前端模块。高频低电平控制系统对同步性要求高,前端模块需要产生高精度且具有相干性的中频信号、时钟信号、工作信号和本振信号。本文采用相干直接模拟式信号合成法,四路信号分别由各自的合成单元产生,只使用一个参考信号源,采用二级串联结构实现相干信号输出。基于初始的研制框架和器件选型,搭建了前端模块信号合成仿真模型,分析了谐波和相位噪声对信号造成的干扰,并且量化了相位噪声干扰。结合初始方案和噪声分析,利用滤波器优化了信号输出质量,使信号能达到系统指标,仿真结果验证了设计方案的合理性和可行性。针对优化方案中应用于工作单元的2.8GHz带通滤波器,完成了腔体带通滤波器物理结构的设计。选用梳状六腔体滤波器,结合理论计算,完成了单腔谐振器、金属探针、双腔耦合结构、全波六腔体建模仿真,优化了整体物理结构,确定了尺寸参数。测试了加工出来的实物滤波器,它的S曲线和频谱测试表明这款滤波器具有窄带通和高抑制度的性能,能够在工作单元发挥抑制谐波的作用。基于优化的前端模块信号合成整体方案,对方案中使用的频率变换器件进行了对比选型。设计了装置空间布局,并将器件层和电源层集成安装至机箱内部,完成了前端装置搭建。测试了前端装置的性能参数,输出信号都能满足低噪声、高稳定度和相干性的要求。同时对前端装置进行了长期稳定性工作测试。所研制的前端装置嵌入高频低电平控制系统之后,能够配合控制系统实现加速场的稳定性控制,改进了微波功率系统的稳定性。