CN103391096B - 基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的方法和系统。包括数字控制电路，锁相环频率合成电路，倍频滤波电路，功率放大回路，雪崩管高次倍频结构，功率合成模块。通过数字控制电路调控4个锁相环频率合成电路，产生频率准确、相位可调的4路信号，再经过倍频滤波电路和功率放大回路变为满足要求的激励信号，经由雪崩管高次倍频达到预期的太赫兹波频率，通过调节4路激励信号相位使得4路太赫兹波信号达到相位同步，相位同步的4路太赫兹波通过功率合成模块进行功率合成，从而达成提高太赫兹波功率的目标。

Description

基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波的方法和系统，尤其是涉及一种相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的方法和系统。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，位于太赫兹波两侧的微波毫米波和红外辐射发展很成熟，并已有广泛的应用。在电磁波频谱中太赫兹占有很特殊的位置。太赫兹波不仅是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，被称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THzgap)”。太赫兹科学技术是近20多年来新兴的技术，尽管人类在THz的研究和认识方面已经取得了很大的进展，THz技术不但在基础科学中有重要的研究意义，还能广泛被应用到安全检查、医疗诊断以及化学合成当中。然而长期以来太赫兹波源的问题却一直未得到很好的解决，设计出高效率高功率的太赫兹辐射源在太赫兹领域当中有极高的地位。

在信号的功率合成中，两个输入功率信号存在相位差时，会对合成功率产生较大的影响。在最差的情况下，当两个同振幅的功率信号相位差为180°时，最终的合成功率为0，所以相位同步在整个系统中是非常重要的。

发明内容

为了克服背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的方法和系统。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的方法：

计算机通过USB端口对接数字控制回路，对四个锁相环频率合成电路进行调制，达到对频率的精确控制以及对输出相位的修正，锁相环合成的频率信号经过倍频滤波形成相位稳定的激励信号，再通过雪崩管高次倍频达到太赫兹波段，经过修正激励信号相位达到四路高次倍频后的太赫兹波的相位同步，提高最后功率合成的效率，从而提高输出的太赫兹波的功率。

二、一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的系统：

本发明包括数字控制电路，四个相同的单路模块和功率合成模块；数字控制电路的一端通过USB端口与计算机连接，数字控制电路的另一端分别经四个相同的单路模块后，分别与功率合成模块连接。

所述的四个相同的单路模块均包括：锁相环频率合成电路、倍频滤波电路、功率放大回路和渡越时间雪崩二极管的高次连续倍频结构；数字控制电路输出信号分别经每路锁相环频率合成电路、每路倍频滤波电路、每路功率放大回路和每路雪崩管高次倍频结构后，最后通过功率合成模块连接。

所述的数字控制电路包括串并转换芯片FT232RL、单片机Atmega88、复杂逻辑可编程器件XC95144和晶振TCXO；计算机输出的控制信号依次通过USB端口、FT232RL、Atmega88输出到XC95144的输入口，TCXO的频率信号直接输出给XC95144，最后由XC95144输出控制信号给4个单路模块的锁相环频率合成电路。

所述的锁相环频率合成电路是围绕锁相环芯片ADF4350搭建的电路，数字控制电路输入参考频率信号和控制信号到ADF4350相应的端口，芯片输出频率信号到倍频滤波电路。

所述的倍频滤波电路，锁相环频率合成电路产生的信号依次通过芯片LFCN-3800+、ADL5602、KSX2-14+、HFCN-7150+、LFCN-8400+输出信号到功率放大回路。

所述的功率放大回路，倍频滤波电路产生的信号依次通过围绕两块串联的HMC407MS8G芯片和FMM5057芯片搭建的电路，最后输出到雪崩管高次倍频结构。

雪崩管高次倍频结构，功率放大回路输出的信号以及外部电压电流偏置通过同轴线馈到渡越时间雪崩二极管，雪崩二极管输出的太赫兹信号通过波导腔耦合到功率合成模块。

本发明具有的有益效果是：

本发明和传统的雪崩管高次倍频太赫兹合路技术相比，在于通过数字控制电路对锁相环频率合成电路输出信号的实现相位控制，通过对4路激励信号的修正，雪崩管高次倍频结构输出的4路太赫兹信号在相位上达到同步，这能提高功率合成的效率，从而达到获得高功率太赫兹波的目的。

附图说明

图1是整个系统的原理框图。

图2是锁相环频率合成电路原理图。

图3是数字控制电路总原理图。

图4是MCU程序流程图。

图5是倍频滤波电路原理图。

图6是功率放大电路原理图。

图7是单路雪崩管高次倍频结构简图。

图8是功率合成模块简图。

图中：1、数字控制电路，2、单路模块，3、单路模块，4、单路模块，5、单路模块，6、功率合成模块，7、锁相环频率合成电路，8、倍频滤波电路，9、功率放大回路，10、雪崩管高次倍频结构，11、同轴线，12、吸波结构，13、散热基座，14、波导腔，15、调谐滑块，16、圆柱波导腔，17、外部合路谐振腔，18、矩形波导。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括数字控制电路1、单路模块2、单路模块3、单路模块4、单路模块5（其中单路模块包括锁相环频率合成电路7、倍频滤波电路8、功率放大回路9、雪崩管高次倍频结构10）、功率合成模块6；计算机通过上位机软件对接数字控制电路1从而能够有效控制4个单路模块的锁相环频率合成电路7，合成的4路信号通过倍频滤波电路8和功率放大回路9达到激励源要求，经过雪崩管高次倍频结构10输出4路太赫兹波，最后由功率合成模块6对多路信号进行功率合成，从而达到提高太赫兹波的功率。

如图2所示，锁相环频率合成电路，一共由4块完全相同的锁相芯片ADF4350搭建而成。ADF4350的输出相位控制功能主要是通过分频器中的Sigma-Delta调制器（SD调制器）来实现。通过对芯片中寄存器中的相位控制字进行编程，调整SD调制器，可以使ADF4350的射频输出实现相位控制功能。对于从数字控制回路写入的控制字，每写完一个寄存器的数据，都需要通过LE信号的上升沿来实现数据从缓存器到寄存器的转移，要实现射频输出信号的相位修正同步，则需要所有锁相环芯片的参考信号和数据写入控制信号LE保持一致。参考信号通过ADF4350后得到3.67GHz的射频信号。

如图3所示，数字控制电路，包括MCU和CPLD，其中MCU部分是沟通计算机和锁相环频率合成电路的桥梁，其主要由一块USB转换芯片FT232RL和一片Atmega88。如图4所示，MCU在上电后会初始化各个寄存器，FT232RL将计算机给USB总线上的指令数据转换为串口信号，然后发送给单片机，单片机根据收到的命令代码判断是否对锁相环内的数据进行修改。当需要修改各锁相环的设置时，MCU会先从上位机接收4×24个字节的数据。这些数据被存在一个二维数组data[4][24]中。其第一维度用于区分数据是写入哪个锁相环芯片的，而第二维度用于区分每个锁相环芯片需写入的24个字节。之后MCU会按顺序依次将第一个字节的数据写入每个锁相环所对应的缓冲器，之后再控制六个缓冲器同时向各自的锁相环芯片内写入数据。CPLD部分是实现锁相环控制的核心电路，其输出要满足上述的锁相环芯片时序同步的要求。使用的是XILINX公司的XC95144XL，晶振产生的10MHz的基频信号直接经过CPLD变为4路完全一致的参考信号输出给锁相环芯片。而单片机输出的控制信号同样经过CPLD达到时序上的同步。CPLD最终输出给4个ADF4350芯片相同的控制信号。

如图5所示，倍频滤波电路，锁相环芯频率合成电路输出的信号为3.67GHz，由于锁相环芯片输出存在一定的高次谐波信号需要经过低通滤波器，然后再通过功率放大芯片ADL5602使得信号达到二倍频芯片KSX2-14的输入要求，经过二倍频得到7.34GHz的激励源信号。而倍频芯片的输出存在低次和高次谐波信号，通过两级HFCN-7150+高通滤波器和一级LFCN-8400+低通滤波器，达到满足要求性能的频率信号。

如图6所示，功率放大电路，从倍频滤波电路输出的信号功率在1dBm左右，首先通过两级的驱动级放大器，HMC407MS8G，信号功率可以达到末级功放FMM5057的输入要求，经过功率放大电路，7.34GHz的激励源信号可以达到约800mW。

如图7所示，雪崩管高次倍频结构，激励信号和电流电压偏置通过同轴11输给雪崩二极管，雪崩管管埋在散热基座13上，同轴上方有一段吸波结构12用于提高高次倍频效率，7.34GHz的激励信号经过15次倍频达到所需的110GHz的太赫兹波段的信号，通过波导腔14输出，由于雪崩管的效率受限，输出的功率将小于10mW。

如图8所示，功率合成模块简图，圆柱谐振腔16为雪崩管高次倍频结构，通过对激励源信号在相位上修正，由高次倍频后输出的4路太赫兹信号达到相位同步，通过调节调谐滑块15使得4路信号在外部合路谐振腔17完成功率合成，并通过矩形波导18输出，达到提高太赫兹波功率的目的。

以下具体阐述各个部分的实施方式：

所述的数字控制电路是围绕FT232RL、单片机Atmega88、复杂逻辑可编程器件XC95144和晶振TCXO搭建而成的，其中计算机通过USB端口依次连接到FT232RL和单片机Atmega88，达到对CPLD输出信号的控制，TCXO产生的频率信号通过CPLD变成相同的4路频率信号，CPLD输出端和4路锁相环频率合成电路直接相连，以此达到对输出频率和相位的控制。

所述的锁相环频率合成电路为围绕ADI公司的ADF4350芯片搭建的电路，芯片输出的频率在137.5MHz-4400MHz，具有相位调控的功能，输出信号的频率和相位由数字控制电路输入的信号所控制，输出的信号接倍频滤波电路的低通滤波器LFCN-3800+。

所述的倍频滤波电路通过倍频芯片KSX2-14将ADF4350输出的信号二倍频，再经过相应的高通滤波器HFCN-7150+和低通滤波器LFCN-8400+，得到性能良好7.34GHz的信号。

所述的功率放大回路分为三级，包括两级的驱动放大和末级功率放大，分别围绕HMC407MS8G和FMM5057搭建，输出信号的功率在800mW左右。

所述的雪崩管高次倍频结构为围绕国内研究所的连续波雪崩管搭建的腔体电路，将输入的7.34GHz的信号经过15次倍频，达到110GHz的太赫兹波段。

所述的功率合成模块对4路由雪崩管输出的相位同步的太赫兹功率信号进行合路，从而最终达到提高太赫兹波功率的效果。

Claims (8)

1.一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的方法，其特征在于：计算机通过USB端口对接数字控制电路，对四个锁相环频率合成电路进行调制，达到对频率的精确控制以及对输出相位的修正，锁相环频率合成电路的输出信号经过倍频滤波以及功率放大形成相位稳定的激励信号，激励信号通过渡越时间雪崩二极管高次倍频达到太赫兹频段，经过修正激励信号相位达到四路高次倍频后的太赫兹波的相位同步，提高最后功率合成的效率，从而提高输出的太赫兹波的功率。

2.根据权利要求1所述方法的一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的系统，其特征在于：包括数字控制电路（1），四个相同的单路模块（2、3、4、5）和功率合成模块（6）；数字控制电路（1）的一端通过USB端口与计算机连接，数字控制电路（1）的另一端分别经四个相同的单路模块（2、3、4、5）后，分别与功率合成模块（6）连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的系统，其特征在于：所述的四个相同的单路模块（2、3、4、5）均包括：锁相环频率合成电路（7）、倍频滤波电路（8）、功率放大回路（9）和渡越时间雪崩二极管的高次连续倍频结构（10）；数字控制电路（1）输出的信号依次经每路锁相环频率合成电路（7）、每路倍频滤波电路（8）、每路功率放大回路（9）和每路渡越时间雪崩二极管的高次连续倍频结构（10）后，最后通过功率合成模块（6）连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的系统，其特征在于：所述的数字控制电路包括串并转换芯片FT232RL、单片机Atmega88、复杂逻辑可编程器件XC95144和晶振TCXO；计算机输出的控制信号依次通过USB端口、FT232RL、Atmega88输出到XC95144的输入口，TCXO的频率信号直接输出给XC95144，最后由XC95144输出控制信号给4个单路模块的锁相环频率合成电路（7）。

5.根据权利要求3所述的一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的系统，其特征在于：所述的锁相环频率合成电路（7）是围绕锁相环芯片ADF4350搭建的电路，数字控制电路（1）输入参考频率信号和控制信号到ADF4350相应的端口，芯片输出频率信号到倍频滤波电路（8）。

6.根据权利要求3所述的一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的系统，其特征在于：所述的倍频滤波电路（8），锁相环频率合成电路产生的信号依次通过芯片LFCN-3800+、ADL5602、KSX2-14+、HFCN-7150+、LFCN-8400+输出信号到功率放大回路（9）。

7.根据权利要求3所述的一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的系统，其特征在于：所述的功率放大回路（9），倍频滤波电路（8）产生的信号依次通过围绕两块串联的HMC407MS8G芯片和FMM5057芯片搭建的电路，最后输出到渡越时间雪崩二极管的高次连续倍频结构（10）。

8.根据权利要求3所述的一种基于相位同步用功率合成提高太赫兹波功率的系统，其特征在于：渡越时间雪崩二极管的高次连续倍频结构（10），功率放大回路（9）输出的信号以及外部电压电流偏置通过同轴线馈到渡越时间雪崩二极管，渡越时间雪崩二极管输出的太赫兹信号通过波导腔耦合到功率合成模块（6）。