CN111880013A - 消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法及系统，待测混频器与至少两个参考混频器两两分组；每个分组中，第一混频器的中频端口输入预设频率和预设功率的信号，经过上变频后输出到第二混频器后进行下变频，获得与预设频率同频的输出功率，得到第一输出功率和第一预设功率与两个混频器损耗的关系；根据各个分组中的混频器损耗与功率的关系，得到待测混频器的损耗；本公开完全排除了射频源的影响，主要通过混频器自身的变频性能完成中频信号的功率精确测试，即可满足太赫兹频段混频器精确测试的要求，同时对测试环境和测试条件要求较低。

Description

消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法及系统

技术领域

本公开涉及太赫兹混频器变频损耗测试技术领域，特别涉及一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

太赫兹波(Terahertz，THz)主要是指工作频率位于0.1THz与10THz(波长从30μm延伸到3mm)之间的电磁波；其频段恰好为微波与红外之间的电磁间隙，简称“太赫兹间隙(THzGap)”，是人类迄今为止了解最少、开发最少的一个波段。由于太赫兹波位于微波与红外之间，使其集成了两者的许多优点，同时还表现出许多独有的特性，诸如高带宽、强穿透性、携带信息丰富、低光子能量、高时空相干性、高安全性等，这些特性也使其在国防、国土安全、天文、医疗、生命科学、通信等领域，有着很高的科学价值及巨大的应用价值。太赫兹混频器是太赫兹测试仪器接收前端中核心组件，其主要功能是将频率比较高的太赫兹信号变换成低频微波信号，完成太赫兹信号的接收，其在太赫兹雷达、安检成像、气象遥感、测试仪器等有着广泛的应用。众多的科研工作者针对太赫兹混频器展开了众多的技术研究，也取得了丰硕的成果。太赫兹混频器变频损耗的测试是混频器性能表征的重要技术指标之一，如何对其准确测试，也成为了太赫兹混频器研制过程中的重要瓶颈技术之一。

本公开发明人发现，目前常用太赫兹混频器测试方案主要有两种技术途径，分别如图1和图2所示。

图1是微波、毫米波混频器变频损耗测试方案向太赫兹频段的扩展。该技术方案利用混频器的频率特性，通过在射频端口增加一个太赫兹射频源(功率P_RF)与混频器的本振端口的本振源进行混频，产生低频率的中频信号，通过频谱仪对中频信号的测试(功率P_IF)，即可完成太赫兹混频器变频损耗(CL)的测试。

其主要的工作原理是微波信号源105提供微波、毫米波频段的信号，经倍频放大级联链路产生太赫兹频段的信号(该信号的产生亦可采用其它技术路线)，该太赫兹信号经过测试通道驻波匹配单元150，通常为定向耦合器或隔离器等，最终产生的太赫兹信号馈至太赫兹混频器135的射频端，此时馈入的太赫兹信号的功率可通过太赫兹功率计进行标定记为P_RF，与135太赫兹混频器本振端口馈至的本振信号(图1所示为本振倍频激励产生的本振信号，亦可采用其它信号产生方式)，进行下混频，下混频的中频信号通过频谱分析仪或功率计进行测试，此时测得的下变频的中频信号频率标记为P_IF，太赫兹混频器的变频损耗记为CL，CL＝P_RF-P_IF。

从上述描述上，不难发现该测试方案需要一个射频源，同时能对射频源进行精确的功率定标，而目前没有太赫兹的功率标准，无法进行功率的精确定标。因此，源的不确定性将会引入进了太赫兹混频器的变频损耗的测试值中；其次对于宽带的太赫兹混频器变频损耗的测试，太赫兹源的影响将变的更为严重，主要的原因是，宽带的太赫兹源的带内杂散抑止较差，源的不确定度不仅包含了功率测试的不确定性也引入了信号质量恶化带来的不确定性；另外如果缺少太赫兹源混频器就无法进行测试，对混频器的研制提出了更高的开发条件；综上所述，传统的太赫兹混频器变频损耗的测试，受到频段升高的影响对太赫兹源提出了较高的要求，不仅无法进行混频器变频损耗的精准测试，同时对开发平台也提出了较高的要求，这对太赫兹混频器(特别是宽带太赫兹混频器)的研制和应用产生了深远的影响。

图2所示的测试方法是基于Y因子的测试方法，该方法是开放式空间测试方法。具体的工作原理是：负载210分别在常温(通常296K)和低温(通常80K)两个状态下，辐射的热噪声通过天线230接收反馈至太赫兹混频器215的射频端口，与本振倍频放大链路220产生的本振信号(亦可采用其它信号产生的方式)进行混频，混频后的中频信号经衰减、放大和滤波链路225后，经功率计205测试出两个状态下的中频功率分别是P_hot和P_cold。

Y因子的表达式为：

接收机的等效噪声温度：

接收机的等效噪声温度表达式为：

混频器的变频损耗：

CL＝-10log₁₀(G_Mix) (4)

根据表达式(3)可以看出，有混频器噪声温度T_Mix和变频增益G_Mix两个未知量，通过两个中频链路不同的状态，构建两个方程(5)和(6)，通过求解(5)和(6)就可以求解出T_Mix和G_Mix，进而得到混频器的变频损耗CL：

通过求解公式(5)和公式(6)两个方程，得到混频器的变频损耗和噪声温度；该方法能是基于噪声的太赫兹混频器变频损耗和噪声温度的测试方法，该测试方法的优点是可以同时的测试变频损耗和噪声温度，不足就是测试需要低温的测试条件，同时空间开放的测试条件，对测试的要求和环境要求高。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法及系统，完全排除了射频源的影响，通过混频器自身的变频性能完成中频信号的功率精确测试，即可满足太赫兹频段混频器精确测试的要求，对测试环境和测试条件要求较低。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法。

一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，包括以下步骤：

待测混频器与至少两个参考混频器两两分组；

每个分组中，第一混频器的中频端口输入预设频率和预设功率的信号，经过上变频后输出到第二混频器后进行下变频，获得与预设频率同频的输出功率，得到第一输出功率和第一预设功率与两个混频器损耗的关系；

根据各个分组中的混频器损耗与功率的关系，得到待测混频器的损耗。

本公开第二方面提供了一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试系统。

一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试系统，包括待测混频器和至少两个参考混频器；

各个混频器两两分组，每个分组中，第一混频器的中频端口输入预设频率和预设功率的信号；

经过第一混频器上变频后的信号通过定向耦合器输出到第二混频器的射频端口，第二混频器进行下变频后获得与预设频率同频的输出功率，得到第一输出功率和第一预设功率与两个混频器损耗的关系；

根据各个分组中的混频器损耗与功率的关系，得到待测混频器的损耗。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的方法及系统，完全排除了射频源的影响，同时主要通过混频器自身的变频性能完成中频信号的功率精确测试，即可满足太赫兹频段混频器精确测试的要求，同时对测试环境和测试条件要求较低。

2、本公开所述的方法及系统，待测太赫兹混频器A与其它两个参考混频器(参考混频亦可是两个待测混频器，需要注意的是待测混频器与参考混频器的变频损耗之和不能超出测试仪器的测量范围)分别表示为B和C，三个太赫兹混频器A、B和C进行两两组合，通过一个混频器的中频输入一个频率100MHz和另一个混频器下变频接收100MHz的信号，依据混频器的三个分组进行三次测试，即可得到三组含有三个混频器变频损耗的三组方程，通过求解三组方程，即可得到三个混频器变频损耗的精确值，不仅可以一次性得到多个混频器的损耗，也极大的提高了变频器损耗的精度。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为背景技术中提供的利用太赫兹信号源激励太赫兹混频器的测试方法示意图。

图2为背景技术中提供的Y因子测试方法的示意图。

图3为本公开实施例1提供的第一个分组的太赫兹混频器变频损耗测试示意图。

图4为本公开实施例1提供的第二个分组的太赫兹混频器变频损耗测试示意图。

图5为本公开实施例1提供的第三个分组的太赫兹混频器变频损耗测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本公开实施例1提供了一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，将待测太赫兹混频器A与其它两个参考混频器(参考混频亦可是两个待测混频器)分别表示为B和C。三个太赫兹混频器A、B和C进行两两组合，分为A和B第一组，C和B第二组，及A和C第三组。

第一组的A和C两个太赫兹混频器，A混频器的中频输入一个频率100MHz和功率P_{IF_IN_A}(依据混频器的中频频率范围和混频器的压缩点决定)，该信号通过混频器A.上变频，而混频器B通过下变频接收100MHz的信号，接收下来的功率为P_{IF_OUT_B}，混频器A和混频器的B的变频损耗记作CL_{_A}和CL_{_B}，CL_{_A}+CL_{_B}＝P_{IF_IN_A}－P_{IF_OUT_B}，采用相同的方法可以得出CL_{_C}+CL_{_B}＝P_{IF_IN_C}－P_{IF_OUT_B}和CL_{_A}+CL_{_C}＝P_{IF_IN_A}－P_{IF_OUT_C}，解上述三个方程即可精确的得到混频器A，B和C的变频损耗CL_{_A}、CL_{_B}和CL_{_C}。

每个分组进行测试的具体步骤如下：

如图3所示，第一组的两个太赫兹混频器A 330和B 335，微波信号源310提供一个频率100MHz和功率P_{IF_IN_AB}的信号(依据混频器A 330的中频频率范围和混频器的压缩点决定)，该信号通过A混频器330的中频端口输入，与微波信号源305和本振链路325产生的本振信号LO_{_A}进行上混频，产生n*LO_{_A}+100MHz信号(n为混频器A 330的谐波次数，基波混频n为1)；

该信号经过定向耦合器350输入端口馈入，经耦合端口馈至混频器B 335的射频端口，与微波信号源315及本振链路340产生的本振信号LO_B进行下混频n*LO_{_A}+100MHz－m*LO_{_B}＝100MHz(m为混频器B 335的谐波次数，基波混频m为1)；经混频器B 335下混频后的100MHz信号的输出功率为P_{IF_OUT_AB}。

混频器A330和混频器B335谐波次数可以相同，也可以不同，混频器A 330的本振链路中的倍频次数N×M与混频器335中的混频器340Q×P可相同也可以不同。混频器A和混频器B的变频损耗记为CL_{_A}、CL_{_B}：

CL_{_A}+CL_{_B}＝P_{IF_IN_AB}－P_{IF_OUT_AB} (7)

如图4所示，第二组的两个太赫兹混频器C 430和B 335，微波信号源310提供一个频率100MHz和功率P_{IF_IN_CB}的信号(依据混频器C 430的中频频率范围和混频器的压缩点决定)，该信号通过C混频器430的中频端口输入，与微波信号源305和本振链路425产生的本振信号LO_{_C}进行上混频，产生s*LO_{_A}+100MHz信号(s为混频器C 430的谐波次数，基波混频s为1)；

该信号经过定向耦合器350输入端口馈入，经耦合端口馈至混频器B 335的射频端口，与微波信号源315及本振链路340产生的本振信号LO_B进行下混频s*LO_{_A}+100MHz－m*LO_{_B}＝100MHz(m为混频器B 335的谐波次数，基波混频m为1)，经混频器B 335下混频后的100MHz信号的输出功率为P_{IF_OUT_CB}。

混频器C 430和混频器B 335谐波次数可以相同，也可以不同，混频器C 430的本振链路中的倍频次数R×S与混频器335中的混频器340Q×P可相同也可以不同，混频器A和混频器B的变频损耗记为CL_{_C}、CL_{_B}：

CL_{_C}+CL_{_B}＝P_{IF_IN_CB}－P_{IF_OUT_CB} (8)

第三组的两个太赫兹混频器A 330和C 430，微波信号源310提供一个频率100MHz和功率P_{IF_IN_AC}的信号(依据混频器A 330的中频频率范围和混频器的压缩点决定)，该信号通过A混频器330的中频端口输入，与微波信号源305和本振链路325产生的本振信号LO_{_A}进行上混频，产生n*LO_{_A}+100MHz信号(n为混频器A 330的谐波次数，基波混频n为1)；

该信号经过定向耦合器350输入端口馈入，经耦合端口馈至混频器C 430的射频端口，与微波信号源315及本振链路425产生的本振信号LO__C进行下混频n*LO_{_A}+100MHz－s*LO_{_C}＝100MHz(s为混频器C 430的谐波次数，基波混频s为1)，经混频器C 430下混频后的100MHz信号的输出功率为P_{IF_OUT_AC}。

如图5所示，混频器A 330和混频器C 430谐波次数可以相同，也可以不同，混频器C430的本振链路中的倍频次数R×S与混频器330中的混倍频因子N×M可相同也可以不同。

混频器A和混频器B的变频损耗记为CL_{_C}、CL_{_B}：

CL_{_C}+CL_{_B}＝P_{IF_IN_CB}－P_{IF_OUT_CB} (7)

联立公式(5)、(6)和(7)即可得到混频器A、混频器B和混频器C各自的损耗。

本实施例中，各个混频器接收到的信号频率不仅限于100MHz，也可以是10MHz或者200MHz等其他数值，本领域技术人员可以根据具体工况进行设计，这里不再赘述。

可以理解的，在其他一些实施方式中，定向耦合器也可以用衰减器或者隔离器替换，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试系统，参考混频器设置为3个、4个、5个或者更多个，通过联立更多个方程，可得到多个混频器的损耗，实现多个混频器的批量测试，具体测试方法与实施例1中的相同，这里不再赘述。

实施例3：

本公开实施例3提供了一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试系统，包括待测混频器、两个参考混频器和频谱分析仪；

各个混频器两两分组，每个分组中，第一混频器的中频端口输入预设频率和预设功率的信号；

经过第一混频器上变频后的信号通过定向耦合器输出到第二混频器的射频端口，第二混频器进行下变频后输入到频谱分析仪中，获得与预设频率同频的输出功率，得到第一输出功率和第一预设功率与两个混频器损耗的关系；

根据各个分组中的混频器损耗与功率的关系，得到待测混频器的损耗。

所述系统的工作方法与实施例1提供的消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法相同，这里不再赘述。

实施例4：

本公开实施例4提供了一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试系统，包括待测混频器、三个(也可以是四个、五个或者更多个)参考混频器和频谱分析仪，其他部分与实施例3中的相同，这里不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

待测混频器与至少两个参考混频器两两分组；

每个分组中，第一混频器的中频端口输入预设频率和预设功率的信号，经过上变频后输出到第二混频器后进行下变频，获得与预设频率同频的输出功率，得到第一输出功率和第一预设功率与两个混频器损耗的关系；

根据各个分组中的混频器损耗与功率的关系，得到待测混频器的损耗。

2.如权利要求1所述的消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，其特征在于，每个分组中，两个混频器损耗之和等于预设功率与输出功率的差值。

3.如权利要求1所述的消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，其特征在于，根据各个分组中的混频器损耗与功率的关系，得到待测混频器与参考混频器的损耗。

4.如权利要求3所述的消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，其特征在于，所述参考混频器为损耗未知的待测试混频器。

5.如权利要求1所述的消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，其特征在于，存在待测混频器、第一参考混频器和第二参考混频器，待测混频器、第一参考混频器和第二参考混频器两两分组得到三个分组。

6.如权利要求1所述的消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，其特征在于，所述预设频率为100MHz。

7.如权利要求1所述的消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，其特征在于，上变频后的信号经过定向耦合器的输入端口馈入，经耦合端口馈至第二混频器的射频端口。

8.如权利要求1所述的消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，其特征在于，同一分组中，两个混频器的本振链路中的倍频次数相同；

或者，同一分组中，两个混频器的本振链路中的倍频次数不同；

或者，同一分组中，两个混频器的谐波次数相同；

或者，同一分组中，两个混频器的谐波次数不同；

或者，预设频率和预设功率的信号根据混频器的中频频率范围和混频器的压缩点确定。

9.如权利要求1所述的消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试方法，其特征在于，每个分组中，第一微波信号源提供一个预设频率和预设功率的信号，该信号通过第一个混频器的中频端口输入，与第二微波信号源和第一本振链路产生的第一本振信号进行上混频，产生预设频率的混频信号；

混频信号经过定向耦合器输入端口馈入，经耦合端口馈至第二个混频器的射频端口，与第三微波信号源及第二本振链路产生的第二本振信号进行下混频，得到经第二个混频器下混频后的预设频率信号的输出功率。

10.一种消除射频源影响的太赫兹混频器变频损耗测试系统，其特征在于，包括待测混频器和至少两个参考混频器；

各个混频器两两分组，每个分组中，第一混频器的中频端口输入预设频率和预设功率的信号；

经过第一混频器上变频后的信号通过定向耦合器输出到第二混频器的射频端口，第二混频器进行下变频后获得与预设频率同频的输出功率，得到第一输出功率和第一预设功率与两个混频器损耗的关系；

根据各个分组中的混频器损耗与功率的关系，得到待测混频器的损耗。

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