CN111969955A - 基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源及其工作方法 - Google Patents

基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源及其工作方法，所述方案采用了微波信号源加倍频源模块的平台化设计，提出了×2×3×3×3 54次倍频技术路线，其中末级采用3次谐波倍频的方案，具有较高的倍频效率；所述方案的驱动链路中的二倍频器放大器采用多平衡设计，提高了倍频器的谐波抑止；链路中的三倍频器A和三倍频器B，采用正交耦合结构与空间倍频合成结构相结合的技术路线，也减小了杂散信号的输出功率，有效地保证了整个0.5THz～0.75THz宽带、高功率和高信号质量的产生，同时克服了缺少高频段功率放大器的问题。

Description

基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源及其工作 方法
技术领域
本公开涉及微波固态源设计的技术领域，特别涉及一种基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源及其工作方法。
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信息，不必然构成在先技术。
0.5THz～0.75THz频段信号是太赫兹通讯、雷达、气象遥感、深空探测等重要应用频段，主要采用倍频级联的方式实现，和采用WR1.5的标准波导进行信号传输。如何在如此宽的带宽下实现0.5THz～0.75THz频段较高功率信号的产生，同时具有较高的信号质量，是急需解决的技术问题。目前0.5THz～0.75THz频段固态信号的产生，依据末级倍频器谐波的不同，可分为高次谐波倍频方案和低次谐波倍频方案。
发明人发现，高次倍频方案可以降低驱动信号的频率，整个倍频链路更容易实现，如采用5次谐波倍频的方案，为产生0.5THz～0.75THz的信号，驱动信号频率为0.1THz～0.15THz，谐波的次数的升高可以进一步降低驱动信号的频率，整个链路实现的难度大大的降低，但该技术路线带来的一个问题就是，整个链路的信号产生的效率较低，同时受到倍频器压缩点的限制，输出功率较小。低次倍频的技术路线，主要是指末级倍频器采用2次或3次倍频的技术路线，目前典型的是采用2次倍频的方案，驱动信号的频率是0.25THz～0.375THz，对于在缺少宽带功率放大器的情况下产生0.25THz～0.375THz频段的高功率信号都是异常困难的，需要进行创新突破；相对于高次谐波倍频的方案，低次二次谐波倍频的方案具有较高的效率，但驱动信号要求高，不仅是表现在频率升高上，同时也由于链路的级数增多，带来了信号质量恶化的问题。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源及其工作方法，所述方案采用了微波信号源和倍频源模块的平台化设计，提出了×2×3×3×3次倍频技术路线，其中末级采用3次谐波倍频的方案，具有较高的倍频效率。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源，包括微波信号源和倍频源模块；所述微波信号源用于向所述倍频源模块提供射频信号；所述倍频源模块包括顺序连接的二倍频放大器、三倍频器A、放大器A、三倍频器B以及三倍频器C；
所述二倍频放大器包括顺序连接的放大器B、二倍频器和放大器C，所述三倍频器A和三倍频器B采用正交耦合结构与空间倍频合成结构的结合。
进一步的，所述微波信号源还用于通过USB电缆对所述倍频源模块进行识别控制。
进一步的，所述微波信号源输出的射频信号范围为9.26GHz～13.88GHz。
进一步的，所述倍频源模块输出的射频信号范围为0.5THz～0.75THz。
进一步的，所述三倍频器采用多路合成倍频器结构。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源的工作方法，包括：
控制微波信号源输出9.26GHz～13.88GHz射频信号，传输至倍频源模块的RF输入端口，经二倍频放大器产生高功率的18.52GHz～27.78GHz信号，该信号经三倍频器A产生55.56GHz～83.34GHz信号；该信号经放大器A产生55.56GHz～83.34GHz频段的高功率信号，该信号经三倍频器B产生166.68GHz～250GHz的10mW量级的宽带高功率信号，该信号直接驱动三倍频器C产生0.5THz～0.75THz的信号并输出。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开所述方案提出了基于波导传输线的0.5THz～0.75THz宽带高效固态源的实现方案和实现方法，采用了微波信号源加倍频源模块的平台化设计，提出了×2×3×3×3 54次倍频技术路线，其中末级采用3次谐波倍频的方案，具有较高的倍频效率。
(2)本公开所述方案的驱动链路中的二倍频器放大器(18.52GHz～27.78GHz)采用多平衡设计，提高宽倍频器的谐波抑止；链路中的三倍频其(55.56GHz～83.34)和三倍频器(166.68GHz～250GHz)，采用正交耦合结构与空间倍频合成结构相结合的技术路线，也减小了杂散信号的输出功率，有效地保证了整个0.5THz～0.75THz宽带、高功率和高信号质量的产生，同时克服了缺少高频段功率放大器的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开实施例一中所述固态源的整体系统结构示意图；
图2为本公开实施例一中所述固态源的硬件设置示意图；
图3为本公开实施例一中所述的倍频源模块的结构示意图。
图4为本公开实施例一中所述的正交耦合结构与空间倍频合成结构的结合结构示意图。
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，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。
通过分析国内外参考文献和产品，现有的技术路线主要有两种：一种实倍频链路中末级(0.5THz～0.75THz)倍频器采用高次谐波倍频的方案，该方案更容易实现，但倍频效率低和整个链路的输出功率低；另外一种倍频链路中末级(0.5THz～0.75THz)倍频器采用低次谐波倍频的方案，典型的是二次谐波倍频的方案，该方案需要0.25THz～0.375THz频段的输入信号，在缺少高频段功率放大器的情况下，0.25THz～0.375THz高功率信号的产生极为困难，由于输入信号的功率较小，致使整个链路的输出功率较小，无法体现方案理论上的优势，同时因倍频链路级数的增加，带来了杂散信号的增多问题。
针对目前0.5THz～0.75THz频段固态信号产生方案存在的输出功率小、带内杂散差等问题，本公开进行了创新突破，提出了基于波导传输线的0.5THz～0.75THz宽带高效固态源的实现方案和实现方法，采用了微波信号源加倍频源模块的平台化设计，提出了3次谐波倍频方案，具有较高的倍频效率，其驱动信号的频率范围为166.68GHz～250GHz，该频段高功率信号的产生采用正交耦合结构，与空间倍频合成结构相结合的技术路线，不仅提高了166.68GHz～250GHz频段的输出功率，同时也减小了杂散信号的输出功率。
实施例一：
本实施例的目的是提供一种基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源。
基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源，包括微波信号源和倍频源模块；所述微波信号源用于向所述倍频源模块提供射频信号；所述倍频源模块包括顺序连接的二倍频放大器、三倍频器A、放大器A、三倍频器B以及三倍频器C；
所述二倍频放大器包括顺序连接的放大器B、二倍频器和放大器C，所述三倍频器A和三倍频器B采用正交耦合结构与空间倍频合成结构的结合。
进一步的，所述三倍频器A和B的具体结构如图4所示，301为多路合成倍频器的输入，306为倍频器的输出，302和305为功分结构，同时两路具有90°的相位差；303和304为多路合成三倍频器；具体的工作原理是：输入信号经301输入，经302功分成两路正交信号，两路信号同时经过304和303两个多路合成的三倍频器，输出的3倍频信号经305合成，经306端口输出。该倍频器对输入基波信号和5次谐波信号有较高的抑制，同时对2次谐波有一定的抑制。
进一步的，所述微波信号源还用于通过USB电缆对所述倍频源模块进行识别控制；所述微波信号源输出的射频信号范围为9.26GHz～13.88GHz；所述倍频源模块输出的射频信号范围为0.5THz～0.75THz；所述三倍频器采用多路合成倍频器结构。
进一步的，如图1所示展示了本公开所述的0.5THz～0.75THz信号源的总体方案，其硬件结构设置如图2所示，主要由微波信号源1和倍频源模块2部分组成，其中微波信号源1为倍频源模块2提供以1路射频信号，微波信号源1通过USB电缆完成倍频源模块2的识别与控制，0.5THz～0.75THz倍频源模块2的输出端口207为WR1.5标准波导接口；如图3所示展示了本公开所述的倍频源模块方案，整个链路采用的是×2×3×3×3 54次倍频技术路线；微波信号源1输出的9.26GHz～13.88GHz射频信号，传输至倍频源模块的RF输入端口201，经202倍频放大器产生高功率的18.52GHz～27.78GHz信号；进而高功率的18.5GHz～27.78GHz频段的信号，驱动多路合成三倍频器203，产生55.56GHz～83.34GHz信号，该信号经多路功率合成放大器204，产生55.56GHz～83.34GHz频段的高功率信号，进而55.56GHz～83.34GHz频段的高功率信号直接驱动多路合成三倍频器205，产生166.68GHz～250GHz的10mW量级的宽带高功率信号，该信号直接驱动末级三倍频器206产生0.5THz～0.75THz的信号，经端口207输出；倍频源模块的电源是15V电源，通过端口209输入。
进一步的，202是二倍频放大器，由于倍频器的带宽较宽，输入信号的低频段的3次谐波信号落在了18.52GHz～27.78GHz频段的带内，同时无法进行滤除，由于该信号的存在，将会引入到后端的倍频链路中，不断进行混频产生更多的杂散信号，使得最终0.5THz～0.75THz频段信号质量较差，因此202二倍频放大器必须进行高谐波抑止的设计，本申请采用多平衡设计方案，提高202二倍频放大器的杂散抑止能力，所述多平衡方案的说明：采用大于等于2个的平衡结构，提高二倍频器对三次、五次等谐波的抑止；203是三倍频器功能模块(55.56GHz～83.34)和205三倍频器功能模块(166.68GHz～250GHz)，主要解决两个方面的技术问题，一是高功率输出的问题，特别是204三倍频器功能模块(166.68GHz～250GHz)，因为这一频段缺少放大器，另外一个方面就是要提高其杂波抑止的能力，本专利中203和205三倍频器采用的是，正交耦合结构与空间倍频合成结构相结合的技术路线，不仅提高了55.56GHz～83.34和166.68GHz～250GHz频段的输出功率，同时也减小了杂散信号的输出功率，有效地保证了整个0.5THz～0.75THz宽带、高功率和高信号质量的产生，同时克服了缺少高频段功率放大器的问题。
本公开所述方案采用了微波信号源加倍频源模块的平台化设计，提出了×2×3×3×3 54次倍频技术路线，其中末级采用3次谐波倍频的方案，具有较高的倍频效率；其驱动链路中的二倍频器放大器(18.52GHz～27.78GHz)采用多平衡设计，提高宽倍频器的谐波抑止；链路中的三倍频其(55.56GHz～83.34)和三倍频器(166.68GHz～250GHz)，采用正交耦合结构与空间倍频合成结构相结合的技术路线，也减小了杂散信号的输出功率，有效地保证了整个0.5THz～0.75THz宽带、高功率和高信号质量的产生，同时克服了缺少高频段功率放大器的问题。
实施例二：
本实施例的目的是提供一种基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源的工作方法。
基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源的工作方法，包括：
控制微波信号源输出9.26GHz～13.88GHz射频信号，传输至倍频源模块的RF输入端口，经二倍频放大器产生高功率的18.52GHz～27.78GHz信号，该信号经三倍频器A产生55.56GHz～83.34GHz信号；该信号经放大器A产生55.56GHz～83.34GHz频段的高功率信号，该信号经三倍频器B产生166.68GHz～250GHz的10mW量级的宽带高功率信号，该信号直接驱动三倍频器C产生0.5THz～0.75THz的信号并输出。
进一步的，所述微波信号源通过USB电缆对所述倍频源模块进行识别控制；所述三倍频器采用多路合成倍频器结构；同时，利用输出电压为15V的电源模块对所述倍频源模块进行供电。
上述实施例提供的一种基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源及其工作方法完全可以实现，具有广阔应用前景。
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。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源，其特征在于，包括：微波信号源和倍频源模块；所述微波信号源用于向所述倍频源模块提供射频信号；所述倍频源模块包括顺序连接的二倍频放大器、三倍频器A、放大器A、三倍频器B以及三倍频器C；
所述二倍频放大器包括顺序连接的放大器B、二倍频器和放大器C，所述三倍频器A和三倍频器B采用正交耦合结构与空间倍频合成结构的结合。
2.如权利要求1所述的基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源，其特征在于，所述微波信号源还用于通过USB电缆对所述倍频源模块进行识别控制。
3.如权利要求1所述的基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源，其特征在于，所述微波信号源输出的射频信号范围为9.26GHz～13.88GHz。
4.如权利要求1所述的基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源，其特征在于，所述倍频源模块输出的射频信号范围为0.5THz～0.75THz。
5.如权利要求1所述的基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源，其特征在于，所述三倍频器采用多路合成倍频器结构。
6.如权利要求1所述的基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源，其特征在于，所述倍频源模块连接有电源模块，所述电源模块的输出电压为15V。
7.基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源的工作方法，其特征在于，包括：
控制微波信号源输出9.26GHz～13.88GHz射频信号，传输至倍频源模块的RF输入端口，经二倍频放大器产生高功率的18.52GHz～27.78GHz信号，该信号经三倍频器A产生55.56GHz～83.34GHz信号；该信号经放大器A产生55.56GHz～83.34GHz频段的高功率信号，该信号经三倍频器B产生166.68GHz～250GHz的10mW量级的宽带高功率信号，该信号直接驱动三倍频器C产生0.5THz～0.75THz的信号并输出。
8.基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源的工作方法，其特征在于，所述微波信号源通过USB电缆对所述倍频源模块进行识别控制。
9.基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源的工作方法，其特征在于，所述三倍频器采用多路合成倍频器结构。
10.基于波导传输线0.5THz～0.75THz宽带高效固态源的工作方法，其特征在于，利用输出电压为15V的电源模块对所述倍频源模块进行供电。
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