CN112564629B - 一种基于双端口混频器的频谱扩展装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双端口混频器的频谱扩展装置，包括输入双工器、本振倍频器、本振滤波器、本振放大器、输出双工器和太赫兹双端口混频器。输入双工器用于接收频谱仪输出的本振信号，并将本振信号顺次通过本振通道中的本振倍频器、本振滤波器、本振放大器及输出双工器后为太赫兹双端口混频器提供高频本振信号。太赫兹双端口混频器用于接收来自待测设备的太赫兹信号，通过频本振信号将太赫兹信号下变频到中频频率信号；输出双工器通过中频通路以及输入双工器将中频频率信号送至频谱仪进行分析显示。本发明提供的太赫兹波段频谱仪频率扩展装置，具有极低的变频损耗，可显著增加频谱仪信号测量的动态范围。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波段频谱仪频率扩展领域，特别涉及一种太赫兹波段下变频接收机。
背景技术
随着现代系统应用的需求及器件工艺技术的发展，越来越多的应用向毫米波高端及太赫兹频段拓展。太赫兹波段(频率＞0.1THz)由于频率高，频谱资源极其丰富，例如仅G波段(140-220GHz)带宽达80GHz，频谱资源远超微波频段。测试设备是开展相关科学及产品研究的基础，然而太赫兹波段的测试设备仪器极其昂贵，开展相关领域的技术研究具有非常重大的意义。
电信号测量设备通常包括三种，即矢量网络分析仪，信号源及频谱仪。目前国际上主流仪器主机的工作频率不超过67GHz，也有厂商的个别主机可以工作到120GHz(是德的N5291A矢量网络分析仪)。为了实现太赫兹频段信号的测量，需要给仪器主机外接扩频设备。扩频设备也分为三种，即矢量网络分析仪扩频设备，信号源扩频设备以及频谱仪扩频设备。一般来说，信号源扩频设备是多个倍频器级联的倍频链，内含必要的滤波器和放大器，将微波频段的信号源一直倍频到太赫兹波段。频谱仪的扩频设备为谐波混频器，带有扩频选件的频谱仪内部集成用于混频的本振源，该本振源的输出频率一般低于20GHz，因此需要采用谐波混频器来实现太赫兹波段信号的混频接收，中频信号再送入到频谱仪进行频谱测量。矢量网络分析仪的扩频设备一般包含上述的本振倍频链、谐波混频器，以及其他无源器件等。
本发明与频谱仪的扩频技术有关，对现有的频谱仪主机及扩频设备进行了相应的调研。首先，对于主机而言，目前市场上使用比较广泛的两个厂家为美国是德以及德国的罗德施瓦茨，这两个厂家的频谱仪都具备扩展功能。是德现阶段的主流频谱仪为PXA系列，该系列频谱仪有一个扩展接口(标识LO/IF)，该端口实际是一个双向端口，仪器内部含有一个双工器。该端口可以向外部谐波混频器提供本振信号，此外该端口还可以接收外部谐波混频器混频产生的中频信号进行频谱分析，这种只有一个扩展接口的扩展方式适用于双端口谐波混频器，即RF端口以及共用LO/IF端口，混频器的LO/IF端口与频谱仪的LO/IF端口直接连接，例如是德M1971W八次谐波混频器。罗德施瓦茨现阶段的主流频谱仪为FSW系列，该系列频谱仪有两组三个扩展接口(标识分别为LO/IF、LO及IF)，这两组接口可以独立工作，其中LO/IF端口与是德的LO/IF端口相同。而LO和IF两个端口则适用于三端口谐波混频器，即RF端口、LO端口和IF端口，谐波混频器的LO、IF端口与频谱仪的LO、IF端口分别对应连接。
对于频谱仪主机，是德PXA所能提供的本振信号频率范围为3.75～14.1GHz，接收中频为332.5MHz；罗德施瓦茨的FSW所能提供的本振信号频率范围为7.65～17.45GHz，接收中频小于1.5GHz。由此可以看出，主机提供的本振信号频率一般都比较低，在测量太赫兹信号时，需要采用高次谐波混频来实现。例如是德PXA频谱仪测量75～110GHz信号，谐波次数至少需要8次，而实际上是德M1971W扩频谐波混频器的次数即为8次。随着测量频率的提升，相应的混频器谐波次数也要提高，对应的变频损耗也会大大增加。例如WR3.4波段(220-325GHz)的谐波混频器，其变频损耗可能高达40dB以上，这将大大降低测试系统的灵敏度，不利于小信号的测量。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于双端口混频器的频谱扩展装置，可以显著降低混频器的损耗，大大提高扩频系统的灵敏度。
技术方案：一种基于双端口混频器的频谱扩展装置，包括输入双工器、本振倍频器、本振滤波器、本振放大器、输出双工器和太赫兹双端口混频器；
所述输入双工器用于接收频谱仪输出的本振信号，并将所述本振信号顺次通过本振通道中的本振倍频器、本振滤波器、本振放大器及输出双工器后为太赫兹双端口混频器提供高频本振信号；
所述太赫兹双端口混频器用于接收来自待测设备的太赫兹信号，通过所述频本振信号将所述太赫兹信号下变频到中频频率信号，所述输出双工器通过中频通路以及所述输入双工器将所述中频频率信号送至所述频谱仪进行分析显示。
进一步的，所述本振倍频器用于将所述本振信号倍频N次，所述本振倍频器是一个倍频器，或是由两个或两个以上倍频器级联构成。
进一步的，所述本振滤波器用于对倍频后的信号进行滤波，滤除N次谐波以外的分量。
进一步的，所述太赫兹双端口混频器是基波混频器，或是低次谐波混频器。
有益效果：本发明的一种太赫兹波段频谱仪频率扩展装置，可以将频谱仪提供的微波本振信号经过N次倍频放大后，提供给太赫兹双端口混频器，从而实现低损耗的太赫兹信号下变频，并送入到频谱仪进行分析。现阶段主流频谱扩展装置为高次谐波混频。与现有技术相比，本发明可以对太赫兹双端口混频器直接进行本振频率扩展，从而可以实现低次谐波甚至基波混频，大大降低变频损耗。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种基于双端口混频器的频谱扩展装置，包括输入双工器1、本振倍频器2、本振滤波器3、本振放大器4、输出双工器5和太赫兹双端口混频器6。输入双工器1用于接收频谱仪输出的本振信号，并将本振信号顺次通过本振通道7中的本振倍频器2、本振滤波器3、本振放大器4及输出双工器5后为太赫兹双端口混频器6提供高频本振信号。太赫兹双端口混频器6用于接收来自待测设备的太赫兹信号，通过频本振信号将太赫兹信号下变频到中频频率信号；输出双工器5通过中频通路8以及输入双工器1将中频频率信号送至频谱仪进行分析显示。
其中，输入双工器1将频谱仪上用于扩展的接口中的本振信号与太赫兹双端口混频器6产生的中频信号进行分离，避免本振信号流入中频通路，且避免中频信号流入本振通道。本振通道7中的本振倍频器2用于将本振信号倍频N次。本振通道7中的本振滤波器3用于对倍频后的信号进行滤波，滤除N次谐波以外的分量。本振通道7中的本振放大器4用于对滤波后的信号进行放大，使得信号强度能够满足后续混频器的要求。输出双工器5用于将N次倍频后的本振信号与太赫兹双端口混频器6产生的中频信号进行分离，避免N倍频本振信号流入中频通路，且避免中频信号流入本振通道7。太赫兹双端口混频器6是基波混频器，或是低次谐波混频器，用于实现太赫兹信号的低损耗下变频。
本实施例以WR3.4波段(220～325GHz)频率扩展装置为例具体介绍其中各个单元电路的设计，对于其他频段的设计同样有效。
频谱仪频率扩展装置设计指标包括，射频频率：220～325GHz，中频频率：DC～3GHz，二次谐波本振频率：110～162.5GHz。为了设计的频率扩展装置能够同时使用是德和罗德施瓦茨的主流频谱仪，即频谱仪提供的本振最高为14.1GHz，则为了实现二次谐波本振频率，扩频装置中的本振倍频器2的倍频次数至少为12次。从而设计各个组成部件，其指标分解及要求如下。从而设计各个组成部件，其指标分解及要求如下。
输入双工器1中频通路频率要求为DC-3GHz，本振通路为9.1～14.1GHz，两个通道的隔离度要求大于60dB，这样输入双工器1可以实现中频及本振信号的分离。
本振倍频器2为12次倍频器，可以由一个6次倍频器与一个2次倍频器级联，输出功率要求大于0dBm；6次倍频器的设计需包含初步的滤波，实现比较纯净的6次倍频后再进行后续的2次倍频。
本振滤波器3通带范围为110～162.5GHz，即通过前级2次倍频的输出信号，而抑制其基波及3次谐波信号，即抑制55～81.25GHz以及165～243.75GHz。考虑到实际抑制带宽，该滤波器可以由一个带通滤波器和一个低通滤波器组合实现。
本振放大器4将110～162.5GHz倍频滤波器后的信号进行进一步放大，输出功率要求大于10dBm。
输出双工器5中频通路频率要求为DC-3GHz，本振通路为110～162.5GHz，两个通道的隔离度要求大于60dB，这样输入双工器可以实现中频及12次倍频本振信号的分离。
太赫兹混频器6为双端口混频器，其结构可以采用中国专利201910952314.4所公开的一种用于扩频的双端口平面谐波混频器。指标要求如下，射频频率：220～325GHz，谐波混频次数：中频频率：DC～3GHz，变频损耗要求：≤12dB。
经过上述各个组成部件的指标及电路规划设计，可以最终实现低损耗的WR3.4波段(220～325GHz)的频谱仪频率扩展，由于中频频率较低，两个双工器在中频频率的损耗也较小，预期最终的变频损耗约小于14dB，从而可以将常规的谐波混频器扩展方式的灵敏度提高两个量级。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于双端口混频器的频谱扩展装置，其特征在于，包括输入双工器（1）、本振倍频器（2）、本振滤波器（3）、本振放大器（4）、输出双工器（5）和太赫兹双端口混频器（6）；
所述输入双工器（1）用于接收频谱仪输出的本振信号，并将所述本振信号顺次通过本振通道（7）中的本振倍频器（2）、本振滤波器（3）、本振放大器（4）及输出双工器（5）后为太赫兹双端口混频器（6）提供高频本振信号；
所述太赫兹双端口混频器（6）用于接收来自待测设备的太赫兹信号，通过所述高频本振信号将所述太赫兹信号下变频到中频频率信号，所述输出双工器（5）通过中频通路（8）以及所述输入双工器（1）将所述中频频率信号送至所述频谱仪进行分析显示。
2.根据权利要求1所述的基于双端口混频器的频谱扩展装置，其特征在于，所述本振倍频器（2）用于将所述本振信号倍频N次，所述本振倍频器（2）是一个倍频器，或是由两个或两个以上倍频器级联构成。
3.根据权利要求2所述的基于双端口混频器的频谱扩展装置，其特征在于，所述本振滤波器（3）用于对倍频后的信号进行滤波，滤除N次谐波以外的分量。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于双端口混频器的频谱扩展装置，其特征在于，所述太赫兹双端口混频器（6）是基波混频器，或是低次谐波混频器。
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