CN113311228B - 一种太赫兹频谱分析装置及频谱分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹频谱分析装置及频谱分析方法，包括：彼此连接的频谱分析仪和频谱分析扩频装置；所述频谱分析扩频装置，包括：本振链路；所述本振链路的输入端与频谱分析仪的本振输出端连接；所述本振链路的输出端与四次谐波混频器的输入端连接；所述四次谐波混频器的输入端还与待处理信号的输出端连接；所述本振链路用于将频谱分析仪输出的本振信号进行放大、滤波和均衡处理；所述四次谐波混频器，用于对本振链路的输出信号和待处理信号进行下变频处理；下变频处理得到的信号经由滤波放大模块处理后，通过输出端口输入到频谱分析仪中，频谱分析仪完成对待处理信号的频谱测试分析。

Description

一种太赫兹频谱分析装置及频谱分析方法

技术领域

本发明涉及频谱分析技术领域，特别是涉及一种太赫兹频谱分析装置及频谱分析方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

0.75THz～1.1THz是WR1.0波导传输线的标准频段，是太赫兹信号的重要组成频段，在太赫兹深空探测、气象遥感、射电天文等领域具有广泛的应用前景和价值，如何实现该频段的信号的高灵敏的频谱分析，对该频段频谱资源开发和利用具有重要的保障和推动作用。

通常采用下混频的技术路线，即通过下混频将0.75THz～1.1THz信号搬迁至低频段，通过分析低频段的中频信号，可完成该频段信号的频谱测试分析。整个装置通常有微波频谱分析仪主机和0.75THz～1.1THz频谱分析仪扩频装置组成。频谱分析仪主机为扩频装置提供本振信号和分析中频信号，频谱分析仪扩频装置完成0.75THz～1.1THz频段信号的下变频，依据上述方案描述，微波频谱分析仪主机和0.75THz～1.1THz频谱分析仪扩频装置需要相互配合，方能实现良好的性能，满足0.75THz～1.1THz频段高灵敏度和便捷性的测试需求。

微波频谱分析仪主机提供的本振频率越高，0.75THz～1.1THz频段扩频装置的本振倍频链路的次数就会越低，链路的杂波抑制、相位噪声等性能就会提升，进而提高整个0.75THz～1.1THz频谱分析仪扩频装置的性能指标，对微波频谱分析仪主机的适配性大幅降低。

微波频谱分析仪主机提供较低的本振驱动，降低了主机的要求，提高了适应性，但由于扩频装置中本振链路次数的增加导致杂波抑止、相位噪声等指标恶化，致使整个0.75THz～1.1THz频谱分析装置性能恶化。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种太赫兹频谱分析装置及频谱分析方法；

第一方面，本发明提供了一种太赫兹频谱分析装置；

一种太赫兹频谱分析装置，包括：彼此连接的频谱分析仪和频谱分析扩频装置；

所述频谱分析扩频装置，包括：本振链路；

所述本振链路的输入端与频谱分析仪的本振输出端连接；

所述本振链路的输出端与四次谐波混频器的输入端连接；

所述四次谐波混频器的输入端还与待处理信号的输出端连接；

所述本振链路用于将频谱分析仪输出的本振信号进行放大、滤波和均衡处理；所述四次谐波混频器，用于对本振链路的输出信号和待处理信号进行下变频处理；下变频处理得到的信号经由滤波放大模块处理后，通过输出端口输入到频谱分析仪中，频谱分析仪完成对待处理信号的频谱测试分析。

第二方面，本发明提供了一种太赫兹频谱分析方法；

一种太赫兹频谱分析方法，包括：

获取频谱分析仪发送的本振信号；

本振链路，将频谱分析仪输出的本振信号进行放大、滤波和均衡处理；

四次谐波混频器，对本振链路的输出信号和待处理信号进行下变频处理；

下变频处理得到的信号通过滤波放大处理后，输入到频谱分析仪中，频谱分析仪完成对待处理信号的频谱测试分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过降低本振的驱动频率，提高微波频谱分析仪主机的适配性，针对本振频率降低带来的指标恶化问题，进行了0.75THz～1.1THz扩频装置下混频链路进行系统的优化设计，混频器采用4次谐波混频方案，本振链路采用×3×2×3 18次倍频方案。本振链路18次倍频通过优化配置不同的倍频因子，并综合利用多平衡倍频电路拓扑和滤波器，有效的抑制本振带来的影响，同时运用功率放大合成、倍频合成和均衡器满足高功率、高平坦度信号产生，满足混频器对高性能本振的需求。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

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

图1为第一个实施例的0.75THz～1.1THz频谱分析装置总体技术方案；

图2为第一个实施例的0.75THz～1.1THz频谱分析扩频装置的硬件总体方案；

其中，1、频谱分析仪，2、频谱分析扩频装置；101、本振信号，102、第一处理模块，103、第二处理模块，104、第三处理模块，105、隔离器，106、四次谐波混频器，107、待处理信号，108、滤波放大模块，109、输出端口，110、USB接口，111、电源，112，主板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供了一种太赫兹频谱分析装置；

一种太赫兹频谱分析装置，包括：彼此连接的频谱分析仪1和频谱分析扩频装置2；

所述频谱分析扩频装置2，包括：本振链路；

所述本振链路的输入端与频谱分析仪1的本振输出端连接；

所述本振链路的输出端与四次谐波混频器106的输入端连接；

所述四次谐波混频器106的输入端还与待处理信号107的输出端连接；

所述本振链路用于将频谱分析仪1输出的本振信号101进行放大、滤波和均衡处理；所述四次谐波混频器106，用于对本振链路的输出信号和待处理信号107进行下变频处理；下变频处理得到的信号经由滤波放大模块108处理后，通过输出端口109输入到频谱分析仪中，频谱分析仪完成对待处理信号107的频谱测试分析。

进一步地，所述本振链路包括依次连接的第一处理模块102、第二处理模块103、第三处理模块104和隔离器105；

所述第一处理模块102，包括：依次连接的第一带通滤波器、第一放大器、三倍频器B1、第二放大器和第二带通滤波器；

所述第二处理模块103，包括：二倍频器，所述二倍频器的输出端与功率合成放大器连接；所述功率合成放大器包括两路并联的放大器，分别为第三放大器和第四放大器；

所述第三处理模块104，包括：2路合成三倍频器和均衡器，所述2路合成三倍频器与均衡器连接；所述2路合成三倍频器包括：并联的三倍频器B2和三倍频器B3；

其中，第一带通滤波器用于接收本振信号101；第二带通滤波器与二倍频器连接；所述功率放大器与2路合成三倍频器连接；所述均衡器与隔离器105连接。

进一步地，所述第一处理模块102，工作原理是：对输入的本振信号101首先进行带通滤波，滤波后信号进行功率放大，然后驱动三倍频器B1，产生信号经带通滤波输出。

进一步地，所述第二处理模块103，工作原理是：对第一处理模块102输出的信号进行二次倍频，二次倍频后信号经功率放大器放大后输出；

进一步地，所述第三处理模块104，工作原理是：对第二处理模块103输出信号由2路合成三倍频器进行三倍频处理，经均衡器均衡功率平坦度输出；

进一步地，所述隔离器，使信号单方向传输，用于降低第三处理模块104和四次谐波混频器106端口失配带来的影响。

进一步地，所述滤波放大模块108，工作原理是：对四次谐波混频器106输出的中频信号经带通滤波和功率放大输出；

所述第一处理模块102和第二处理模块103均与主板112连接；主板与电源111连接；

所述第一处理模块102和第二处理模块103均与主板112连接，主板与频谱分析仪1的USB接口110连接。

进一步地，该发明实现的0.75THz～1.1THz频段扩频装置如图2所示：

频谱分析仪1提供的10.41GHz～15.28GHz本振信号，经第一处理模块102三倍频产生31.23GHz～45.84GHz频段的信号；

31.23GHz～45.84GHz频段的信号，经第二处理模块103二倍频产生62.46GHz～91.68GHz频段信号，62.46GHz～91.68GHz频段信号经过功率合成放大，驱动第三处理模块104的2路合成三倍频器产生187.5GHz～275GHz频段的信号，187.5GHz～275GHz频段的信号经过功率均衡进行输出，经隔离器105后驱动0.75THz～1.1THz频段四次谐波混频器106，与0.75THz～1.1THz频段的信号进行下混频，中频信号经滤波放大模块108放大输出，经输出端口109馈至频谱分析仪。

本发明针对0.75THz～1.1THz频段高灵敏度频谱测试分析的需求，重点解决高主机适应性和高性能之间相互矛盾的问题，提出了如图1和图2所示的0.75THz～1.1THz频段频谱测试分析解决方案，其中图1为0.75THz～1.1THz频段频谱分析装置总体技术方案，图2为0.75THz～1.1THz频谱分析扩频装置的硬件总体方案。

由图1看出，0.75THz～1.1THz频段频谱分析装置主要由频谱分析仪1和频谱分析扩频装置2组成，频谱分析仪1为频谱分析扩频装置2提供本振信号，同时对频谱分析扩频装置2产生的中频信号进行分析处理，通过已知本振、中频和不同规则的本振扫描，即可完成0.75THz～1.1THz频段信号的测试，频谱分析仪1和频谱分析扩频装置2通过USB进行通信。频谱分析扩频装置2通过外加15V直流电源进行供电，0.75THz～1.1THz频段的WR1.0波导输入接口。频谱分析扩频装置2本振输入和中频输出接口为3.5同轴连接器。

0.75THz～1.1THz频段频谱分析仪扩频装置的工作电源是15V直流电源，经电源111输入，经主板112变压和主板滤波处理提供给各有源部件。

0.75THz～1.1THz频谱仪扩频装置包括第一处理模块102、第二处理模块103、第三处理模块104、隔离器105和四次谐波混频器106五个核心功能单元，其中第一处理模块102、第二处理模块103、第三处理模块104是本振信号产生的功能单元。

第一处理模块102是本振链路的第一级，频率相对较低，不仅要实现3倍频，同时要实现倍频后高的谐杂波抑止，因此该功能单元三倍频器能够实现二次谐波和四次谐波达到35dBc以上的抑止，并配合10GHz～16GHz和31GHz～46GHz两个带通滤波器实现倍频前输入信号的滤波，以及三倍频后基波和5次谐波的滤波；

倍频芯片在倍频器件管芯处加接地隔离环，提高隔离度，同时倍频器输入输出为多耦合线结构，最终构成了的二倍频，具有良好的谐波抑制能力。

第二处理模块103是本振第二级功能单元，主要包含62.46GHz～91.68频段双平衡二倍频电路和功率合成放大器，该功能单元输入输出为波导接口，可以利用波导的高通特性完成低频信号的滤波。一路电路分配成多路，每路进行放大，放大后电路进行合成一路输出，即为功率合成放大器

第三处理模块104为本振第三级功能单元，包含187.5GHz～275GHz频段三倍频合成电路和均衡器，其中考虑到如此高频率在介质中损耗较大，因此整体电路合成采用无介质倍频合成的技术方案，而均衡器主要用来改善187.5GHz～275GHz频段输出功率的平坦度，满足0.75THz～1.1THz混频器高性能和高稳定性要求，第三处理模块104输入、输出同样采用波导接口，可实现对低频信号的滤波，改善整个链路的性能。

隔离器105，用于降低第三处理模块104和四次谐波混频器106端口失配带来的影响。

四次谐波混频器106为0.75THz～1.1THz频段四次谐波混频器，本振和射频输入采用波导接口，中频输出采用同轴接口，为解决宽频带和高效率相互制约的矛盾问题，电路整体采用基于分布式多射频回路的太赫兹四次谐波混频电路模型。

本发明提出的0.75THz～1.1THz频段频谱分析装置及工作方法，该频谱分析装置由频谱分析仪主机和0.75THz～1.1THz频段扩频装置组成，其中扩频装置采用4次谐波混频进行下变频，四次谐波混频器的本振链路采用×3×2×3 18次倍频的方案，重点解决高谐杂波抑止、高功率平坦度和优化减弱不匹配带来的0.75THz～1.1THz频谱分析性能的恶化。同时解决主机适应性和高性能相互矛盾的问题。

实施例二

本实施例提供了一种太赫兹频谱分析方法；

一种太赫兹频谱分析方法，包括：

获取频谱分析仪发送的本振信号；

本振链路，将频谱分析仪输出的本振信号进行放大、滤波和均衡处理；

四次谐波混频器，对本振链路的输出信号和待处理信号进行下变频处理；

下变频处理得到的信号通过滤波放大处理后，输入到频谱分析仪中，频谱分析仪完成对待处理信号的频谱测试分析。

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

Claims (8)

1.一种太赫兹频谱分析装置，其特征是，包括：彼此连接的频谱分析仪和频谱分析扩频装置；

所述频谱分析扩频装置，包括：本振链路；

所述本振链路的输入端与频谱分析仪的本振输出端连接；

所述本振链路的输出端与四次谐波混频器的输入端连接；

所述四次谐波混频器的输入端还与待处理信号的输出端连接；

所述本振链路用于将频谱分析仪输出的本振信号进行放大、滤波和均衡处理；所述四次谐波混频器，用于对本振链路的输出信号和待处理信号进行下变频处理；下变频处理得到的信号经由滤波放大模块处理后，通过输出端口输入到频谱分析仪中，频谱分析仪完成对待处理信号的频谱测试分析；

所述本振链路包括依次连接的第一处理模块、第二处理模块、第三处理模块和隔离器；

所述第一处理模块，包括：依次连接的第一带通滤波器、第一放大器、三倍频器B1、第二放大器和第二带通滤波器；

所述第二处理模块，包括：二倍频器，所述二倍频器的输出端与功率合成放大器连接；所述功率合成放大器包括两路并联的放大器，分别为第三放大器和第四放大器；

所述第三处理模块，包括：2路合成三倍频器和均衡器，所述2路合成三倍频器与均衡器连接；所述2路合成三倍频器包括：并联的三倍频器B2和三倍频器B3；

其中，第一带通滤波器用于接收本振信号；第二带通滤波器与二倍频器连接；所述功率放大器与2路合成三倍频器连接；所述均衡器与隔离器连接；

所述隔离器，使信号单方向传输，用于降低第三处理模块和四次谐波混频器端口失配带来的影响。

2.如权利要求1所述的一种太赫兹频谱分析装置，其特征是，所述第一处理模块，工作原理是：对输入的本振信号首先进行带通滤波，滤波后信号进行功率放大，然后驱动三倍频器B1，产生信号经带通滤波输出。

3.如权利要求1所述的一种太赫兹频谱分析装置，其特征是，所述第二处理模块，工作原理是：对第一处理模块输出的信号进行二次倍频，二次倍频后信号经功率放大器放大后输出。

4.如权利要求1所述的一种太赫兹频谱分析装置，其特征是，所述第三处理模块，工作原理是：对第二处理模块输出信号由2路合成三倍频器进行三倍频处理，经均衡器均衡功率平坦度输出。

5.如权利要求1所述的一种太赫兹频谱分析装置，其特征是，所述滤波放大模块，工作原理是：对四次谐波混频器输出的中频信号经带通滤波和功率放大输出。

6.如权利要求1所述的一种太赫兹频谱分析装置，其特征是，所述第一处理模块和第二处理模块均与主板连接；主板与电源连接；

所述第一处理模块和第二处理模块均与主板连接，主板与频谱分析仪的USB接口连接。

7.如权利要求1所述的一种太赫兹频谱分析装置，其特征是，频谱分析仪提供的10.41GHz～15.28GHz本振信号，经第一处理模块三倍频产生31.23GHz～45.84GHz频段的信号；

31.23GHz～45.84GHz频段的信号，经第二处理模块二倍频产生62.46GHz～91.68GHz频段信号，62.46GHz～91.68GHz频段信号经过功率合成放大，驱动第三处理模块的2路合成三倍频器产生187.5GHz～275GHz频段的信号，187.5GHz～275GHz频段的信号经过功率均衡进行输出，经隔离器后驱动0.75THz～1.1THz频段四次谐波混频器，与0.75THz～1.1THz频段的信号进行下混频，中频信号经滤波放大模块放大输出，经输出端口馈至频谱分析仪。

8.一种太赫兹频谱分析方法，其特征是，包括：

获取频谱分析仪发送的本振信号；

本振链路，将频谱分析仪输出的本振信号进行放大、滤波和均衡处理；

所述本振链路包括依次连接的第一处理模块、第二处理模块、第三处理模块和隔离器；

所述第一处理模块，包括：依次连接的第一带通滤波器、第一放大器、三倍频器B1、第二放大器和第二带通滤波器；

所述第二处理模块，包括：二倍频器，所述二倍频器的输出端与功率合成放大器连接；所述功率合成放大器包括两路并联的放大器，分别为第三放大器和第四放大器；

所述第三处理模块，包括：2路合成三倍频器和均衡器，所述2路合成三倍频器与均衡器连接；所述2路合成三倍频器包括：并联的三倍频器B2和三倍频器B3；

其中，第一带通滤波器用于接收本振信号；第二带通滤波器与二倍频器连接；所述功率放大器与2路合成三倍频器连接；所述均衡器与隔离器连接；

所述隔离器，使信号单方向传输，用于降低第三处理模块和四次谐波混频器端口失配带来的影响；

四次谐波混频器，对本振链路的输出信号和待处理信号进行下变频处理；

下变频处理得到的信号通过滤波放大处理后，输入到频谱分析仪中，频谱分析仪完成对待处理信号的频谱测试分析。

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