CN113315475B - 一种太赫兹宽带下变频装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹宽带下变频装置及其工作方法，包括：本振链路，所述本振链路通过本振信号输入端口从微波频谱分析仪获取本振信号，将本振信号处理后发送给谐波混频器；谐波混频器，将本振信号和获取的待处理的频段信号进行下混频处理，得到中频信号；滤波放大模块，将中频信号进行滤波放大处理，最后得到输出信号。本振链路中变频器件采用多平衡环结构并配合链路中的滤波器，一起实现高杂波抑制指标，降低杂波对末级混频器的性能影响。

Description

一种太赫兹宽带下变频装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及频谱分析测试技术领域，特别是涉及一种太赫兹宽带下变频装置及其工作方法。

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。

太赫兹通讯、雷达、气象遥感、深空探测等领域技术研究和工程应用，已经发展至0.5THz～0.75THz频段，急需相应的频谱分析仪完成相应的频谱分析测试，通常采用的技术路线，是通过微波频谱分析仪提供的本振信号，实现0.5THz～0.75THz频段的信号的下变频，产生的中频信号经微波频谱分析仪分析即可完成频谱测试。

0.5THz～0.75THz频段高性能下变频装置的性能直接影响该频段频谱分析的特性，特别是灵敏度、假谱等指标。0.5THz～0.75THz下变频装置包括本振链路和0.5THz～0.75THz混频器两部分组成，考虑到链路实现的难度，目前实现的技术方案主要两种：

第一，0.5THz～0.75THz下变频装置中混频器采用高次的谐波混频方案，将本振驱动链路的频率降至0.11THz以下，整个本振链路可以利用半导体放大器、倍频器等成熟芯片集成实现，难度较低，但由于整个链路中的0.5THz～0.75THz频段高次谐波混频器的变频损耗相对较大，因此导致0.5THz～0.75THz下变频装置的灵敏度相对较低，不满足该频段微弱信号分析检测的要求；

第二，是0.5THz～0.75THz下变频装置中混频器采用低次谐波混频方案，该方案中混频器理论上变频损耗相对较小，但本振链路要求较高，主要表现在以下方面：要求本振链路产生的信号具有高纯性，具有高的谐波抑制，同时具有高的功率平坦度，主要原因是0.5THz～0.75THz频段混频器目前主要采用平面肖特基二极管进行混频，为满足高的变频效率，二极管的阳极尺寸相对较小，导致管芯泵浦开启功率与临界烧毁功率范围非常小，因此需要本振驱动链路具有良好的功率平坦度，然而目前尚无有效的解决方案，尽管采用了低次谐波混频方案，然并未有效的提高0.5THz～0.75THz频段下变频装置的性能。

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宽带下变频装置及其工作方法；

第一方面，本发明提供了一种太赫兹宽带下变频装置；

一种太赫兹带宽下变频装置，包括：

本振链路，所述本振链路通过本振信号输入端口从微波频谱分析仪获取本振信号，将本振信号处理后发送给谐波混频器；

谐波混频器，将本振信号和获取的待处理的频段信号进行下混频处理，得到中频信号；

滤波放大模块，将中频信号进行滤波放大处理，最后得到输出信号。

第二方面，本发明提供了一种太赫兹宽带下变频装置的工作方法；

一种太赫兹宽带下变频装置的工作方法，包括：

从微波频谱分析仪获取本振信号，将本振信号依次进行处理后发送给谐波混频器；

谐波混频器将本振信号和获取的待处理的频段信号进行下混频处理，得到中频信号；

最后，将中频信号进行滤波放大处理，最后得到输出信号，将输出信号发送给微波频谱分析仪进行分析，完成频谱测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本专利针对现有技术方案不足，进行了创新突破，提出了0.5THz～0.75THz频段高灵敏度下变频装置及方法，0.5THz～0.75THz下变频混频器采用四次谐波混频，本振采用×2×2×3 12次倍频的方案，本振链路中变频器件采用多平衡环结构并配合链路中的滤波器，一起实现高杂波抑制指标，降低杂波对末级混频器的性能影响。

另外采用二个均衡器实现本振链路输出功率的均衡，解决了混频器泵浦开启功率与临界烧毁功率范围非常小的问题，提高链路的稳定性，同时整个本振链路采用了温补衰减器，降低了链路对温度的敏感性，提高了环境的适应性。

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为第一个实施例的硬件总体方案；

图2为第一个实施例的均衡器结构示意图；

图3为第一个实施例的四倍频放大滤波模块内部结构示意图；

图4为第一个实施例的三倍频均衡器内部结构示意图；

其中，101表示本振信号输入端口；102表示四倍频放大滤波模块；103表示三倍频均衡器；104表示谐波混频器；105表示待处理的频段信号；106表示滤波放大模块；107表示输出信号；108表示主板；109表示USB接口；110表示电源接口；

其中，201表示输入波导口；202表示输出波导口；203表示梯形吸收负载。

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宽带下变频装置；

如图1所示，一种太赫兹带宽下变频装置，包括：

本振链路，所述本振链路通过本振信号输入端口101从微波频谱分析仪获取本振信号，将本振信号处理后发送给谐波混频器104；

谐波混频器104，将本振信号和获取的待处理的频段信号105进行下混频处理，得到中频信号；

滤波放大模块106，将中频信号进行滤波放大处理，最后得到输出信号107。

进一步地，所述本振链路，包括：依次连接的四倍频放大滤波模块102和三倍频均衡器103；其中，所述四倍频放大滤波模块102与本振信号输入端口101连接；所述三倍频均衡器103与谐波混频器104连接。

进一步地，如图3所示，所述四倍频放大滤波模块102，包括：

依次连接的放大器F1、二倍频器B1、放大器F2、滤波器L1、二倍频器B2、放大器F3、温补衰减器、滤波器L2和均衡器J1；

其中，放大器F1与本振信号输入端口101连接；

其中，均衡器J1与三倍频均衡器103连接。

进一步地，所述四倍频放大滤波模块102，其工作原理包括：

对本振信号进行四倍频放大滤波处理、温补衰减处理和均衡处理，得到处理后的信号。

所述温补衰减处理，是指：不同温度下衰减量不一致，温度越低衰减量越大，以弥补放大器温度越低增益越高的问题。理想情况下是温度带来衰减量和增益变化量之和为零。

本振信号输入频率范围为10.41GHz～15.63GHz，频率相对较低，测试应用更为方便，该信号经四倍频放大滤波模块102，产生41.64GHz～62.52GHz频段信号，并具有高的谐杂波抑止和高的功率平坦度。

进一步地，如图4所示，所述三倍频均衡器103，包括：

依次连接的三倍频器B3和均衡器J2；

其中，三倍频器B3与均衡器J1连接；

其中，均衡器J2与谐波混频器104连接。

进一步地，所述滤波放大模块106，包括：

依次连接的滤波器L3和放大器F4。

进一步地，所述三倍频均衡器103，其工作原理包括：

对四倍频放大滤波模块102输出的信号进行三倍频处理和均衡处理，得到处理信号。

示例性的，41.64GHz～62.52GHz频段信号驱动三倍频均衡器103产生124.92GHz～187.56GHz频段的信号，并进一步的均衡，满足末级0.5THz～0.75THz频段四次谐波混频器104的本振要求。

进一步地，所述四倍频放大滤波模块102的放大器F2、放大器F3、二倍频器B1和二倍频器B2均与主板108连接，所述主板108分别与USB接口109和电源接口110连接。

示例性的，所述谐波混频器104，将本振信号和获取的待处理的频段信号105进行下混频处理，得到中频信号；具体是指：

0.5THz～0.75THz射频信号在谐波混频器104处与本振链路进行下混频，产生中频信号。

USB接口109为0.5THz～0.75THz下变频装置与微波频谱分析仪进行通信的USB接口，电源接口110为15V电源输入接口，主板108是对输入的15V电源进行稳幅、变压和滤波，满足四倍频放大滤波模块102直流偏置的需求。

本发明实现的0.5THz～0.75THz频段下变频装置中核心功能模块单元有3个：

四倍频放大滤波模块102是2×2的4倍频单元，四倍频放大滤波模块102为本振链路的第一级，解决四倍频后产生的41.64GHz～62.52GHz频段信号，高功率平坦度和高谐杂波抑止的问题。为此，四倍频放大滤波模块102两级二倍频器采用多平衡结构，通过倍频器自身实现1次和3次谐波的高抑止，并配合20.8GHz～31.3GHz和41.6GHz～62.6GHz两个带通滤波器实现41.64GHz～62.52GHz频段信号的高谐、杂波抑止，为提高四倍频放大滤波模块102的功率输出功率平坦度，在末级输出处增加了均衡器，均衡倍频器、滤波器和放大器等器件恶化的功率输出平坦度，同时为提高整个模块的环境适应性，增加了温补衰减器，降低环境温度变化对有源器件的影响。

三倍频均衡器103是本振链路的末级三倍频器，其要求与四倍频放大滤波模块102要求一致，三倍频器采用多平衡结构，提高倍频器自身的谐波抑止，同时使用均衡器增加输出功率的平坦度。

四倍频放大滤波模块102和三倍频均衡器103的均衡器电路拓扑结构如图2所示，考虑到四倍频放大滤波模块102和三倍频均衡器103均是波导传输线，因此均衡器也采用波导传输线，通过窄壁上的两个梯形负载，进行传输频段的功率均衡(主要是实现的是斜率均衡，主要原因是四倍频放大滤波模块102和三倍频均衡器103通常低频段功率大和高频段功率小。)

谐波混频器104是0.5THz～0.75THz谐波混频器，谐波次数为4次，相对于2次或3次谐波能够实现的相近的变频损耗，但本振频率具有较大的减小，相对于6以上的更高谐波次数，变频损耗小。同时为解决宽带和高灵敏度相互制约的技术问题，采用分布式接地和本振滤波多级级联电路拓扑。

本专利提出的0.5THz～0.75THz宽带高性能下变频装置及方法，采用4次谐波混频进行下变频，完成0.5THz～0.75THz频段信号的下变频接收，四次谐波混频器的本振链路采用2×2×3的12次倍频的方案。

本专利提出的2×2×3的12次倍频的本振链路重点解决高谐、杂波抑止、高功率平坦度和高环境适应性等技术问题，整个链路中倍频器采用多平衡结构，并配合滤波器实现高的谐、杂波抑止，同时采用均衡器实现输出功率在宽频带下具有高的功率平坦度，以及采用温补衰减器，降低了链路对温度的敏感性，提高了环境的适应性。

图2是均衡器的结构示意图。

进一步地，所述均衡器包括：矩形波导，所述矩形波导的两个窄壁内侧均粘贴有梯形吸收负载203，矩形波导有两个端口，一个端口作为输入波导口201，另外一个端口作为输出波导口202。所述梯形吸收负载203由电阻膜层制备而成。

梯形吸收负载203安装在波导壁的窄壁内侧。由于均衡器符合互易原理，因此输入波导口201和输出波导口202可以互换，即输出波导口202亦可用于输入和输入波导口201亦可用于输出，不影响均衡器的性能、功能。所述均衡器的具体的工作原理是：信号经输入波导口201，经波导传输线上的窄壁的2个梯形吸收负载203，完成信号的吸收，不同的频率满足不同的吸收特性，最后经输出波导口202输出信号。

实施例二

本实施例提供了一种太赫兹宽带下变频装置的工作方法；

一种太赫兹宽带下变频装置的工作方法，包括：

从微波频谱分析仪获取本振信号，将本振信号依次进行处理后发送给谐波混频器；

谐波混频器将本振信号和获取的待处理的频段信号进行下混频处理，得到中频信号；

最后，将中频信号进行滤波放大处理，最后得到输出信号，将输出信号发送给微波频谱分析仪进行分析，完成频谱测试。

进一步地，所述从微波频谱分析仪获取本振信号，将本振信号依次进行处理后发送给谐波混频器；具体包括：

对本振信号，进行第一次放大处理；

将第一次放大处理得到的信号，进行第一次二倍频处理；

将第一次二倍频处理得到的信号，进行第二次放大处理；

将第二次放大处理得到的信号，进行第一次滤波处理；

将第一次滤波处理得到的信号，进行第二次二倍频处理；

将第二次二倍频处理得到的信号，进行第三次放大处理；

将第三次放大处理得到的信号，进行温补衰减处理；

将温补衰减处理得到的信号，进行第二次滤波处理；

将第二次滤波处理得到的信号，进行第一次均衡处理；

将第一次均衡处理得到的信号，进行三倍频处理；

将三倍频处理得到的信号，进行第二次均衡处理；

将第二次均衡处理得到的信号发送给谐波混频器。

进一步地，所述谐波混频器将本振信号和获取的待处理的频段信号进行下混频处理，得到中频信号；具体包括：

所述四次谐波混频器将本振信号和获取的待处理的频段信号进行下混频处理，得到中频信号。

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)

1.一种太赫兹带宽下变频装置，其特征是，包括：

本振链路，所述本振链路通过本振信号输入端口从微波频谱分析仪获取本振信号，将本振信号处理后发送给谐波混频器；所述本振链路，包括：依次连接的四倍频放大滤波模块和三倍频均衡器；其中，所述四倍频放大滤波模块与本振信号输入端口连接；所述三倍频均衡器与谐波混频器连接；所述四倍频放大滤波模块，包括：

依次连接的放大器F1、二倍频器B1、放大器F2、滤波器L1、二倍频器B2、放大器F3、温补衰减器、滤波器L2和均衡器J1；

其中，放大器F1与本振信号输入端口连接；

其中，均衡器J1与三倍频均衡器连接；

所述三倍频均衡器，包括：依次连接的三倍频器B3和均衡器J2；其中，三倍频器B3与均衡器J1连接；其中，均衡器J2与谐波混频器连接；

所述均衡器包括：矩形波导，所述矩形波导的两个窄壁内侧均粘贴有梯形吸收负载，矩形波导有两个端口，一个端口作为输入波导口，另外一个端口作为输出波导口，所述梯形吸收负载由电阻膜层制备而成；

谐波混频器，将本振信号和获取的待处理的频段信号进行下混频处理，得到中频信号；

滤波放大模块，将中频信号进行滤波放大处理，最后得到输出信号；所述滤波放大模块，包括：依次连接的滤波器L3和放大器F4。

2.如权利要求1所述的一种太赫兹带宽下变频装置，其特征是，

所述四倍频放大滤波模块，其工作原理包括：

对本振信号进行四倍频放大滤波处理、温补衰减处理和均衡处理，得到处理后的信号。

3.如权利要求1所述的一种太赫兹带宽下变频装置，其特征是，所述三倍频均衡器，其工作原理包括：

对四倍频放大滤波模块输出的信号进行三倍频处理和均衡处理，得到处理信号。

4.如权利要求1所述的一种太赫兹带宽下变频装置，其特征是，所述四倍频放大滤波模块的放大器F2、放大器F3、二倍频器B1和二倍频器B2均与主板连接，所述主板分别与USB接口和电源接口连接。

5.如权利要求1所述的一种太赫兹带宽下变频装置，其特征是，

本振链路输入的本振信号输入频率范围为10.41GHz～15.63GHz；

本振信号经四倍频放大滤波模块处理，产生41.64GHz～62.52GHz频段信号；

41.64GHz～62.52GHz频段信号驱动三倍频均衡器产生124.92GHz～187.56GHz频段的信号；并进一步的均衡，满足末级0.5THz～0.75THz频段四次谐波混频器的本振要求；

0.5THz～0.75THz射频信号在谐波混频器处与本振链路进行下混频，产生中频信号。

6.一种太赫兹宽带下变频装置的工作方法，利用如权利要求1所述的一种太赫兹带宽下变频装置实现，其特征是，包括：

从微波频谱分析仪获取本振信号，将本振信号依次进行处理后发送给谐波混频器；

谐波混频器将本振信号和获取的待处理的频段信号进行下混频处理，得到中频信号；

最后，将中频信号进行滤波放大处理，最后得到输出信号，将输出信号发送给微波频谱分析仪进行分析，完成频谱测试。

7.如权利要求6所述的一种太赫兹宽带下变频装置的工作方法，其特征是，所述从微波频谱分析仪获取本振信号，将本振信号依次进行处理后发送给谐波混频器；具体包括：

对本振信号，进行第一次放大处理；将第一次放大处理得到的信号，进行第一次二倍频处理；将第一次二倍频处理得到的信号，进行第二次放大处理；第二次放大处理得到的信号，进行第一次滤波处理；将第一次滤波处理得到的信号，进行第二次二倍频处理；将第二次二倍频处理得到的信号，进行第三次放大处理；将第三次放大处理得到的信号，进行温补衰减处理；将温补衰减处理得到的信号，进行第二次滤波处理；将第二次滤波处理得到的信号，进行第一次均衡处理；将第一次均衡处理得到的信号，进行三倍频处理；将三倍频处理得到的信号，进行第二次均衡处理；将第二次均衡处理得到的信号发送给谐波混频器。

8.如权利要求6所述的一种太赫兹宽带下变频装置的工作方法，其特征是，所述谐波混频器将本振信号和获取的待处理的频段信号进行下混频处理，得到中频信号；具体包括：所述谐波混频器将本振信号和获取的待处理的频段信号进行下混频处理，得到中频信号。

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