單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，涉及太赫茲測(cè)量的【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明的裝置包括兩個(gè)信號(hào)通道，即測(cè)試通道和參考通道，在測(cè)試通道中，發(fā)射頻綜通過(guò)定向耦合器依次連接有倍頻放大模塊、待測(cè)輻射源以及能接收射頻信號(hào)并混頻的接收機(jī)；在參考通道中，發(fā)射頻綜及本振頻綜均通過(guò)定向耦合器另一輸出端口與微波混頻器連接。接收機(jī)及微波混頻器的中頻輸出端口均與一個(gè)雙通道A/D采集卡連接。本發(fā)明具有可完成太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量且相位測(cè)量精度與雙接收機(jī)方案相當(dāng)、構(gòu)建成本低廉、系統(tǒng)配置更加靈活的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲測(cè)量的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及測(cè)量太赫茲頻段(含毫米波、亞毫米波波段)矢量場(chǎng)形的裝置及方法，具體的說(shuō)，是一種單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]矢量場(chǎng)形測(cè)量是指同時(shí)測(cè)量電磁場(chǎng)的幅度和相位分布。通過(guò)某一固定平面上的二維矢量場(chǎng)形測(cè)量，可以推導(dǎo)待測(cè)輻射源在全空間范圍內(nèi)的三維場(chǎng)分布及其傳播特性，因此這種測(cè)量方法在反射面天線、饋源喇叭、微波毫米波成像系統(tǒng)以及準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域里是重要的測(cè)量手段。為了獲取待測(cè)場(chǎng)的相位分布，需要為測(cè)量信號(hào)提供一路相位參考信號(hào)，該信號(hào)不隨空間掃描位置的變化而變化，而僅僅用來(lái)表征發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中振蕩器產(chǎn)生的隨機(jī)相位波動(dòng)。在測(cè)量信號(hào)的相位中扣除這部分隨機(jī)相位波動(dòng)，即可得到待測(cè)場(chǎng)真實(shí)的相位分布信息。在傳統(tǒng)的微波和毫米波矢量場(chǎng)形測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)分別由兩臺(tái)接收機(jī)提供(如圖1所示)，其中一臺(tái)接收機(jī)接收來(lái)自測(cè)量場(chǎng)的信號(hào)，而另一臺(tái)接收機(jī)通過(guò)定向耦合器直接與發(fā)射機(jī)相連。兩臺(tái)接收機(jī)共用同一本振源，實(shí)現(xiàn)相位相關(guān)。在頻率更高的亞毫米波和太赫茲頻段，原理上仍可采用上述系統(tǒng)構(gòu)成，但在這些頻段，發(fā)射機(jī)的輸出功率一般較低，接收機(jī)的成本較高，且噪聲溫度相對(duì)低頻段而言大幅升高，常常不能滿足矢量場(chǎng)形測(cè)量所需的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍要求。采用高靈敏度超導(dǎo)接收機(jī)可以獲得比半導(dǎo)體接收機(jī)低一個(gè)量級(jí)以上的噪聲溫度，實(shí)現(xiàn)高精度的場(chǎng)形測(cè)量，但其缺點(diǎn)是體積和功耗較大，成本昂
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀，而提供一種只使用一臺(tái)接收機(jī)即可完成太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量且相位測(cè)量精度與雙接收機(jī)方案相當(dāng)、構(gòu)建成本低廉、系統(tǒng)配置更加靈活的單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:
單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置，包括發(fā)射頻綜、本振頻綜、測(cè)試通道和參考通道，在測(cè)試通道中，發(fā)射頻綜通過(guò)定向耦合器依次連接有倍頻放大模塊、待測(cè)輻射源以及能接收射頻信號(hào)并混頻的接收機(jī)；在參考通道中，發(fā)射頻綜及本振頻綜均通過(guò)定向耦合器另一輸出端口與微波混頻器連接。接收機(jī)及微波混頻器的中頻輸出端口均與采集卡連接。
[0005]為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括:
上述的采集卡為雙通道A/D采集卡。
[0006]上述的定向I禹合器包括有第一定向I禹合器和第二定向I禹合器，發(fā)射頻綜與第一定向耦合器連接，本振頻綜與第二定向耦合器連接，第一定向耦合器和第二定向耦合器均包括有兩個(gè)輸出端口，且這兩個(gè)端口分別連通測(cè)試通道以及參考通道。
[0007]上述的發(fā)射頻綜、本振頻綜和采集卡之間通過(guò)IOMHz參考信號(hào)線相互連接。[0008]上述的通過(guò)單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置測(cè)量太赫茲矢量場(chǎng)形的方法，包括以下步驟:
步驟一、發(fā)射頻綜和本振頻綜分別與一個(gè)定向耦合器相連，定向耦合器的兩個(gè)輸出通道分別作為測(cè)試和參考通道，發(fā)射頻綜發(fā)出的微波信號(hào)頻率記為fm，本振頻綜發(fā)出的微波信號(hào)頻率記為/m ;
步驟二、在測(cè)量通道中，發(fā)射頻綜輸出的微波信號(hào)經(jīng)倍頻放大后，生成太赫茲射頻信號(hào)，經(jīng)接收機(jī)接收并混頻后，生成測(cè)試中頻信號(hào)，其頻率為/*_ =m( Zsr - /ω )，其中m為測(cè)試通道的總倍頻次數(shù)；
步驟三、在參考通道中，發(fā)射頻綜和本振頻綜輸出的信號(hào)送入微波混頻器中，生成參考中頻號(hào)，其頻率為/V = fm ~ f\a ;
步驟四、將測(cè)試中頻信號(hào)和參考中頻信號(hào)送入采集卡中，所述的采集卡對(duì)二者進(jìn)行A/D采樣，得到測(cè)試通道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)Α(?)以及參考通道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)&(0 ；
步驟五、對(duì)測(cè)試通道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)及參考通道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)進(jìn)行軟件數(shù)字信號(hào)處理，得到測(cè)試通道的幅度和相位。
[0009]上述的步驟五中對(duì)測(cè)試通道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)及參考通道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)進(jìn)行軟件數(shù)字信號(hào)處理的流程為:
1)分別對(duì)Α(?)和&(()進(jìn)行傅里葉變換，得到測(cè)試中頻的頻譜石(/)和參考中頻的頻譜石(/);
2)從測(cè)試中頻頻譜中提取測(cè)試信號(hào)的幅度和相位；
3)從參考中頻頻譜中提取參考信號(hào)的幅度[Xi(Zjr)I和相位ZJTjtCfjr)；
4)計(jì)算測(cè)試信號(hào)校正后的相位為IrWrff)ZXsCfwJ )。
[0010]上述的步驟四中采集卡8的采樣頻率/^〉W.。
[0011]本發(fā)明的單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置是基于單一接收機(jī)的矢量場(chǎng)形測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)方案基于高速A/D采集板卡，并利用數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)高精度相位參考信號(hào)，系統(tǒng)構(gòu)成方便靈活，且相位測(cè)量精度與雙接收機(jī)方案相當(dāng)。高速A/D采集板卡是雙通道采集板卡，兩個(gè)通道分別定義為通道I和通道2。本發(fā)明的發(fā)射頻綜和本振頻綜分別和一個(gè)定向耦合器或功分器相連，定向耦合器的兩個(gè)輸出通道分別作為測(cè)試和參考通道。在測(cè)量通道中，發(fā)射頻綜輸出的微波信號(hào)經(jīng)多次倍頻放大后，生成太赫茲射頻信號(hào)，經(jīng)接收機(jī)接收并混頻后，生成測(cè)試中頻信號(hào)，其頻率為f胃=HI(Zbf-Zio),在參考通道中，發(fā)射頻綜和本振頻綜輸出的信號(hào)送入一個(gè)微波混頻器中，生成參考中頻信號(hào)，其頻率為/?T = ZW -/M。測(cè)試和參考中頻信號(hào)被分別送入雙通道高速A/D采集卡的通道I和通道2進(jìn)行A/D采樣，得到測(cè)試通道和參考通道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)Α(?)和&(()。對(duì)兩路中頻時(shí)域信號(hào)進(jìn)行軟件數(shù)字信號(hào)處理，最后提取出測(cè)試通道的幅度和相位信息。為避免混疊，高速A/D采集卡的采樣頻率Λ需?兩足/it〉w°
[0012]本方法相對(duì)于傳統(tǒng)的雙接收機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成方案的優(yōu)點(diǎn)在于:利用單一接收機(jī)就能實(shí)現(xiàn)矢量場(chǎng)形測(cè)量的方法 在太赫茲頻段是極具優(yōu)勢(shì)的，不僅可以降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，還有利于系統(tǒng)集成與小型化，借助高分辨率高速A/D采集板卡進(jìn)行全數(shù)字化的中頻信號(hào)處理，提高中頻信號(hào)處理的信噪比。本方法還可擴(kuò)展到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)采用不同倍頻次數(shù)的測(cè)量裝置中，使系統(tǒng)配置更加靈活?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是【背景技術(shù)】中雙接收機(jī)測(cè)量太赫茲矢量場(chǎng)形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例的560GHz矢量場(chǎng)形測(cè)量的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明第一實(shí)施例的850GHz矢量場(chǎng)形測(cè)量的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0015]圖1為【背景技術(shù)】裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2至圖4所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]其中的附圖標(biāo)記為:發(fā)射頻綜1、本振頻綜2、定向耦合器3、第一定向耦合器31、第二定向耦合器32、倍頻放大模塊4、待測(cè)輻射源5、接收機(jī)6、微波混頻器7、采集卡8、矢量電壓計(jì)9。
[0017]第一實(shí)施例:
本發(fā)明的單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置，如圖2所示，包括發(fā)射頻綜I和本振頻綜2，發(fā)射頻綜I和本振頻綜2分別通過(guò)一定向耦合器3同時(shí)連接測(cè)試通道及參考通道，且在測(cè)試通道中，發(fā)射頻綜I通過(guò)定向耦合器3依次連接有倍頻放大模塊4、待測(cè)輻射源5以及能接收射頻信號(hào)并混頻的接收機(jī)6，其中，在參考通道中，發(fā)射頻綜I及本振頻綜2均通過(guò)定向耦合器3與微波混頻器7連接，接收機(jī)6及微波混頻器7均與采集卡8連接。通過(guò)圖2所示的系統(tǒng)測(cè)量560GHz矢量場(chǎng)形，如圖3所示，圖3中射頻頻綜I和本振頻綜2分別輸出15.55GHz和15.56GHz的微波信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)36次倍頻后，生成559.8GHz的太赫茲射頻信號(hào)和560.16GHz的太赫茲本振信號(hào)，兩者經(jīng)接收機(jī)6中的HEB混頻器混頻并濾波放大后，得到360MHz的測(cè)試中頻信號(hào)。另外，射頻頻綜I和本振頻綜2輸出的信號(hào)直接通過(guò)微波混頻器7混頻后得到IOMHz的參考中頻信號(hào)。測(cè)試中頻信號(hào)與參考中頻信號(hào)同時(shí)送入NI 5772R高速A/D采集板卡進(jìn)行采樣，該采集卡為雙通道采集卡，最高采樣頻率為800MHz，分辨率為12bit，可實(shí)現(xiàn)最高72dB的采樣動(dòng)態(tài)范圍。采集卡輸出測(cè)試與參考通道的時(shí)域采樣信號(hào)，再經(jīng)過(guò)軟件數(shù)字信號(hào)處理，最終得到測(cè)試信號(hào)校正后的相位為各=ZSir-SiZXji,其中ZJTr和ZTi分別為測(cè)試信號(hào)和參考信號(hào)的相位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量系統(tǒng)可在560GHz頻段實(shí)現(xiàn)±1%的幅度測(cè)量精度和±1°的相位測(cè)量精度。
[0018]第二實(shí)施例:
如圖4所示，本實(shí)施例中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)采用不同倍頻次數(shù)，并通過(guò)圖2所示的系統(tǒng)測(cè)量850GHz矢量場(chǎng)形。本實(shí)施例中，射頻頻綜I和本振頻綜2分別輸出11.81GHz和15.74GHz的微波信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)72次倍頻和54次倍頻后，生成850.32GHz的太赫茲射頻信號(hào)和849.96GHz的太赫茲本振信號(hào)，兩者經(jīng)HEB混頻器混頻并濾波放大后，得到360MHz的測(cè)試中頻信號(hào)。在參考路，射頻頻綜I和本振頻綜2輸出的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)4次和3次倍頻，得到47.24GHz和47.22GHz的毫米波信號(hào)，兩者經(jīng)微波混頻器7混頻后得到20MHz的參考中頻信號(hào)。測(cè)試與參考中頻信號(hào)同時(shí)送入NI 5772R高速A/D采集板卡進(jìn)行采樣，得到測(cè)試與參考通道的時(shí)域采樣信號(hào)。最終得到測(cè)試信號(hào)校正后的相位為
[0019]最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置，包括發(fā)射頻綜(1)和本振頻綜(2)，其特征是:本單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置還包括測(cè)試通道和參考通道，在測(cè)試通道中，所述的發(fā)射頻綜(1)通過(guò)定向耦合器(3)依次連接有倍頻放大模塊(4)、待測(cè)輻射源(5)以及能接收射頻信號(hào)并混頻的接收機(jī)出)，在參考通道中，發(fā)射頻綜(1)和本振頻綜(2)均通過(guò)定向耦合器(3)另一輸出端口與微波混頻器(7)連接，所述的接收機(jī)(6)及微波混頻器(7)的中頻輸出端口均與采集卡(8)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置，其特征是:所述的采集卡⑶為雙通道A/D采集卡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置，其特征是:所述的定向耦合器(3)包括有第一定向耦合器(31)和第二定向耦合器(32)，所述的發(fā)射頻綜(1)與第一定向耦合器(31)連接，所述的本振頻綜(2)與第二定向耦合器(32)連接，所述的第一定向耦合器(31)和第二定向耦合器(32)均包括有兩個(gè)輸出端口，且這兩個(gè)端口分別連通測(cè)試通道以及參考通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置，其特征是:所述的發(fā)射頻綜⑴、本振頻綜⑵和采集卡⑶之間通過(guò)1OMHz參考信號(hào)線相互連接。
5.通過(guò)如權(quán)利要求1所述的單接收機(jī)太赫茲矢量場(chǎng)形測(cè)量裝置測(cè)量太赫茲矢量場(chǎng)形的方法，其特征是:包括以下步驟: 步驟一、發(fā)射頻綜⑴和本振頻綜⑵分別與一個(gè)定向耦合器⑶相連，所述的定向耦合器(3)的兩個(gè)輸出通道分別作為測(cè)試和參考通道，發(fā)射頻綜(1)發(fā)出的微波信號(hào)頻率記為/
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量太赫茲矢量場(chǎng)形的方法，其特征是:所述的步驟五中對(duì)測(cè)試通道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)及參考通道的時(shí)域數(shù)字信號(hào)進(jìn)行軟件數(shù)字信號(hào)處理的流程為: 分別對(duì)Αr(t)和x8(t)進(jìn)行傅里葉變換，得到測(cè)試中頻的頻譜x1(f)和參考中頻的頻譜xg{f)； 2)從測(cè)試中頻頻譜中提取測(cè)試信號(hào)的幅度
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量太赫茲矢量場(chǎng)形的方法，其特征是:所述的步驟四中采集卡⑶的采樣頻率
【文檔編號(hào)】G01R29/08GK103884922SQ201410114485
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】婁錚, 胡潔, 周康敏, 林鎮(zhèn)輝, 姚騎均, 史生才 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)