在毫米波區(qū)域中對氣體的吸收頻譜的檢測及鎖定的制作方法
【專利摘要】本申請案涉及在毫米波區(qū)域中對氣體的吸收頻譜的檢測及鎖定。本發(fā)明揭示一種頻率參考裝置(100)，其包含用以基于氣體的吸收線產(chǎn)生頻率參考信號的頻率參考產(chǎn)生單元(402)。
【專利說明】在毫米波區(qū)域中對氣體的吸收頻譜的檢測及鎖定

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請案涉及頻譜檢測。

【背景技術(shù)】
[0002]頻譜及頻譜儀可用作各種測量及參考工具。此類工具可對幾乎任一形式的物質(zhì)使用大量測量技術(shù)。測量技術(shù)可取決于所關(guān)注的材料，所述材料可決定何種頻率/波長可最適于測量。舉例來說，頻譜儀可適于測量發(fā)射及吸收頻譜。此外，傳輸頻譜儀可特定尋找材料的特性吸收線。吸收線可用于從一系列已知頻譜識別未知物質(zhì)，或吸收線可用于檢測樣本中的已知物質(zhì)的量。一般來說，頻譜原理可用于各種測量或用于基于頻率或波長界定參考。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]頻譜原理可用于一種包含用以基于氣體的吸收線產(chǎn)生頻率參考信號的頻率參考產(chǎn)生單元的頻率參考裝置中。
[0004]頻譜原理還可實(shí)施于一種產(chǎn)生參考頻率的方法中，所述方法包含:接收經(jīng)發(fā)射穿過含有氣體的氣體吸收池的射頻(RF)信號，借助所述RF信號檢測所述氣體的吸收線，及基于所述吸收線的頻率產(chǎn)生參考頻率。
[0005]頻譜原理可進(jìn)一步用于一種用于產(chǎn)生參考頻率信號的系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)包含含有氣體的氣體吸收池及信號產(chǎn)生與檢測單元。所述信號產(chǎn)生與檢測單元用于產(chǎn)生RF信號，檢測所述氣體的吸收線，鎖定所述吸收線，及基于所述吸收線輸出參考頻率信號。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]針對本發(fā)明的示范性實(shí)施例的詳細(xì)說明，現(xiàn)在將參考所附圖式，其中:
[0007]圖1展示根據(jù)如本文中所描述的各種實(shí)例的單個(gè)封裝參考產(chǎn)生裝置100的框圖；
[0008]圖2展示根據(jù)本文中所論述的各種實(shí)例的時(shí)鐘參考系統(tǒng)的框圖；
[0009]圖3展示根據(jù)如本文中所論述的各種實(shí)例的吸收池的實(shí)例；
[0010]圖4展示根據(jù)本文中所論述的各種實(shí)例的IC 206的框圖；
[0011]圖5展示在各種壓力下水的183.31 GHz吸收線的傳輸頻譜的曲線圖；
[0012]圖6是根據(jù)本文中所論述的各種實(shí)例的用于產(chǎn)生頻率參考的方法的流程圖；及
[0013]圖7展示根據(jù)本文中所論述的各種實(shí)例的頻譜儀。
[0014]符號及命名法
[0015]遍及以下說明及權(quán)利要求書使用特定術(shù)語來指特定系統(tǒng)組件。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，公司可以不同名稱提及一組件。本文件不打算區(qū)分在名稱但非功能上不同的組件。在以下論述中及在權(quán)利要求書中，術(shù)語“包含(including) ”及“包括(comprising)”是以開放式方式使用的，且因此應(yīng)解釋為意指“包含但不限于…”。此外，術(shù)語“耦合(couple或couples) ”打算意指間接或直接連接。因此，如果第一裝置耦合到第二裝置，那么所述連接可通過直接連接或通過經(jīng)由其它裝置及連接的間接連接。

【具體實(shí)施方式】
[0016]以下論述針對于本發(fā)明的各種實(shí)施例。雖然這些實(shí)施例中的一或多者可為優(yōu)選的，但所揭示的實(shí)施例不應(yīng)被解釋為或以其它方式用作限制包含權(quán)利要求書的本發(fā)明的范圍。另外，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，以下說明具有廣泛應(yīng)用，且對任一實(shí)施例的論述僅意欲為所述實(shí)施例的示范性的，且不打算暗示包含權(quán)利要求書的本發(fā)明的范圍限于所述實(shí)施例。
[0017]可以各種方式且在寬廣頻率范圍下利用頻譜?？墒褂妙l譜分析來確定樣本的光學(xué)特性，樣本為(舉例來說)氣體或固體。還可使用頻譜分析來確定(舉例來說)分子的固有特性、特性吸收機(jī)制及其對應(yīng)頻率。多年來，已分析大多數(shù)元件及容易發(fā)生的分子以提供這些已知物質(zhì)的頻譜數(shù)據(jù)庫。此數(shù)據(jù)庫可用于(例如)通過對未知?dú)怏w樣本執(zhí)行頻譜且接著將任何經(jīng)檢測吸收峰值及其對應(yīng)頻率與所述數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較而幫助確定所述樣本的構(gòu)成。另外，經(jīng)測量頻譜還可用于確定樣本中的特定氣體的量。除使用頻譜儀之外，還可使用分析工具、頻譜原理來產(chǎn)生頻率參考以用作(舉例來說)電子器件的時(shí)鐘信號。
[0018]所有類型的計(jì)算裝置中所使用的時(shí)鐘參考按常規(guī)由晶體(通常為石英)制作，其使用晶體的本質(zhì)振蕩作為頻率參考。晶體振蕩器可制作成可用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及移動計(jì)算裝置中的小的外觀尺寸，但可具有百萬分率的準(zhǔn)確性的上限。此準(zhǔn)確性限制意指對參考頻率或系統(tǒng)時(shí)鐘的改變敏感的計(jì)算及通信應(yīng)用可能有時(shí)不恰當(dāng)?shù)夭僮?。在頻譜的另一端，原子時(shí)鐘為極度準(zhǔn)確的(在114的范圍內(nèi))，但由于其組件而可為小型汽車的大小。因此，對于許多應(yīng)用及系統(tǒng)，用于計(jì)算及通信裝置的小的外觀尺寸、準(zhǔn)確時(shí)鐘可為合意的。
[0019]本文中描述一種用于基于氣體的吸收線產(chǎn)生芯片級頻率參考的方法及系統(tǒng)。所述方法及系統(tǒng)使用氣體的吸收線的中心頻率作為參考頻率，所述中心頻率是使用電磁(EM)頻譜的毫米波(mm波)、微波及太赫茲(THz)頻率部分中的射頻(RF)信號檢測的。在檢測到吸收線后，吸收線可即刻被系統(tǒng)鎖定并跟蹤。跟蹤吸收線可允許系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定頻率參考。
[0020]圖1展示根據(jù)如本文中所描述的各種實(shí)例的單個(gè)封裝參考產(chǎn)生裝置100的框圖。裝置100可包含測量與控制集成電路(IC) 102及吸收池104 (吸收池104還可稱為池104)。測量與控制IC 102可為安裝到池104的單個(gè)1C。測量與控制IC 102可包含RF信號產(chǎn)生、發(fā)射及檢測組件，信號分析單元及參考頻率信號產(chǎn)生單元。測量與控制IC 102可安裝到池104使得所產(chǎn)生的RF信號被發(fā)射到池102中，且在RF信號通過池104之后從池104接收?；蛘?，測量與控制IC 102可由互連且安裝到池104的多個(gè)IC芯片構(gòu)成。
[0021]池104可包括填充有(舉例來說)氣體、水蒸氣的內(nèi)部波導(dǎo)，且可包含用于RF信號在進(jìn)入到池104中及從池104出來的途中通過的出入端口或出入窗口?？墒菇柚?04含納的氣體保持在低壓(舉例來說，0.1毫巴)下以促進(jìn)氣體的特性吸收線的檢測。還可實(shí)施其它壓力且其并非裝置100的限制方面。池104中的氣體的壓力可幫助區(qū)別吸收線與背景，此又可減少裝置100的檢測時(shí)間。
[0022]測量與控制IC 102可產(chǎn)生并調(diào)制發(fā)射到池104中的RF信號?？赏ㄟ^使RF信號掃掠過一頻率范圍以檢測池104中的氣體的吸收線而使用RF信號來首先檢測所述吸收線。可通過所采用的調(diào)制方案促進(jìn)吸收線的檢測。所使用的頻率范圍可與吸收線的已知頻率(包含吸收線的寬度的變化)一致。吸收線的寬度可受各種因素(例如池104中的氣體的壓力及溫度)影響。
[0023]一旦已檢測到吸收線，測量與控制IC 102便可產(chǎn)生用于調(diào)整在其處發(fā)射RF信號的頻率的誤差信號使得吸收線由裝置100跟蹤或鎖定。測量與控制IC 102可接著使用RF信號的頻率來計(jì)算并輸出頻率參考信號f_106。舉例來說，如果池104中的氣體為水蒸氣且經(jīng)檢測吸收線對應(yīng)于水的183.31 GHz吸收線，那么頻率參考信號106可為183.3IGHz。
[0024]在裝置100啟動時(shí)或周期性地取決于氣體的吸收線如何動態(tài)，裝置100可實(shí)施校準(zhǔn)過程。校準(zhǔn)過程可用于從所關(guān)注的吸收線的頻譜測量移除任一背景頻譜及噪聲。校準(zhǔn)過程可估計(jì)池104及同測量與控制IC 102相關(guān)聯(lián)的檢測器的性能特性。可接著使用池104及檢測器的所估計(jì)性能特性來從所接收RF信號移除背景頻譜?？稍谘b置100產(chǎn)生頻率參考信號106時(shí)連續(xù)地執(zhí)行此移除或補(bǔ)償計(jì)算。
[0025]圖2展示根據(jù)本文中所論述的各種實(shí)例的時(shí)鐘參考系統(tǒng)200的框圖。時(shí)鐘參考系統(tǒng)200可為圖1的單個(gè)封裝參考產(chǎn)生裝置100的另一實(shí)施方案。時(shí)鐘參考200可使用焊料球214安裝到印刷電路板(PCB) 202，但可使用任一其它已知安裝方法。時(shí)鐘參考200可包含IC 206、天線封裝208及吸收池104。天線封裝208及IC 206可使用焊料球212彼此互連，但可使用任何其它形式的互連。IC 206與天線封裝208之間的互連可用于在彼此之間傳達(dá)電信號。如此，IC 206與天線封裝208之間的互連可出于安裝及電連接兩個(gè)目的?；蛘?，IC 206與天線封裝208可組合成單個(gè)1C。
[0026]池104及天線封裝208可彼此耦合使得RF信號在一個(gè)位置處從天線封裝208發(fā)射到池104中且在另一位置處在通過池104之后由天線封裝208接收。天線封裝208可包含與池104的一個(gè)出入端口對準(zhǔn)的RF發(fā)射天線。天線封裝208還可包含與池104的另一出入端口對準(zhǔn)的RF接收器天線。
[0027]IC 206可執(zhí)行同測量與控制IC 102相同的功能中的許多功能且可包含RF產(chǎn)生、調(diào)制及檢測組件以及各種其它信號處理及控制單元。IC 206可執(zhí)行與上文關(guān)于裝置100產(chǎn)生時(shí)鐘信號所論述相同的步驟。IC 206可產(chǎn)生并調(diào)制經(jīng)發(fā)射穿過池104的RF信號以檢測(舉例來說)氣體、水蒸氣的吸收線。一旦已檢測到吸收線，IC 206便可產(chǎn)生反饋或控制信號以調(diào)整在其處發(fā)射RF信號的頻率因此以鎖定吸收線。通過鎖定吸收線，IC 206及時(shí)鐘參考200可產(chǎn)生待由與時(shí)鐘參考200相關(guān)聯(lián)的任何電子器件使用的穩(wěn)定且準(zhǔn)確頻率參考信號。
[0028]另外，在系統(tǒng)啟動時(shí)，IC 206可執(zhí)行類似于由裝置100執(zhí)行的校準(zhǔn)步驟的對時(shí)鐘參考200的校準(zhǔn)。接著，可使用由IC 206獲得的校準(zhǔn)值來連續(xù)地補(bǔ)償由IC 206檢測的RF
信號以增強(qiáng)頻率參考信號的準(zhǔn)確性。
[0029]圖3展示根據(jù)本文中所論述的各種實(shí)例的吸收池104的實(shí)例。吸收池104可包含兩個(gè)出入窗口 302或僅窗口 302及波導(dǎo)304。窗口 302可對發(fā)射到池104中及從池104出來的RF信號為透明的。出入窗口可由電介質(zhì)材料或?qū)F信號透明的任一其它材料構(gòu)成且可安裝到池104上使得與池104主體形成密封。池104的主體可由金屬(例如，黃銅)或高介電常數(shù)材料(例如，陶瓷)組成。
[0030]波導(dǎo)304可含有氣體且可為RF信號采取的從一個(gè)窗口 302到另一窗口 302的路徑。波導(dǎo)304的長度可影響時(shí)鐘參考200或裝置100檢測氣體的吸收線所需的時(shí)間。波導(dǎo)304的長度還可影響在檢測吸收線時(shí)的信噪比。檢測時(shí)間與信噪比可為相關(guān)的，且一者可與另一者相反。信噪比及波導(dǎo)長度還可通過兩個(gè)競爭因素相關(guān)。一個(gè)此種因素可為較長波導(dǎo)304具有較強(qiáng)氣體吸收線信號，因此潛在地增加信噪比且減少檢測時(shí)間。第二因素可為較長波導(dǎo)還將發(fā)射較少總RF功率，從而貢獻(xiàn)于信噪比的減小及較長檢測時(shí)間。針對較短波導(dǎo)304反之亦然。因此，存在將這兩個(gè)因素的信噪比貢獻(xiàn)最大化的最優(yōu)波導(dǎo)長度，且其將取決于系統(tǒng)的RF功率約束。常規(guī)氣體頻譜儀可使用具有約一米的長度的氣體吸收池，但針對小的占用面積、安裝有PCB的裝置，此可為不實(shí)際的。將信噪比最大化的最優(yōu)波導(dǎo)長度還可比在小的占用面積系統(tǒng)中實(shí)際的情況長。因此，所要檢測時(shí)間及可準(zhǔn)許信噪比可幫助確定實(shí)際波導(dǎo)304長度。
[0031]以蛇形圖案展示波導(dǎo)304以增加RF信號采取的從一個(gè)窗口 302到另一窗口 302的路徑長度。蛇形圖案可允許RF信號與氣體之間的更多相互作用因此以形成強(qiáng)吸收線信號以幫助檢測及跟蹤吸收線?；蛘撸▽?dǎo)304可為使用在中心相接的兩個(gè)纏繞螺旋的螺旋形狀。此螺旋定向可具有其中兩個(gè)螺旋在外側(cè)上開始的出入窗口。本發(fā)明不限于這兩種定向且可在本發(fā)明的范圍內(nèi)使用許多其它變化。
[0032]圖4展示根據(jù)本文中所論述的各種實(shí)例的IC 206的框圖。IC 206可包括RF產(chǎn)生與調(diào)制單元402、誤差信號產(chǎn)生單元404、檢測器406 (檢測器406還可稱為接收器406)、數(shù)字信號處理器(DSP) 408及校準(zhǔn)與補(bǔ)償單元410。各種單元402到410可彼此一致地起作用，使得IC 206檢測并跟蹤池104中的氣體的吸收線以產(chǎn)生頻率參考信號。此外，各種單元402到410可表示IC 206的功能性中的僅一些功能性且可通過其它分析單元擴(kuò)增。
[0033]RF產(chǎn)生與調(diào)制單元402可用于產(chǎn)生發(fā)射到池104中的RF信號。可使用各種調(diào)制技術(shù)(例如振幅調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(AM)或頻移鍵控(FSK))調(diào)制RF信號。可在覆蓋EM頻譜的mm波、微波及THz頻率的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生RF信號。RF信號的發(fā)射可用于檢測氣體的吸收線且一旦檢測到吸收線便進(jìn)行鎖定。吸收線的中心頻率一旦被獲取并跟蹤便可接著由裝置100或時(shí)鐘參考200用作頻率參考。RF產(chǎn)生與調(diào)制單元402可耦合到IC206的其它單元404到410且還可耦合到包含于天線封裝208中的RF發(fā)射器天線。
[0034]RF產(chǎn)生與調(diào)制單元402可使RF信號掃掠過一頻率范圍以首先檢測吸收線(舉例來說，水的183.31 GHz吸收線)。如果單元402使用FSK調(diào)制(其使用分離開(舉例來說)設(shè)定頻率跨度的兩個(gè)RF音調(diào))，那么所述兩個(gè)音調(diào)可替代地由檢測器406發(fā)射并測量。兩個(gè)音調(diào)可在50%工作循環(huán)時(shí)發(fā)射。使兩個(gè)音調(diào)分離的頻率跨度可與吸收線的半最大值處的半寬度一致。單元402可將兩個(gè)音調(diào)發(fā)送到天線封裝208中的RF發(fā)射器天線以發(fā)射到池104中。單元402可使用鎖定或經(jīng)匹配濾波檢測技術(shù)來改進(jìn)信噪比。
[0035]檢測器406可耦合到位于天線封裝208上的RF接收器天線以在所發(fā)射RF信號通過池102之后接收所發(fā)射RF信號。檢測器406還可耦合到構(gòu)成IC206的各種其它單元(402,404,408及410)。檢測器406可用于檢測所發(fā)射/所接收RF信號(兩個(gè)FSK音調(diào))的量值以繼續(xù)所述實(shí)例。所接收音調(diào)的量值可表示在所述頻率處經(jīng)歷的吸收(發(fā)射)RF音調(diào)的量。如此，兩個(gè)音調(diào)的量值可在掃掠過所述頻率范圍時(shí)改變。然而，當(dāng)兩個(gè)音調(diào)騎跨吸收線時(shí)，存在其中兩個(gè)音調(diào)的量值變得相等的兩個(gè)頻率。在所述例子中，可檢測吸收線。接著，為使兩個(gè)音調(diào)保持騎跨吸收線，可需要反饋來控制在其處發(fā)射兩個(gè)音調(diào)的頻率。
[0036]誤差信號產(chǎn)生單元404可耦合到各種其它單元402、406到410且可用于產(chǎn)生產(chǎn)生反饋、誤差信號以驅(qū)動RF產(chǎn)生與調(diào)制單元402。通過驅(qū)動單元402，誤差信號允許吸收線由單元402鎖定。為了繼續(xù)FSK調(diào)制實(shí)例，誤差產(chǎn)生單元404可使用兩個(gè)FSK音調(diào)之間的量值差來產(chǎn)生誤差信號。兩個(gè)信號之間的量值差將確定將兩個(gè)音調(diào)的頻率調(diào)整多少及在何種方向上做出所述調(diào)整。誤差信號產(chǎn)生單元404的目標(biāo)可將量值差驅(qū)動為零，此將對應(yīng)于兩個(gè)音調(diào)騎跨吸收線的中心頻率。零可表示兩個(gè)FSK音調(diào)位于距吸收線的中心頻率等距離處。誤差產(chǎn)生單元404可直接從檢測器406接收經(jīng)檢測音調(diào)，或由誤差產(chǎn)生單元404使用的音調(diào)可來自校準(zhǔn)與補(bǔ)償單元410及/或DSP 408。由誤差產(chǎn)生單元404使用的數(shù)據(jù)可為由檢測器406接收的原始信號，或其可為已經(jīng)處理以移除背景頻譜的信號。
[0037]校準(zhǔn)與補(bǔ)償單元410可耦合到IC 206的各種其它單元402到408且可校準(zhǔn)裝置100(時(shí)鐘參考200)使得可從經(jīng)檢測RF信號移除背景頻譜。背景信號的移除可幫助氣體的吸收線的較穩(wěn)健檢測及跟蹤。如上文所描述的校準(zhǔn)過程可涉及單元410估計(jì)池104及檢測器406的性能特性。接著，可使用表示池104及檢測器406的性能特性的值來補(bǔ)償所接收FSK音調(diào)，因此從經(jīng)測量頻譜移除背景頻譜。單元410可執(zhí)行兩個(gè)音調(diào)的補(bǔ)償，或DSP 408可執(zhí)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。另外，經(jīng)補(bǔ)償音調(diào)可由誤差產(chǎn)生單元404用于校準(zhǔn)誤差信號。使用所接收音調(diào)的經(jīng)補(bǔ)償值可產(chǎn)生更準(zhǔn)確誤差信號，從而形成吸收線的更好追蹤及最終更準(zhǔn)確且穩(wěn)定頻率參考信號。
[0038]DSP 408可耦合到IC 206的各種其它單元且可用于各種信號處理任務(wù)。剛剛描述了一個(gè)實(shí)例，但DSP 408還可連同誤差信號產(chǎn)生器404 —起用于計(jì)算使在其處產(chǎn)生RF信號的頻率變化的誤差信號。
[0039]如應(yīng)認(rèn)識到，各種單元402到410可組合成較少單元或模塊。舉例來說，DSP 408可執(zhí)行如同誤差信號產(chǎn)生器404的功能中的一些或所有功能。另外或另一選擇為，所述單元中的一些單元可為由處理器執(zhí)行的軟件、固件或軟件與硬件的組合。
[0040]圖5展示在各種壓力下水的183.31 GHz吸收線的傳輸頻譜的曲線圖500。曲線圖500圖解說明吸收線的寬度及吸收量值如何隨壓力改變。關(guān)于吸收量值，增加吸收池(例如池104)內(nèi)的氣體的壓力使吸收量增加直到達(dá)到飽和為止。然而，壓力的增加還使吸收線的寬度增加。吸收線的增寬是由于壓力增寬(壓力的增加致使分子碰撞，此影響吸收寬度)與多普勒增寬(分子將以不同速度移動，此也影響吸收寬度)的混合。壓力增寬可在高壓下占主導(dǎo)，而在低壓下占主導(dǎo)的多普勒增寬可形成吸收線的寬度的最小值。
[0041]因此，兩種線增寬機(jī)制之間的轉(zhuǎn)變點(diǎn)可為待用于池104內(nèi)的氣體的壓力。在此壓力點(diǎn)(傳輸頻譜500上的0.1毫巴)處，吸收的量值可接近于最大值而線寬度仍為窄的，約1MHz。與水傳輸頻譜(未展示)的其它特性相比，使線寬度保持較窄可允許區(qū)別183.31GHz吸收線與其它寬吸收峰值。將池104中的壓力設(shè)定為0.1毫巴可接著提供具有由于吸收曲線的陡坡度而允許快速檢測時(shí)間及增強(qiáng)的跟蹤的量值的吸收線。舉例來說，如果使用FSK檢測，那么可將0033中所論述的兩個(gè)頻率音調(diào)放置于吸收線的任一側(cè)上的最大坡度的兩點(diǎn)處以提供兩個(gè)音調(diào)的中心與吸收線的中心頻率之間的頻率偏移的最好辨別。
[0042]圖6是根據(jù)本文中所論述的各種實(shí)例的用于產(chǎn)生頻率參考的方法600的流程圖。方法600在步驟602處以接收經(jīng)發(fā)射穿過含有氣體的氣體吸收池的RF信號開始。舉例來說，RF信號可由裝置100的測量與控制IC 102產(chǎn)生并發(fā)射穿過池104。步驟602還可由時(shí)鐘參考200的IC 206實(shí)施。舉例來說，所發(fā)射RF信號可為由IC 206的RF產(chǎn)生與調(diào)制單元402產(chǎn)生并發(fā)射的FSK音調(diào)。所發(fā)射RF信號可接著在通過池104中所含的氣體(例如，水蒸氣)之后由IC 206的檢測器406接收。
[0043]方法600接著在步驟604處以借助RF信號檢測氣體的吸收線繼續(xù)。再次，步驟604可由裝置100的測量與控制IC 102或由時(shí)鐘參考200的IC 206實(shí)施。當(dāng)借助IC 206實(shí)施步驟604時(shí)，檢測器406可針對吸收線(例如水的183.31 GHz吸收線)分析所接收RF信號?？舍槍s183.31 GHz頻率的特性吸收分析所接收RF信號。
[0044]方法600接著在步驟606處以基于吸收線的頻率產(chǎn)生參考頻率完成。一旦氣體的吸收線已由裝置100或時(shí)鐘參考200檢測，吸收線的中心頻率便可用作頻率參考。當(dāng)將水蒸氣用作池104中的氣體時(shí)，183.31 GHz吸收線可為所檢測的吸收線且所述頻率183.3IGHz可在那時(shí)為由裝置100輸出的頻率參考。
[0045]圖7展示根據(jù)本文中所論述的各種實(shí)例的頻譜儀700。頻譜儀700可用于分析氣體樣本以確定何種氣體可存在于樣本中及/或樣本中的氣體的濃度。頻譜儀700可使用緊固部件720安裝到PCB 702。頻譜儀700可包括兩個(gè)主要部分-傳感器704及取樣系統(tǒng)706。傳感器704可實(shí)施許多(如果并非全部)上文關(guān)于裝置100及時(shí)鐘參考200所論述的功能性。替代植入上文所描述的功能性以產(chǎn)生頻率參考信號，頻譜儀700可實(shí)施所述功能以確定未知?dú)怏w樣本的組合物或已知?dú)怏w樣本的濃度值?？赏ㄟ^檢測吸收峰值并將所述峰值的中心頻率與已知吸收峰值的數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較而分析氣體?？苫诮?jīng)測量吸收線的量值以及所述吸收線的寬度確定已知?dú)怏w樣本的濃度。
[0046]傳感器704可包含RF組合件708及吸收池710。吸收池710可類似于池104且可包含用于RF發(fā)射兩個(gè)出入窗口且可包含呈上文所論述設(shè)計(jì)中的任一者的波導(dǎo)。傳感器204還可包含可用于將氣體樣本遞送到吸收池710中并在完成分析之后從吸收池710移除氣體樣本的氣體端口 712。氣體端口 712可與吸收池710形成氣密密封使得在裝載或移除氣體樣本時(shí)無雜散氣體進(jìn)入吸收池710。
[0047]RF組合件708可類似于測量與控制單元102或IC 206與天線封裝208的組合，且RF組合件708可實(shí)施吸收池710中的氣體樣本的吸收線的RF產(chǎn)生及檢測。
[0048]取樣系統(tǒng)706可用于將氣體樣本遞送到吸收池710。取樣系統(tǒng)706可包含泵系統(tǒng)714、閥系統(tǒng)716及樣本端口 718。樣本端口 718可用于將待分析的氣體樣本引入到頻譜儀700。泵系統(tǒng)714可用于在從樣本端口 718用氣體樣本填充吸收池710之前評估吸收池710。泵系統(tǒng)714還可用于維持吸收池710中的設(shè)定壓力。閥系統(tǒng)716可經(jīng)打開以允許載運(yùn)氣體722幫助將氣體樣本從樣本端口 718移動到吸收池710。載運(yùn)氣體722可為惰性氣體使得不發(fā)生與氣體樣本的相互作用。另外，載運(yùn)氣體722的發(fā)射頻譜可由頻譜儀700知曉使得可在發(fā)生分析之前將載運(yùn)氣體722的頻譜從氣體樣本的頻譜移除。
[0049]以上論述意欲說明本發(fā)明的原理及各種實(shí)施例。一旦完全了解以上揭示內(nèi)容，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員便將顯而易見眾多變化及修改。打算所附權(quán)利要求書解釋為囊括所有此類變化及修改。
【權(quán)利要求】
1.一種頻率參考裝置(100)，其包括: 頻率參考產(chǎn)生單元(402)，其用以基于氣體的吸收線產(chǎn)生頻率參考信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述頻率參考產(chǎn)生單元包括含有所述氣體的經(jīng)真空密封氣體吸收池(104)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述參考頻率信號對應(yīng)于所述吸收線的中心頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述吸收線為水蒸氣的183.31 GHz吸收線。
5.—種產(chǎn)生參考頻率的方法，其包括: 接收(602)經(jīng)發(fā)射穿過含有氣體的氣體吸收池的射頻RF信號； 借助所述RF信號檢測(604)所述氣體的吸收線 '及 基于所述吸收線的頻率產(chǎn)生(606)參考頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)一步包括測量所述氣體的頻譜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包括從所述氣體的所述頻譜移除背景頻譜。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)一步包括跟蹤所述吸收線。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)一步包括產(chǎn)生用于跟蹤所述吸收線的誤差信號。
10.一種用于產(chǎn)生參考頻率信號的系統(tǒng)，其包括: 氣體吸收池(104)，其含有氣體；及 信號產(chǎn)生與檢測單元(402、406)，其用以: 產(chǎn)生射頻RF信號； 檢測所述氣體的吸收線； 鎖定所述吸收線 '及 基于所述吸收線輸出參考頻率信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述信號產(chǎn)生與檢測單元使用頻移鍵控調(diào)制方案來檢測并鎖定所述吸收線。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括用以調(diào)整所述RF信號的頻率的誤差信號產(chǎn)生器(404)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括耦合到所述信號產(chǎn)生與檢測單元以將所述RF信號發(fā)射到所述氣體吸收池中的RF發(fā)射器。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括耦合到所述信號產(chǎn)生與檢測單元以在所述RF信號通過所述氣體吸收池之后接收所述RF信號的RF接收器。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述吸收線為在183.31 GHz處的水蒸氣吸收線。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述氣體吸收池為真空密封的且包含RF出入窗□。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括用以從所述氣體的所述經(jīng)測量吸收線移除背景頻譜的校準(zhǔn)單元(410)。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述氣體吸收池包括金屬。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述氣體吸收池包括高介電常數(shù)波導(dǎo)材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述信號產(chǎn)生與檢測單元制作于集成電路IC芯 片(206)上，且所述IC芯片可操作地耦合到所述氣體吸收池。
【文檔編號】G01N22/00GK104237259SQ201410259217
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月12日
【發(fā)明者】菲利普·M·納多, 賈安戈·特朗布利, 巴赫爾·S·哈龍, 斯利納特·M·拉馬斯瓦米 申請人:德州儀器公司