CN112436858A - 一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，属于毫米波/太赫兹技术领域，包括频率源、倍频模块、发射通道、接收通道、电源模块和控制模块。本发明采用单刀双掷开关实现发射通道在连续波和脉冲两种工作模式下的切换，且互不干扰；采用隔离器实现器件之间的匹配以及收发通道之间的隔离，提高了链路的稳定性；通过可调衰减器实现功率的调节；整体收发链路具有多功能性、使用灵活的特点；各个器件可以采用单个结构，也可以采用集成结构，尺寸大小、结构形式变化多样。

Description

一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路

技术领域

本发明涉及毫米波/太赫兹技术领域，具体涉及一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路。

背景技术

电子顺磁共振技术是一种直接检测和研究样品中未成对电子特性的波谱学方法，用于检测顺磁性物质结构：主要包括自由基、金属原子或团簇、过渡金属和稀土离子、一些特定掺杂或者缺陷、包括三重态、双基、多基在内具有多于一个未成对电子的体系等。物理学研究中最初用电子顺磁共振技术研究一些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极矩与分子结构等问题。有机化学中，研究人员可以根据电子顺磁共振测量结果，研究复杂的有机化合物中的化学键与反应机理有关的许多问题。电子顺磁共振技术是观察自由基等顺磁性物质直接、灵敏的方法，而且能够精准且无破坏地获取物质在电子或原子核尺度组成和结构上的信息，经过几十年电子顺磁共振谱仪的不断改进和探测技术的不断革新，电子顺磁共振技术己经在物理学、半导体物理学、有机化学、络合物化学、辐射化学、化工产业、大气海洋学、催化剂化学、生物化学、生物医学等许多领域内得到非常广泛的应用。

电子顺磁共振谱仪的灵敏度远高于核磁共振或光学化学分析技术，频段越高，波谱分辨率和探测灵敏越高。但目前国内还没有这种应用下的高频段产品，最高仅工作在X波段，显著落后于国际水平。主要是由于缺少可工作在连续波或脉冲模式下的毫米波或太赫兹收发链路。它将毫米波或太赫兹信号传输至样品，用于提供激励磁场。没有方式产生毫米波或太赫兹信号，自然不能提供相应的磁场作用。所以，可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路至关重要。因此，提出一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何实现既可以工作在连续波模式，又可以工作在脉冲模式的收发一体化毫米波太赫兹链路，提供了一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括频率源、倍频模块、发射通道、接收通道、电源模块和控制模块。所述频率源为底层连续波和脉冲信号产生装置，为倍频模块提供输入信号，并为发射通道的混频器中频端口提供中频信号，所述倍频模块包含倍频器、滤波器和功分器，其中倍频模块的倍频器用于产生并输出毫米波或太赫兹信号，为发射通道和接收通道的混频器的本振端口提供本振信号，倍频模块的滤波器滤除倍频模块的倍频器输出频段之外的信号，倍频模块的功分器将倍频模块的滤波器输出的毫米波或太赫兹信号分成等分或不等分的两路信号，分别提供给发射通道和接收通道，所述发射通道包含混频器、滤波器、功率放大器、单刀双掷开关、单刀单掷开关、隔离器、可调衰减器和连接波导，其中发射通道的混频器实现上变频，射频端口输出毫米波或太赫兹信号，发射通道的滤波器滤除发射通道的混频器输出频段之外的信号，发射通道的功率放大器用来放大发射通道的滤波器输出端的毫米波或太赫兹信号幅值，发射通道的单刀双掷开关实现连续波和脉冲模式的电路切换，发射通道的单刀单掷开关可承受大功率脉冲信号，实现连续波和脉冲模式互不干扰，发射通道的隔离器用于改善功率放大器之间的驻波并防止功率放大器被回波信号烧毁，发射通道的可调衰减器可以调节发射通道的输出功率，发射通道和接收通道的连接波导为不同尺寸的直波导、转弯波导和扭波导，实现发射通道和接收通道的各器件连接，所述接收通道包含连接波导、环形器、单刀单掷开关、低噪声放大器、混频器和隔离器，接收通道的环形器连接发射通道、接收通道和外部设备，接收通道的单刀单掷开关用于防止发射通道输出的毫米波或太赫兹信号直接作用于低噪声放大器，接收通道的低噪声放大器可以放大接收链路的信号幅值，并将放大后的信号提供给接收通道混频器的射频端口，接收通道的混频器实现下变频，中频端口输出中频信号，接收通道的隔离器用于实现发射通道和接收通道的信号隔离，所述电源模块为整个毫米波太赫兹收发链路供电，所述控制模块为频率源、发射通道和接收通道按照功能产生脉冲信号并提供控制时序。

更进一步地，所述频率源为多种体制的频率合成器，可产生步进频连续波、线性调频连续波、脉冲、三角波等一种或多种信号形式，其信号起始时间和初始相位由所述控制模块控制，且根据***的实现形式，频率源可选择性地拆分为多个部分。

更进一步地，所述频率源、倍频模块、发射通道、接收通道、电源模块的各个器件结构形式包括但不限于单个器件结构、两个或两个以上器件集成结构。

更进一步地，所述收发链路的倍频模块、发射通道和接收通道包括但不限于倍频器、滤波器、功分器、混频器、功率放大器、单刀双掷开关、单刀单掷开关、隔离器、可调衰减器和连接波导、环形器、低噪声放大器。

更进一步地，所述发射通道和接收通道的工作频段在毫米波段或太赫兹波段范围内。

更进一步地，所述倍频模块的倍频器可以是任意倍频次数或倍频次数的组合，可以是单频点或具有一定的带宽。

更进一步地，所述倍频模块的滤波器和倍频模块的功分器包括但不限于波导结构、平面电路结构。

更进一步地，所述倍频模块的功分器包括但不限于实现功分功能的耦合器、魔T。

更进一步地，所述发射通道的功率放大器可以是级联结构、并联结构或是级联和并联结合结构。

更进一步地，所述发射通道和接收通道的功率放大器、隔离器、混频器的数量均为一个及以上。

更进一步地，所述发射通道和接收通道的隔离器在收发链路中的位置可调，可在发射通道中，也可在接收通道中，可在功率放大器之前、之间或之后，可在脉冲模式电路中或连续波模式电路中。

更进一步地，所述电源模块为整个毫米波太赫兹收发链路供电，电源形式可是AC-DC、DC-DC、LDO中的一种或几种组合。

更进一步地，所述控制模块为频率源、发射通道和接收通道按照功能产生脉冲信号并提供控制时序，硬件平台是基于FPGA、DSP、CPLD、MCU中的一种或几种的组合并结合配套电路所制成的时序控制或波束调度板卡。

本发明相比现有技术具有以下优点：该可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，采用单刀双掷开关实现发射通道在连续波和脉冲两种工作模式下的切换，且互不干扰；采用隔离器实现器件之间的匹配以及收发通道之间的隔离，提高了链路的稳定性；通过可调衰减器实现功率的调节；整体收发链路具有多功能性、使用灵活的特点；各个器件可以采用单个结构，也可以采用集成结构，尺寸大小、结构形式变化多样。

附图说明

图1是本发明实施例中毫米波太赫兹收发链路的结构原理图；

图2是本发明实施例中倍频模块的结构原理图；

图3是本发明实施例中发射通道的结构原理图；

图4是本发明实施例中接收通道的结构原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的毫米波太赫兹收发链路包括频率源1、倍频模块2、发射通道3、接收通道4、电源模块5和控制模块6。如图2所示，倍频模块2包括倍频器201、滤波器202和功分器203。如图3所示，发射通道3包括混频器301、滤波器302、功率放大器304、单刀双掷开关305、单刀单掷开关306、隔离器302、可调衰减器307和连接波导308。如图4所示，接收通道4包括连接波导401、环形器402、单刀单掷开关403、低噪声放大器404、混频器405和隔离器406。

在本实施例中，频率源1为多种体制的频率合成器，可产生步进频连续波、线性调频连续波、脉冲、三角波等一种或多种信号形式。本实例的频率源1用模拟芯片产生连续波，为倍频模块2提供所需的输入信号，并为发射通道3提供本振信号。用开关切换的方式产生脉冲信号，为发射通道3提供脉冲源。频率源1同时为整个毫米波太赫兹收发链路提供参考基准，频率源1的信号起始时间、初始相位以及信号形式由控制模块6控制，且根据***的实现形式，频率源1为整体机箱的形式。

在本实施例中，倍频模块2产生收发链路所需的毫米波太赫兹信号，根据需要设置了倍频器201、滤波器202和功分器203三个器件，其中倍频器201包括倍频芯片、衰减芯片和放大芯片，直接产生具有一定功率的毫米波太赫兹信号，而滤波器202则是将所需毫米波太赫兹之外的杂散信号滤除，保证信号频谱的纯度，功分器203采用了耦合器结构形式，实现等功率分配。

在本实施例中，发射通道3包括混频器301、滤波器302、单刀单掷开关306、可调衰减器307各一个，单刀双掷开关305、隔离器303各两个，功率放大器304三个，连接波导308若干个。连续波和脉冲模式的共用器件为混频器301、滤波器302、隔离器303、两个功率放大器304、两个单刀双掷开关305。其中，混频器301实现上变频，在射频端口输出毫米波或太赫兹连续波或脉冲信号，滤波器302将混频器301输出频段之外的信号滤除，第一个隔离器303位于滤波器302与功率放大器304之间，功率放大器304放大滤波器302输出端的信号幅值，两个功率放大器304是单个器件级联的结构，在第一个单刀双掷开关305处实现连续波和脉冲模式的电路分离，在连续波模式下，信号直接进入第二个单刀双掷开关305，在脉冲模式下，信号经由第三个功率放大器304、第二个隔离器303和单刀单掷开关306进入第二个单刀双掷开关305，在第二个单刀双掷开关305处实现连续波和脉冲模式的电路合并。单刀单掷开关306可承受大功率脉冲信号，实现连续波和脉冲模式互不干扰，第二个隔离器303用来防止第三个功率放大器304被回波信号烧毁，可调衰减器307可以调节发射通道的输出功率，发射通道3的连接波导308位于任意两个器件之间，为不同尺寸的直波导、转弯波导和扭波导，同时实现发射通道3和接收通道4的各器件连接。

在本实施例中，接收通道4包括连接波导401、环形器402、单刀单掷开关403、低噪声放大器404、混频器405和隔离器406。同样的，连接波导401为不同尺寸的直波导、转弯波导和扭波导，实现发射通道3和接收通道4的各器件连接。环形器402连接发射通道3、接收通道4和外部设备，单刀单掷开关403用于防止发射通道3输出的毫米波或太赫兹信号直接作用于低噪声放大器404，低噪声放大器404可以放大接收链路的信号幅值，并将放大后的信号提供给混频器405的射频端口，混频器405实现下变频，中频端口输出中频信号，隔离器406用于实现发射通道3和接收通道4的信号隔离。

在本实施例中，电源模块5为整个毫米波太赫兹收发链路供电，电源形式采用AC-DC、DC-DC、LDO三种形式进行组合。

在本实施例中，控制模块6采用FPGA平台制成时序控制，为频率源1、发射通道3和接收通道4按照功能产生脉冲信号并提供控制时序。

综上所述，上述实施例的可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，采用单刀双掷开关实现发射通道在连续波和脉冲两种工作模式下的切换，且互不干扰；采用隔离器实现器件之间的匹配以及收发通道之间的隔离，提高了链路的稳定性；通过可调衰减器实现功率的调节；整体收发链路具有多功能性、使用灵活的特点；各个器件可以采用单个结构，也可以采用集成结构，尺寸大小、结构形式变化多样。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，其特征在于：包括频率源、倍频模块、发射通道、接收通道、电源模块和控制模块；

所述频率源，用于为所述发射通道中设置的第一混频器中频端口提供中频信号，并为所述倍频模块中设置的倍频器提供输入信号；

所述倍频器、第一滤波器和功分器；所述倍频器用于产生并输出毫米波或太赫兹信号，为所述发射通道中设置的第一混频器、所述接收通道中设置的第二混频器的本振端口提供本振信号；所述第一滤波器用于滤除所述倍频器输出频段之外的信号；所述功分器用于将所述第一滤波器输出的毫米波或太赫兹信号分成等分或不等分的两路信号，分别提供给所述发射通道和所述接收通道；

所述发射通道包括第一混频器、第二滤波器、单刀双掷开关、第一单刀单掷开关、可调衰减器；所述第一混频器用于实现上变频，其射频端口输出毫米波或太赫兹信号；所述第二滤波器用于滤除所述第一混频器输出频段之外的信号；所述单刀双掷开关用于实现连续波和脉冲模式的电路切换；所述第一单刀单掷开关用于实现连续波和脉冲模式互不干扰；所述可调衰减器用于调节发射通道的输出功率；

所述接收通道包括环形器、第二单刀单掷开关、低噪声放大器、第二混频器；所述环形器分别与所述发射通道、接收通道、外部设备连接；所述第二单刀单掷开关用于防止所述发射通道输出的毫米波或太赫兹信号直接作用于所述低噪声放大器；所述低噪声放大器用于放大接收链路的信号幅值，并将放大后的信号提供给所述第二混频器的射频端口；所述第二混频器用于实现下变频，其中频端口输出中频信号；

所述电源模块，用于为整个毫米波太赫兹收发链路供电；

所述控制模块，用于为所述频率源、所述发射通道、所述接收通道按照功能产生脉冲信号并提供控制时序。

2.根据权利要求1所述的一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，其特征在于：所述发射通道还包括多个功率放大器，所述功率放大器用于放大发射链路中的信号幅值，多个所述功率放大器为级联结构、并联结构、级联和并联结合结构中的任一种。

3.根据权利要求2所述的一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，其特征在于：所述发射通道与所述接收通道均包括隔离器，所述发射通道中的隔离器用于改善功率放大器之间的驻波并防止功率放大器被回波信号烧毁；所述接收通道中的隔离器用于实现发射通道和接收通道的信号隔离。

4.根据权利要求3所述的一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，其特征在于：所述发射通道与所述接收通道均包括连接波导，所述连接波导用于实现发射通道与接收通道的连接、发射通道内各器件与接收通道内各器件的连接，所述连接波导为不同尺寸的直波导、转弯波导和扭波导。

5.根据权利要求4所述的一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，其特征在于：所述频率源为多种体制的频率合成器，用于产生步进频连续波、线性调频连续波、脉冲、三角波等一种或多种信号形式，所述频率源的信号起始时间和初始相位由所述控制模块控制。

6.根据权利要求5所述的一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，其特征在于：所述第一滤波器与所述功分器均为波导结构、平面电路结构中任一种。

7.根据权利要求6所述的一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，其特征在于：所述功分器为耦合器、魔T中任一种。

8.根据权利要求7所述的一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，其特征在于：所述倍频器的倍频次数为任意倍频次数或倍频次数的组合。

9.根据权利要求8所述的一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，其特征在于：所述电源模块的电源形式为AC-DC、DC-DC、LDO中的一种或几种组合。

10.根据权利要求9所述的一种可工作在连续波和脉冲模式的毫米波太赫兹收发链路，其特征在于：所述控制模块的硬件平台是基于FPGA、DSP、CPLD、MCU中的一种或几种组合并结合配套电路所制成的时序控制或波束调度板卡形成。

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