本發(fā)明屬于太赫茲測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于太赫茲頻段(含毫米波、亞毫米波波段)的利用環(huán)形器校準(zhǔn)矢量場測量中移動電纜相位變化的裝置及方法。

背景技術(shù)：

矢量場測量是指同時(shí)測量電磁場的幅度和相位分布。該測量技術(shù)通過掃描一個(gè)平面，柱面或者球面的二維矢量場形測量，可以推導(dǎo)待測輻射源在全空間范圍的三維電磁場分布及其傳播特性，因此廣泛地應(yīng)用于大型反射面天線、饋源喇叭、毫米波成像系統(tǒng)以及準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)等性能的測量。

典型的太赫茲平面矢量場測量系統(tǒng)如圖1所示，其中太赫茲發(fā)射源安裝在高精度XY電動平移臺上，太赫茲信號由微波信號倍頻產(chǎn)生。在測量過程中，電動平移臺在選定的平面上掃描，進(jìn)而得到待測的矢量場信息。連接到太赫茲信號源的移動電纜會隨著平移臺一起移動，由于移動電纜的相位會隨電纜的形狀的變化而變化，因此電纜的移動會在微波頻段引入一定的相位誤差。在微波頻段，這個(gè)誤差可以忽略不計(jì)，但是在太赫茲波段，這個(gè)相位誤差隨著信號的倍頻放大。10GHz的信號相位上的一個(gè)微小的抖動，在1THz上將會放大100倍。移動電纜引入的相位誤差會隨著信號倍頻次數(shù)的不同而有所變化。此外，該相位變化還與掃描的面積有關(guān)：掃描的面積越大，引入的相位誤差就越大。因此，移動電纜的移動引入的相位誤差將會嚴(yán)重矢量場的相位精度。

為了有效減小上述問題造成的影響，必須對移動電纜移動造成的相位誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。一種簡便的辦法是在太赫茲發(fā)射源增加一個(gè)人為的阻抗失配，使入射的微波信號有一定的反射，使這個(gè)反射信號沿著同一根電纜反射回來，通過探測這個(gè)反射信號的相位來測量該移動電纜的移動引入的相位誤差。但是當(dāng)電纜的長度比較長時(shí)，由于電纜本身的損耗，反射信號的強(qiáng)度太小而無法準(zhǔn)確得到其相位，反而引入更大的相位誤差。如果能將此信號在反射回移動電纜之前放大，再將信號注入移動電纜，這樣可以有效地提高反射信號的信噪比，進(jìn)而校準(zhǔn)移動電纜引入相位誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種利用環(huán)形器校準(zhǔn)矢量場測量中移動電纜相位變化的裝置及方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種利用環(huán)形器校準(zhǔn)矢量場測量中移動電纜相位變化的裝置，其特征在于：包括射頻頻綜和本振頻綜；射頻頻綜與第一定向耦合器相連，第一定向耦合器直通端與移動電纜相連，耦合端與參考混頻器相連；移動電纜連接到環(huán)形器的端口一，環(huán)形器的端口二通過放大器連接至第二定向耦合器，第二定向耦合器的直通端與射頻倍頻器相連，耦合端與環(huán)形器的端口三相連，射頻倍頻器連接至接收機(jī)；參考混頻器的中頻輸出端連接至采集卡；本振頻綜通過功分器分別連接至本振倍頻器和參考混頻器，本振倍頻器連接至接收機(jī)；接收機(jī)通過中頻處理模塊連接至采集卡。

為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括：

所述第一定向耦合器為雙定向耦合器，所述參考混頻器包括參考混頻器一和參考混頻器二，第一定向耦合器的兩個(gè)耦合端分別與參考混頻器一和參考混頻器二相連。

所述參考混頻器一的中頻輸出端連接至采集卡，所述參考混頻器二的中頻輸出端通過雙工器與采集卡相連。

所述功分器包括第一功分器和第二功分器，本振頻綜通過第一功分器分為兩路，一路連接至本振倍頻器，另一路通過第二功分器又分為兩路，分別與參考混頻器一和參考混頻器二相連。

所述采集卡為高速A/D采集卡。

所述接收機(jī)包括HEB混頻器。

所述第二定向耦合器的耦合系數(shù)與放大器的放大倍數(shù)相當(dāng)。

此外，還提出了一種采用上述利用環(huán)形器校準(zhǔn)矢量場測量中移動電纜相位變化的裝置的校準(zhǔn)方法：

射頻頻綜產(chǎn)生射頻微波信號，本振頻綜產(chǎn)生本振微波信號，射頻微波信號和本振微波信號分別經(jīng)過M次倍頻后，經(jīng)接收機(jī)產(chǎn)生中頻信號，其中M為太赫茲信號的倍頻次數(shù)；

射頻微波信號經(jīng)過移動電纜從環(huán)形器的端口一流入，經(jīng)過放大器及第二定向耦合器，由第二定向耦合器的耦合端流經(jīng)環(huán)形器的端口三，再注入到移動電纜，由參考混頻器二接收；

參考混頻器一輸出系統(tǒng)參考信號，參考混頻器二輸出移動反射信號；

利用雙工器將中頻信號和移動反射信號一起由采集卡采集，采集卡還采集系統(tǒng)參考信號；

根據(jù)采集卡采集到的信號得到相位信息，計(jì)算并校準(zhǔn)移動電纜所引入的相位誤差。

并且，進(jìn)一步地：

射頻頻綜和本振頻綜信號的初相位分別為及系統(tǒng)參考信號的相位為：

$f_{ref}^0=f_{RF}^0-f_{LO}^0$

移動電纜的電長度為進(jìn)入?yún)⒖蓟祛l器二的射頻信號相位為：

$f_{RF}^1=f_{RF}^0+2f_{RF}^l$

參考混頻器二中頻輸出的相位為：

$f_{ref}^1=f_{RF}^0-f_{LO}^0+2f_{RF}^l$

因此探測到的經(jīng)移動電纜的變化的相位為：

$f_{RF}^l=(f_{ref}^1-f_{ref}^0)/2$

探測到的中頻相位為f_IF,則校準(zhǔn)后的中頻相位為：

$f_{IF}^{cal}=f_{IF}-{\mathrm{Mf}}_{RF}^l.$

本發(fā)明的有益效果是：在移動電纜末端接一個(gè)環(huán)形器，利用環(huán)形器的三端口特性，實(shí)現(xiàn)了先將反射信號放大，再將信號反射。該裝置及方法實(shí)現(xiàn)簡單，能有效提高反射信號的信噪比，解決電纜過長導(dǎo)致反射信號過小的問題，可以應(yīng)用于大型矢量場測量系統(tǒng)中。

附圖說明

圖1是一般矢量場的系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明矢量場測量系統(tǒng)及移動電纜相位校準(zhǔn)框圖。

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例的框圖。

附圖標(biāo)記如下：射頻頻綜1、本振頻綜2、第一定向耦合器3、移動電纜4、參考混頻器一5、參考混頻器二6、環(huán)形器7、放大器8、第二定向耦合器9、射頻倍頻器10、接收機(jī)11、采集卡12、本振倍頻器13、中頻處理模塊14、雙工器15、第一功分器16、第二功分器17、參考混頻器18。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖2所示，利用環(huán)形器校準(zhǔn)矢量場測量中移動電纜相位變化的裝置包括射頻頻綜1和本振頻綜2，射頻頻綜1與第一定向耦合器3相連，第一定向耦合器3為雙定向耦合器，直通端與移動電纜4相連，兩個(gè)耦合端分別與參考混頻器一5和參考混頻器二6相連。

移動電纜4連接到環(huán)形器7的端口一，環(huán)形器7的端口二連接到放大器8，放大器8的輸出端與第二定向耦合器9相連，其耦合系數(shù)與放大器8的放大倍數(shù)相當(dāng)。第二定向耦合器9的直通端與射頻倍頻器10相連，耦合端與環(huán)形器7的端口三相連。射頻倍頻器10依次連接至待測輻射源以及能接收射頻信號并混頻的接收機(jī)11，接收機(jī)11依次通過中頻處理模塊14和雙工器15連接至采集卡12，采集卡12可采用高速A/D采集卡。

參考混頻器一5的中頻輸出端連接至采集卡12，參考混頻器二6的中頻輸出端通過雙工器15與采集卡12相連。本振頻綜2通過第一功分器16分為兩路，一路連接至本振倍頻器13，另一路通過第二功分器17又分為兩路，分別與參考混頻器一5和參考混頻器二6相連。

在使用以上裝置進(jìn)行測量時(shí)，射頻頻綜1產(chǎn)生射頻微波信號，本振頻綜2產(chǎn)生本振微波信號，射頻微波信號和本振微波信號分別經(jīng)過M次倍頻后，經(jīng)接收機(jī)11產(chǎn)生中頻信號，其中M為太赫茲信號的倍頻次數(shù)。

射頻微波信號經(jīng)過移動電纜4從環(huán)形器7的端口一流入，經(jīng)過放大器8及第二定向耦合器9，由第二定向耦合器9的耦合端流經(jīng)環(huán)形器7的端口三，再注入到移動電纜4，由參考混頻器二6接收。參考混頻器一5輸出系統(tǒng)參考信號，參考混頻器二6輸出移動反射信號；利用雙工器15將中頻信號和移動反射信號一起由采集卡12采集，采集卡12還采集系統(tǒng)參考信號。

采集卡12采集到的信號為時(shí)域信號，經(jīng)過FFT變換后，得到各信號的相位信息。系統(tǒng)相位分析如下：環(huán)形器、定向耦合器及功分器等器件固定不動，當(dāng)射頻信號經(jīng)過這些器件時(shí)，只會增加一個(gè)固定的相位，對系統(tǒng)最后探測到的相位沒有影響，這里均不考慮。

假設(shè)射頻頻綜和本振頻綜信號的初相位為及系統(tǒng)參考信號的相位為：

$f_{ref}^0=f_{RF}^0-f_{LO}^0$

假設(shè)移動電纜4的電長度(在此可等同于移動電纜4的相位)為進(jìn)入?yún)⒖蓟祛l器二6的射頻信號相位為：

$f_{RF}^1=f_{RF}^0+2f_{RF}^l$

其中系數(shù)2是因?yàn)樾盘柦?jīng)過移動電纜4兩次，由參考混頻器二6中頻輸出的相位為：

$f_{ref}^1=f_{RF}^0-f_{LO}^0+2f_{RF}^l$

因此探測到的經(jīng)移動電纜4的變化的相位為：

$f_{RF}^l=(f_{ref}^1-f_{ref}^0)/2$

假設(shè)探測到的中頻相位為f_IF,則校準(zhǔn)后的中頻相位為：

$f_{IF}^{cal}=f_{IF}-{\mathrm{Mf}}_{RF}^l.$

由此探測到移動電纜4引入的相位誤差，并在最終的測試結(jié)果中校準(zhǔn)。

如圖3所示是將該裝置應(yīng)用于495GHz矢量場測量系統(tǒng)，其中射頻頻綜和本振頻綜的頻率分別為13.75GHz與13.76GHz的微波信號，分別經(jīng)過36倍頻后，得到495GHz的太赫茲射頻信號與495.36GHz的太赫茲本振信號，經(jīng)HEB混頻器混頻后，產(chǎn)生360MHz的中頻信號。系統(tǒng)10MHz參考信號由參考混頻器一5產(chǎn)生，射頻微波信號經(jīng)移動電纜4反射后由參考混頻器二6接收。參考混頻器二6的輸出信號經(jīng)雙工器15與360MHz中頻信號一起由采集卡12的通道一采集，采集卡12具體采用NI5772R雙通道高速A/D采集卡。采集卡12采集到的是時(shí)域信號，經(jīng)過FFT變換后，可以分別得到360MHz中頻信號、系統(tǒng)10MHz參考信號及移動反射信號的相位，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理即可以得到移動電纜相位變化并校準(zhǔn)。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。