太赫兹信号网络参数测试扩频装置
阅读说明：本技术 太赫兹信号网络参数测试扩频装置 (Terahertz signal network parameter testing spread spectrum device ) 是由 贾定宏 王沫 邓建钦 朱伟峰 姜万顺 年夫顺 朱翔 刘跃 霍建东 曲志明 程笑林 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及太赫兹信号网络参数测试扩频装置,包括分别与信号分离单元连接的信号发生单元和信号接收单元,信号分离单元设有测试端口,信号发生单元设有射频输入端口,信号接收单元包括参考信号接收单元和测试信号接收单元,参考信号接收单元和测试信号接收单元通过功率分离模块连接在一起,功率分离模块设有本振信号输入端口,参考信号接收单元设有参考中频输出端口,测试信号接收单元设有测试中频输出端口。信号发生和接收单元均采用了72次固态级联倍频/混频方法,微波矢量网络分析仪主机提供10.41GHz-15.28GHz的射频及本振输入信号,即可实现0.75THz～1.1THz全频段网络参数测试,兼容性高。(The invention relates to a terahertz signal network parameter testing spread spectrum device which comprises a signal generating unit and a signal receiving unit which are respectively connected with a signal separating unit, wherein the signal separating unit is provided with a testing port and a radio frequency input port, the signal receiving unit comprises a reference signal receiving unit and a testing signal receiving unit, the reference signal receiving unit and the testing signal receiving unit are connected together through a power separating module, the power separating module is provided with a local oscillation signal input port, the reference signal receiving unit is provided with a reference intermediate frequency output port, and the testing signal receiving unit is provided with a testing intermediate frequency output port. The signal generating and receiving units adopt a 72-time solid-state cascade frequency doubling/mixing method, a microwave vector network analyzer host provides 10.41GHz-15.28GHz radio frequency and local oscillator input signals, and therefore the 0.75THz-1.1THz full-band network parameter test can be achieved, and compatibility is high.)
技术领域
本发明涉及太赫兹信号领域，具体为太赫兹信号网络参数测试扩频装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的
背景技术
信息，不必然构成在先技术。太赫兹辐射是频段0.1～10THz的电磁辐射，其中0.75THz～1.1THz频段的太赫兹信号为标准波导WR1.0所覆盖的频段，潜在的应用领域主要为大型战舰等装备雷达散射截面缩比测试、空天地一体化通信、近场显微成像、物质谱线分析等。
在上述应用研究过程中，往往需要搭建网络参数测试条件对所需频段的器件、芯片、部件及前端组件等进行测试，实现网络参数测试的硬件模块还需要具备所需频段的信号发生和接收功能，其中的信号发生功能也可以作为材料测试、成像及雷达散射截面缩比测试等应用系统前端收发组件使用。
受限于目前的半导体工艺水平，目前还没有0.75THz～1.1THz频段的太赫兹信号网络参数测试装置。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供太赫兹信号网络参数测试扩频装置，利用微波矢量网络分析仪提供10.41GHz-15.28GHz频段的射频及本振输入信号，射频信号通过串联连接的多组倍频器和放大器，经过72次级联倍频，最终获取750-1100GHz(0.75THz～1.1THz)频段的射频信号作为信号发生单元，本振信号经过12次级联倍频和6次谐波混频，与750-1100GHz频段形成中频输出实现0.75THz～1.1THz全频段网络参数测试。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供太赫兹信号网络参数测试扩频装置，包括分别与信号分离单元连接的信号发生单元和信号接收单元，信号分离单元设有测试端口，信号发生单元设有射频输入端口，信号接收单元包括参考信号接收单元和测试信号接收单元，参考信号接收单元和测试信号接收单元通过功率分离模块连接在一起，功率分离模块设有本振信号输入端口，参考信号接收单元设有参考中频输出端口，测试信号接收单元设有测试中频输出端口；
通过射频输入端口和本振输入端口输入10.41-15.28GHz频段的输入信号，信号发生单元产生750-1100GHz频段的射频信号，实现750-1100GHz频段的参数测试。
信号发生单元包括至少四组串联连接的信号发生倍频器和至少两组信号发生放大器，第一信号发生倍频器输出端连接第一信号发生放大器输入端，第一信号发生放大器输出端连接第二信号发生倍频器输入端，第二信号发生倍频器输出端连接第二信号发生放大器输入端，第二信号发生放大器输出端连接第三信号发生倍频器输入端，第三信号发生倍频器输出端连接第四信号发生倍频器，第四信号发生倍频器发出所需频段的射频信号。
第一信号发生倍频器将输入的信号频段放大两倍，第二信号发生倍频器和第三信号发生倍频器将输入的信号放大三倍，第四信号发生倍频器将输入的信号放大四倍。
还具有与射频输入端口连接的微波矢量网络分析仪，微波矢量网络分析仪发出10.41-15.28GHz频段的输入信号，通过射频输入端口发送给第一信号发生倍频器，获得20.82-30.56GHz频段的信号并发送给第一信号发生放大器。
第一信号发生放大器驱动第二信号发生倍频器，通过第二信号发生倍频器获得62.46-91.68GHz频段的射频信号，发送给第二信号发生放大器。
第二信号发生放大器连续驱动第三信号发生倍频器和第四信号发生倍频器，通过第三信号发生倍频器获得187.5-275GHz频段的射频信号，通过第四信号发生倍频器获得750-1100GHz频段的射频信号。
信号接收单元包括至少三组串联连接的信号接收倍频器和至少两组信号接收放大器，第一信号接收倍频器输出端连接第一信号接收放大器输入端，第一信号接收放大器输出端连接第二信号接收倍频器输入端，第二信号接收倍频器输出端连接第二信号接收放大器输入端，第二信号接收放大器输出端连接第三信号接收倍频器输入端，第三信号接收倍频器发出本振信号，第三信号接收倍频器输出端连接混频器。
第一信号接收倍频器和第二信号接收倍频器将输入的信号频段放大两倍，第三信号接收倍频器将输入的信号放大三倍获得所需的本振信号。
第一信号接收倍频器接收微波矢量网络分析仪提供的10.41-15.28GHz频段的本振信号，通过第一信号接收倍频器和第一信号接收放大器放大，获得20.83-30.56GHz频段的本振信号发送给第二信号接收倍频器。
第二信号接收倍频器获得41.66-61.2GHz频段的本振信号，发送给第二信号接收放大器，驱动第三信号接收倍频器。
第三信号接收倍频器获得125-183.34GHz频段的本振驱动信号发送给混频器。
混频器接收本振信号和信号发生单元发送的750-1100GHz频段的射频信号形成中频，分别从参考中频输出端口和测试中频输出端口中输出。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、信号发生和接收单元均采用了72次固态级联倍频/混频方法，微波矢量网络分析仪主机提供10.41GHz-15.28GHz的射频及本振输入信号即可。
2、利用带有扩频功能的、最高频段超过16GHz的微波矢量网络分析仪配合两个0.75THz～1.1THz频段的信号接收单元，即可实现0.75THz～1.1THz全频段网络参数测试，兼容性高。
3、信号产生及接收链路充分考虑了效率和链路的复杂程度，基于目前的硬件基础，信号发生单元采用了×2×3×3×4的级联倍频方案，使得目前的功率放大器芯片能够满足指标需求，末级采用四次倍频器降低了整个驱动链路的频率和复杂度。
4、信号接收单元采用了六次谐波混频，本振驱动链路为×2×2×3，频率范围为125-183.34GHz，整个信号接收链路充分兼容了性能指标和可实现性，整体电路在现在技术条件下易于实现和制备。
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是本发明一个或多个实施例提供的硬件架构示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的信号产生单元的原理示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的信号接收单元的原理示意图；
图4是本发明一个或多个实施例提供的倍频器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
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，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所描述的，现有的网络参数测试扩频装置实现方法其局限性在于难以实现0.75THz～1.1THz频段的信号产生和信号接收，这两部分恰恰是该频段扩频装置实现的关键点，该关键点也可以为太赫兹信号的演示样机或原理样机搭建解决核心的信号产生和接收问题。
实施例一：
如图1-3所示，太赫兹信号网络参数测试扩频装置，包括：分别与信号分离单元连接的信号发生单元和信号接收单元，信号分离单元设有测试端口，信号发生单元设有射频输入端口，信号接收单元包括参考信号接收单元和测试信号接收单元，参考信号接收单元和测试信号接收单元通过功率分离模块连接在一起，功率分离模块设有本振信号输入端口，参考信号接收单元设有参考中频输出端口，测试信号接收单元设有测试中频输出端口。
功率分离模块将1路信号分成2路，分别给参考信号接收单元和测试信号接收单元提供相同频率的本振驱动信号。
本实施例中，信号分离单元为0.75THz-1.1THz频段的双定向耦合器，可以为波导双定向耦合器或者微带双定向耦合器，耦合器端口需要均为WR1.0的标准波导口。
信号发生单元为级联倍频放大链路，采用了72次级联倍频方案，具体如下：
包括至少四组串联连接的信号发生倍频器和至少两组信号发生放大器，第一信号发生倍频器输出端连接第一信号发生放大器输入端，第一信号发生放大器输出端连接第二信号发生倍频器输入端，第二信号发生倍频器输出端连接第二信号发生放大器输入端，第二信号发生放大器输出端连接第三信号发生倍频器输入端，第三信号发生倍频器输出端连接第四信号发生倍频器，第四信号发生倍频器发出所需频段的射频信号。
第一信号发生倍频器将输入的信号频段放大两倍，第二信号发生倍频器和第三信号发生倍频器将输入的信号放大三倍，第四信号发生倍频器将输入的信号放大四倍。
整个信号产生路径如下：
首先由微波矢量网络分析仪主机提供10.41-15.28GHz频段的输入信号，发送给第一信号发生倍频器，获得20.82-30.56GHz频段的信号；
经第一信号发生放大器后，驱动第二信号发生倍频器，获得62.46-91.68GHz频段的射频信号，发送给第二信号发生放大器；
第二信号发生放大器为62.46-91.68GHz频段放大器，经功率放大后，连续驱动187.5-275GHz频段的三倍频器(第三信号发生倍频器)和末级750-1100GHz频段的四次倍频器(第四信号发生倍频器)，通过第三信号发生倍频器获得187.5-275GHz频段的射频信号，通过第四信号发生倍频器获得750-1100GHz频段的射频信号。
上述信号产生路径过程中，微波矢量网络分析仪主机提供10.41-15.28GHz频段的输入信号，通过射频输入端口输入至太赫兹信号网络参数测试扩频装置的信号发生单元。
信号接收单元为混频接收链路，参考信号接收单元和测试信号接收单元硬件结构相同，末级混频器采用六次谐波混频方案，该混频器的本振驱动链路为12次，具体如下：
包括至少三组串联连接的信号接收倍频器和至少两组信号接收放大器，第一信号接收倍频器输出端连接第一信号接收放大器输入端，第一信号接收放大器输出端连接第二信号接收倍频器输入端，第二信号接收倍频器输出端连接第二信号接收放大器输入端，第二信号接收放大器输出端连接第三信号接收倍频器输入端，第三信号接收倍频器发出本振信号，第三信号接收倍频器输出端连接混频器。
第一信号接收倍频器和第二信号接收倍频器将输入的信号频段放大两倍，第三信号接收倍频器将输入的信号放大三倍获得所需的本振信号，混频器，具体链路如下：
由微波矢量网络分析仪主机提供提供10.41-15.28GHz输入信号，驱动20.83-30.56GHz频段倍频器(第一信号接收倍频器)和第一信号接收放大器放大，获得20.83-30.56GHz频段的信号；
再经41.66-61.2GHz频段(第二信号接收倍频器)和第二信号接收放大器的放大，获得41.66-61.2GHz频段的信号，驱动第三信号接收倍频器工作；
125-183.34GHz频段的倍频器(第三信号接收倍频器)为混频器提供125-183.34GHz频段的本振驱动信号，混频器完成六次混频后，接收信号发生单元发来的750-1100GHz频段的射频信号后形成中频输出，分别从参考中频输出端口和测试中频输出端口中输出。
本实施例中，混频器用于下变频，即将射频频率(750-1100GHz)搬移到中频频率(几百MHz左右)，共分为三个端口，射频端口是输入750-1100GHz的射频信号，若是六次谐波混频，则本振端口输入频率为(750-1100GHz)/6＝125-183.3GHz的信号，为混频器提供驱动；中频端口则为中频信号输出端口。
信号发生单元用于提供相应频段的信号激励输出。
参考路通过混频器下变频的中频信号获得信号发生单元的幅度和相位信息，即明确“发出的是何种信号”；测试路获得接收的待测试信号幅度和相位信息，即通过测试路的混频器下变频的中频明确“接收的是何种信号”，两路结合可获得该测试端口的S参数全信息。
信号分离单元用于分离输入信号和输出信号，使得输出信号进入参考路，输入信号进入到测试路，同时保证二者之间的隔离特性。
工作流程：矢量网络分析仪主机为扩频装置提供射频和本振输入信号，使得信号发生单元、测试单元、参考单元正常工作，信号发生单元正常信号输出的同时由信号分离单元进入到参考单元，由参考单元的中频输出信号间接获得信号发生单元输出信号的相关参数，经待测件反射的信号由分离单元进入到测试单元中，通过测试中频输出信号间接获得反射信号的相关参数，输出信号和反射信号的相关参数计算获得S参数。
信号接收单元的整个驱动链路仅有三个部件组成：20.83-30.56GHz频段的二次倍频放大器(第一信号接收倍频器和第一信号接收放大器集成)，41.66-61.2GHz频段的二次倍频放大器(第二信号接收倍频器和第二信号接收放大器集成)及125-183.34频段的GHz频段的三次倍频器(第三信号接收倍频器)；
或两个部件组成：41.66-61.2GHz频段的四次倍频放大器及125-183.34频段的GHz三倍频器。
上述结构的太赫兹信号网络参数测试扩频装置兼容性高，链路简洁高效，易于实现。
关于兼容性高：信号发生和接收单元均采用了72次固态级联倍频/混频方法(其中，信号发生单元为×2×3×3×4级联倍频，信号接收单元为×2×2×3×6级联倍频+混频，×6部分为混频)，微波矢量网络分析仪主机提供10.41GHz-15.28GHz的射频及本振输入信号即可，功率约6-10dBm；即，带有扩频功能的、最高频段超过16GHz的微波矢量网络分析仪配合两个0.75THz～1.1THz频段的网络参数测试扩频装置，即可实现0.75THz～1.1THz全频段网络参数测试；
上述方式对主机的工作频率要求不高，由于需要的射频和本振输入频率不高，最高为15.28GHz，即工作频率最高覆盖至15.28GHz的矢量网络分析仪即可实现750-1100GHz的扩频测试，相较于目前已有的扩频装置，例如需要21GHz或者42GHz的驱动频率等，兼容性更高。
关于链路简洁高效，易于实现：信号产生及接收链路充分考虑了效率和链路的复杂程度，基于目前的硬件基础，信号发生单元采用了×2×3×3×4方案，主要的功率放大器频率范围为62.46-91.68GHz，目前的功率放大器芯片可满足指标需求，其次是末级采用四次倍频器降低了整个驱动链路的频率和复杂度；信号接收单元采用了六次谐波混频，本振驱动链路为×2×2×3，频率范围为125-183.34GHz，整个信号接收链路充分兼容了性能指标和可实现性；本实施例所提出的方案中各个部分元器件及电路均已得到过实际的验证或者实现，整体电路在现在技术条件下易于实现和制备。
关于倍频器，末级倍频器采用了基于波导微带协同匹配滤波的0.75THz-1.1THz宽带高效倍频器，如图4所示，包括输入波导、输出波导和倍频电路三个部分，其中倍频电路包括输入探针、匹配滤波网络和同向串联二极管对，其中输入波导频段为187.5GHz-275GHz，根据阻抗匹配需求增加适当数量的突出枝节(波导窄边长度增大)，结合微带上的匹配滤波网络来共同为二极管对提供阻抗匹配及滤波功能，达到倍频器高效工作的目的。输出波导与二极管对构成一个巴伦结构，来提取二极管输出的四次谐波信号，也即是0.75THz-1.1THz频段信号。
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。