一种利用环形器校准矢量场测量中移动电缆相位变化的装置及方法与流程

本发明属于太赫兹测量技术领域，具体涉及一种用于太赫兹频段(含毫米波、亚毫米波波段)的利用环形器校准矢量场测量中移动电缆相位变化的装置及方法。

背景技术：

矢量场测量是指同时测量电磁场的幅度和相位分布。该测量技术通过扫描一个平面，柱面或者球面的二维矢量场形测量，可以推导待测辐射源在全空间范围的三维电磁场分布及其传播特性，因此广泛地应用于大型反射面天线、馈源喇叭、毫米波成像系统以及准光学系统等性能的测量。

典型的太赫兹平面矢量场测量系统如图1所示，其中太赫兹发射源安装在高精度XY电动平移台上，太赫兹信号由微波信号倍频产生。在测量过程中，电动平移台在选定的平面上扫描，进而得到待测的矢量场信息。连接到太赫兹信号源的移动电缆会随着平移台一起移动，由于移动电缆的相位会随电缆的形状的变化而变化，因此电缆的移动会在微波频段引入一定的相位误差。在微波频段，这个误差可以忽略不计，但是在太赫兹波段，这个相位误差随着信号的倍频放大。10GHz的信号相位上的一个微小的抖动，在1THz上将会放大100倍。移动电缆引入的相位误差会随着信号倍频次数的不同而有所变化。此外，该相位变化还与扫描的面积有关：扫描的面积越大，引入的相位误差就越大。因此，移动电缆的移动引入的相位误差将会严重矢量场的相位精度。

为了有效减小上述问题造成的影响，必须对移动电缆移动造成的相位误差进行校准。一种简便的办法是在太赫兹发射源增加一个人为的阻抗失配，使入射的微波信号有一定的反射，使这个反射信号沿着同一根电缆反射回来，通过探测这个反射信号的相位来测量该移动电缆的移动引入的相位误差。但是当电缆的长度比较长时，由于电缆本身的损耗，反射信号的强度太小而无法准确得到其相位，反而引入更大的相位误差。如果能将此信号在反射回移动电缆之前放大，再将信号注入移动电缆，这样可以有效地提高反射信号的信噪比，进而校准移动电缆引入相位误差。

技术实现要素：

本发明的针对现有技术中的不足，提供一种利用环形器校准矢量场测量中移动电缆相位变化的装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用环形器校准矢量场测量中移动电缆相位变化的装置，其特征在于：包括射频频综和本振频综；射频频综与第一定向耦合器相连，第一定向耦合器直通端与移动电缆相连，耦合端与参考混频器相连；移动电缆连接到环形器的端口一，环形器的端口二通过放大器连接至第二定向耦合器，第二定向耦合器的直通端与射频倍频器相连，耦合端与环形器的端口三相连，射频倍频器连接至接收机；参考混频器的中频输出端连接至采集卡；本振频综通过功分器分别连接至本振倍频器和参考混频器，本振倍频器连接至接收机；接收机通过中频处理模块连接至采集卡。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述第一定向耦合器为双定向耦合器，所述参考混频器包括参考混频器一和参考混频器二，第一定向耦合器的两个耦合端分别与参考混频器一和参考混频器二相连。

所述参考混频器一的中频输出端连接至采集卡，所述参考混频器二的中频输出端通过双工器与采集卡相连。

所述功分器包括第一功分器和第二功分器，本振频综通过第一功分器分为两路，一路连接至本振倍频器，另一路通过第二功分器又分为两路，分别与参考混频器一和参考混频器二相连。

所述采集卡为高速A/D采集卡。

所述接收机包括HEB混频器。

所述第二定向耦合器的耦合系数与放大器的放大倍数相当。

此外，还提出了一种采用上述利用环形器校准矢量场测量中移动电缆相位变化的装置的校准方法：

射频频综产生射频微波信号，本振频综产生本振微波信号，射频微波信号和本振微波信号分别经过M次倍频后，经接收机产生中频信号，其中M为太赫兹信号的倍频次数；

射频微波信号经过移动电缆从环形器的端口一流入，经过放大器及第二定向耦合器，由第二定向耦合器的耦合端流经环形器的端口三，再注入到移动电缆，由参考混频器二接收；

参考混频器一输出系统参考信号，参考混频器二输出移动反射信号；

利用双工器将中频信号和移动反射信号一起由采集卡采集，采集卡还采集系统参考信号；

根据采集卡采集到的信号得到相位信息，计算并校准移动电缆所引入的相位误差。

并且，进一步地：

射频频综和本振频综信号的初相位分别为及系统参考信号的相位为：

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

移动电缆的电长度为进入参考混频器二的射频信号相位为：

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

参考混频器二中频输出的相位为：

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

因此探测到的经移动电缆的变化的相位为：

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

探测到的中频相位为f_IF,则校准后的中频相位为：

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

本发明的有益效果是：在移动电缆末端接一个环形器，利用环形器的三端口特性，实现了先将反射信号放大，再将信号反射。该装置及方法实现简单，能有效提高反射信号的信噪比，解决电缆过长导致反射信号过小的问题，可以应用于大型矢量场测量系统中。

附图说明

图1是一般矢量场的系统框图。

图2是本发明矢量场测量系统及移动电缆相位校准框图。

图3是本发明具体实施例的框图。

附图标记如下：射频频综1、本振频综2、第一定向耦合器3、移动电缆4、参考混频器一5、参考混频器二6、环形器7、放大器8、第二定向耦合器9、射频倍频器10、接收机11、采集卡12、本振倍频器13、中频处理模块14、双工器15、第一功分器16、第二功分器17、参考混频器18。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，利用环形器校准矢量场测量中移动电缆相位变化的装置包括射频频综1和本振频综2，射频频综1与第一定向耦合器3相连，第一定向耦合器3为双定向耦合器，直通端与移动电缆4相连，两个耦合端分别与参考混频器一5和参考混频器二6相连。

移动电缆4连接到环形器7的端口一，环形器7的端口二连接到放大器8，放大器8的输出端与第二定向耦合器9相连，其耦合系数与放大器8的放大倍数相当。第二定向耦合器9的直通端与射频倍频器10相连，耦合端与环形器7的端口三相连。射频倍频器10依次连接至待测辐射源以及能接收射频信号并混频的接收机11，接收机11依次通过中频处理模块14和双工器15连接至采集卡12，采集卡12可采用高速A/D采集卡。

参考混频器一5的中频输出端连接至采集卡12，参考混频器二6的中频输出端通过双工器15与采集卡12相连。本振频综2通过第一功分器16分为两路，一路连接至本振倍频器13，另一路通过第二功分器17又分为两路，分别与参考混频器一5和参考混频器二6相连。

在使用以上装置进行测量时，射频频综1产生射频微波信号，本振频综2产生本振微波信号，射频微波信号和本振微波信号分别经过M次倍频后，经接收机11产生中频信号，其中M为太赫兹信号的倍频次数。

射频微波信号经过移动电缆4从环形器7的端口一流入，经过放大器8及第二定向耦合器9，由第二定向耦合器9的耦合端流经环形器7的端口三，再注入到移动电缆4，由参考混频器二6接收。参考混频器一5输出系统参考信号，参考混频器二6输出移动反射信号；利用双工器15将中频信号和移动反射信号一起由采集卡12采集，采集卡12还采集系统参考信号。

采集卡12采集到的信号为时域信号，经过FFT变换后，得到各信号的相位信息。系统相位分析如下：环形器、定向耦合器及功分器等器件固定不动，当射频信号经过这些器件时，只会增加一个固定的相位，对系统最后探测到的相位没有影响，这里均不考虑。

假设射频频综和本振频综信号的初相位为及系统参考信号的相位为：

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

假设移动电缆4的电长度(在此可等同于移动电缆4的相位)为进入参考混频器二6的射频信号相位为：

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

其中系数2是因为信号经过移动电缆4两次，由参考混频器二6中频输出的相位为：

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

因此探测到的经移动电缆4的变化的相位为：

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

假设探测到的中频相位为f_IF,则校准后的中频相位为：

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

由此探测到移动电缆4引入的相位误差，并在最终的测试结果中校准。

如图3所示是将该装置应用于495GHz矢量场测量系统，其中射频频综和本振频综的频率分别为13.75GHz与13.76GHz的微波信号，分别经过36倍频后，得到495GHz的太赫兹射频信号与495.36GHz的太赫兹本振信号，经HEB混频器混频后，产生360MHz的中频信号。系统10MHz参考信号由参考混频器一5产生，射频微波信号经移动电缆4反射后由参考混频器二6接收。参考混频器二6的输出信号经双工器15与360MHz中频信号一起由采集卡12的通道一采集，采集卡12具体采用NI5772R双通道高速A/D采集卡。采集卡12采集到的是时域信号，经过FFT变换后，可以分别得到360MHz中频信号、系统10MHz参考信号及移动反射信号的相位，经过数据处理即可以得到移动电缆相位变化并校准。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。