一種應用于光電導太赫茲天線的可調方波電壓源*

熊顯名，王心芒，王永，韓家廣

（1.桂林電子科技大學，廣西高校光電信息處理重點實驗室，廣西桂林541004；2.天津大學太赫茲研究中心，天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津300072）

一種應用于光電導太赫茲天線的可調方波電壓源*

熊顯名1*，王心芒1，王永1，韓家廣2

（1.桂林電子科技大學，廣西高校光電信息處理重點實驗室，廣西桂林541004；2.天津大學太赫茲研究中心，天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津300072）

設計了一種方波電壓源，可用來代替光電導太赫茲天線系統(tǒng)中的機械斬波器。根據(jù)功能提出了方波電壓源的總體設計結構，給出了DDS方波等電路的設計方案；再根據(jù)光電導太赫茲天線的參數(shù)要求和方波電壓源的參數(shù)，通過調試和實驗，設計的方波電壓源實現(xiàn)了5 V～80 V可調方波電壓的輸出，方波電壓最大幅度輸出時誤差<0.22%，能夠滿足太赫茲探測系統(tǒng)的需要，大大縮減太赫茲探測系統(tǒng)的體積，提高了太赫茲探測系統(tǒng)的效率。

光電導太赫茲天線系統(tǒng)；方波電壓源；DDS；低紋波；電壓頻率可調

太赫茲THz波通常指頻率在0.1 THz～10 THz之間的電磁波，位于紅外和毫米波頻段之間。THz探測是THz技術的重要研究領域和發(fā)展方向，也是其走向實用化最有希望的突破點之一［1］。光電導天線是目前最廣泛使用的太赫茲波發(fā)射和探測的器件之一，它利用電場驅動由飛秒激光脈沖激發(fā)的光生自由載流子來發(fā)射和探測太赫茲脈沖［2］。為了使飛秒激光器產(chǎn)生的光形成脈沖光，現(xiàn)在的太赫茲探測系統(tǒng)采用的是在泵浦光［3］與發(fā)射天線之間通過機械斬波的方案，該方案需要由穩(wěn)壓電源、頻率發(fā)生器、斬波器3個器件共同組成。除了體積較大外，還受到機械的影響，而且斬波頻率必須<1 kHz。

論文提出了用方波電壓源代替機械斬波器的方案，將方波電壓源直接應用于光電導太赫茲天線。

1　方波電壓源的整體設計

該方波電壓源主要產(chǎn)生頻率0～20 kHz、電壓5 V～80 V連續(xù)可調的直流方波電壓。其整體設計如圖1所示，由主控MCU、DDS方波電路、閉環(huán)調節(jié)電路、5 V～80 V電壓可調電路、濾波電路、放大電路、按鍵/旋鈕調節(jié)電路模塊和顯示接口電路模塊組成。

圖1　方波電壓源整體設計框圖

該方波電壓源的按鍵/旋鈕控制端分為頻率控制和電壓控制，根據(jù)不同類型光導太赫茲天線參數(shù)要求，可輸出不同的頻率和高電平電壓，并在前端顯示。

2　方波電壓源的電路設計

2.1主控電路

主控電路以STM32F103為主控芯片組成，STM32F103是意法半導體公司以ARM Cortex-M為核心的32位微控制器，工作頻率為72 MHz，芯片內部集成了高速存儲器，豐富的I/O接口、12 bit A/D、SPI、I2C接口模塊等，完全符合設計要求。主控芯片主要任務是根據(jù)按鍵/旋鈕模塊的返回值，驅動DDS電路產(chǎn)生對應頻率的方波和對應幅度的直流電壓，并且送出相應值給顯示模塊；利用芯片內部的A/D實時采樣直流電壓值，經(jīng)過與設定值比較后，采用PID算法控制數(shù)字電位器調節(jié)輸出電壓［4］。

2.2DDS方波電路

DDS方波電路［5］由AD9850和多級低通濾波器構成，具體電路實現(xiàn)如圖2。AD9850采用32 bit的相位累加器將信號截斷成14 bit輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截斷成10 bit后輸入到DAC，DAC再輸出兩個互補的電流。DAC滿量程輸出電流通過一個外接電阻RSET調節(jié)，本系統(tǒng)采用了典型值3.9 kΩ。將DAC的輸出經(jīng)低通濾波后接到AD9850內部的高速比較器上即可直接輸出固定10 V方波。在125 MHz的時鐘下，32 bit頻率控制字可使AD9850輸出頻率分辨率達0.029 1 Hz。采用70 MHz低通濾波器［6］，使波形的SN（信號和噪聲同時輸出的概率）比更好。

圖2　DDS方波電路

2.3可調直流電壓電路

光電導太赫茲天線發(fā)射太赫茲波的功率很低，因此對天線供電電壓的噪聲和穩(wěn)定度［7］要求較高?？烧{直流電壓電路由5 V～80 V可調電路、濾波電路、閉環(huán)調節(jié)電路3部分構成。

2.3.15V～80 V直流可調電路

由XL6009升壓型直流電源變換芯片實現(xiàn)電壓調節(jié)，如圖3所示，當開關打到40 V擋位時，通過10 kΩ電位器，使直流電壓在5 V～40 V變化，當開關打到80 V擋位時，通過10 kΩ電位器，使直流電壓在40 V～80 V變化。從而實現(xiàn)了5 V～80 V直流電壓可調電路。

圖3　5V～80V直流可調電路

2.3.2濾波電路

濾波電路采用了2階巴特沃斯濾波器的考爾第一型（CLC型）［8］。巴特沃斯濾波器的通帶內頻率響應曲線最平坦，阻頻帶則逐漸下降為0，這樣可以起到更好的濾波效果。如圖4所示，輸入正脈沖時，先給C1充電，迅速充到脈沖的峰值電壓，同時電感器L也有線性增長的電流，并在電感器中存儲了磁能，隨著電流的增長，存儲的磁能越來越多，電容器C2通過電感L1也充上了電壓，C2和C1的電壓基本相等，負載電阻中的電流也是有輸入脈沖供給。輸入正脈沖消失，負載電阻的電流由兩路提供，一路是C2放電提供的電流，另一路是由電感L1存儲的磁能轉換成電能，并與C1上的電壓串聯(lián)后提供。負載電阻中的電流等于兩個電容器C1、C2放電電流的和。對交流而言，CLC型濾波器中的C1和C2相當于開路，而電感L對直流分量的感抗等于零，相當于短路，所以直流分量能順利的通過電感L。對于交流而言，電容器的容量大，相當于將其短路，而電感對各種正弦波的感抗很大，所以濾除了交流分量。電容器C1、C2和電感器L1的取值公式如下：

其中n為階數(shù)［5］。電容值和電感值越大，濾波效果越好，根據(jù)式（1）、式（2），本文取C1=C2=330 μF，L1=470 μH。70 V測試點的濾波前后交流紋波對比如圖5所示，濾波前后，交流紋波最大值分別為40.4 mV，2.30 mV。

圖4　π型LC濾波電路

圖5　70V測試點濾波前后紋波對比

2.3.3閉環(huán)調節(jié)電路

閉環(huán)調節(jié)電路主要作用是實時采集直流電壓，并且通過與預設值對比、經(jīng)過PID算法后調節(jié)數(shù)字電位閉環(huán)調節(jié)電路，從而實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定度。其硬件電路如圖6所示，主控芯片控制數(shù)字電位器，并且通過運算放大器后輸出。

圖6　閉環(huán)調節(jié)電路

2.4放大電路

放大電路將DDS方波電路產(chǎn)生的方波進行放大，使產(chǎn)生5 V～80 V可調方波電壓。如圖7所示，采用CC-CB（共集-共基）放大電路，若兩個三極管小信號［9］非常接近，電壓放大倍數(shù)的關系如式（3）所示：

式中，β為晶體管共射交流放大倍數(shù)，rbe為發(fā)射結動態(tài)電阻，RC為集電極電阻，RL為負載電阻。由式（3）可知CC-CB組合放大電路的電壓放大倍數(shù)只是單管CE放大器的一半；但由于CC和CB組態(tài)的頻率性能優(yōu)于CE狀態(tài)。所以，它們的組合放大電路的頻率特性比CE放大器好。

圖7　CC-CB（共集-共基）放大電路

3　測試結果

為了驗證應用于光電導太赫茲天線的可調方波電壓源輸出的可靠性，分別對（10 V，1 kHz），（10 V，10 kHz），（40 V，1 kHz），（40 V，10 kHz），（80 V，1 kHz），（80 V，10 kHz）6個測試點進行測試，測量結果如表1所示。

表1　方波電壓源的測試結果

為了驗證該方波電壓源的可行性，在（10 V，1 kHz）測試點與采用機械斬波器的太赫茲探測系統(tǒng)掃描出來的太赫茲時域光譜圖進行了對比，對比結果如圖8所示，×是采用機械斬波掃描出來的太赫茲波時域光譜圖，○是采用方波電壓源掃描出來的太赫茲時域光譜圖，由圖8可知，×和○的波形幾乎重疊。

圖8　太赫茲波時域光譜圖對比

4　總結

隨著太赫茲波越來越受研究人員的關注，太赫茲探測系統(tǒng)越來越趨向統(tǒng)實用化的特點，本文設計出了應用于光電導太赫茲天線的可調方波電壓源，通過與傳統(tǒng)的機械斬波方案比較，結果表明，該方波電源不僅能滿足太赫茲探測系統(tǒng)的需要，并且通過提高斬波頻率提高了探測效率。圖9是方波電源的實物。

圖9　可調方波電壓源實物圖

［1］薛冰.THz波的產(chǎn)生與探測［D］.北京：中國科學院研究生院，2009：1-2.

［2］許景周.太赫茲科學技術和應用［M］.北京：北京大學出版社，2007：27-28.

［3］李昕磊，李飚.實時太赫茲探測與成像技術新進展［J］.激光與光電子學進展，2012，49（9）：1-6.

［4］丁豐平，張華強，蘇振.基于預測控制的Fuzzy-PID控制器算法研究［J］.電子器件，2007，30（6）：2152-2154.

［5］鄧騰，吳校生，周曉玲，等.基于DSP和DDS技術相位和頻率嚴格可調的多路同步信號發(fā)生器［J］.電子器件，2012，35（2）：162-167.

［6］傅文淵.高速模擬低通濾波器電路的研究與設計［D］.成都：電子科技大學，2008：7-8.

［7］黃珍貴.高精度數(shù)控穩(wěn)壓電源的研究［D］.長沙：國防科技大學，2005：46-49.

［8］晏春海，田蔚風，王俊璞.巴特沃斯低通濾波器的設計［J］.導彈與制導學報，2003，23（2）：106-108.

［9］孟麗霞，于林麗，濮鈺麒，等.微小信號放大電路設計［J］.儀器儀表學報，2006，23（1）：1012-1013.

熊顯名（1964-），男，漢族，廣西桂林，研究員，桂林電子科技大學碩士生導師，研究方向為光電測量，光學儀器，計算機輔助測試等，xmxiong@guet.edu.cn；

王心芒（1989-），男，漢族，廣東汕尾，桂林電子科技大學碩士研究生，研究方向為光電測量與智能儀器，1308201022@mails. guet.edu.cn；

王永（1986-），男，漢族，山東棗莊，桂林電子科技大學碩士研究生，研究方向為光電信息與電子技術應用，konka2009@ 126.com。

A Tunable Square Wave Voltage Source Applying to Photoconductive Terahertz Antenna*

XIONG XanMing1*，WANG Xinmang1，WANG Yong1，HAN Jiaguang2
（1.Guilin University of Electronic Technology，Guangxi universities key laboratory of optoelectronics information processing，Guilin Guangxi 541004，China；（2.Center for Terahertz Waves，College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

This paper focuses on design of square wave voltage source which is to applied THz photoconductive an?tenna and replaces mechanical chopper.The overall design structure of square wave voltage source has been pro?posed and the DDS square wave circuits developed according to a need of the functionality.Meanwhile，illustrated the parameter requirements of THZ photoconductive antenna and the parameter of square wave voltage source，through debugging and the experiment，the square wave voltage source has been built.This square wave voltage source provides 5 V～80 V adjustable square wave voltage with the maximal amplitude output error within 0.22%.It greatly reduces the volume and improves the efficiency of the THz detection system.

THz photoconductive antenna；square wave voltage source；DDS；low ripple；adjustable voltage frequency EEACC：4260D

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.009

TN86

A

1005-9490（2016）02-0280-05

項目來源：國家自然科學基金項目（61265005）

2015-04-29修改日期：2015-06-18