一种应用于光电导太赫兹天线的可调方波电压源*

熊显名，王心芒，王永，韩家广

（1.桂林电子科技大学，广西高校光电信息处理重点实验室，广西桂林541004；2.天津大学太赫兹研究中心，天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072）

一种应用于光电导太赫兹天线的可调方波电压源*

熊显名1*，王心芒1，王永1，韩家广2

（1.桂林电子科技大学，广西高校光电信息处理重点实验室，广西桂林541004；2.天津大学太赫兹研究中心，天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072）

设计了一种方波电压源，可用来代替光电导太赫兹天线系统中的机械斩波器。根据功能提出了方波电压源的总体设计结构，给出了DDS方波等电路的设计方案；再根据光电导太赫兹天线的参数要求和方波电压源的参数，通过调试和实验，设计的方波电压源实现了5 V～80 V可调方波电压的输出，方波电压最大幅度输出时误差<0.22%，能够满足太赫兹探测系统的需要，大大缩减太赫兹探测系统的体积，提高了太赫兹探测系统的效率。

光电导太赫兹天线系统；方波电压源；DDS；低纹波；电压频率可调

太赫兹THz波通常指频率在0.1 THz～10 THz之间的电磁波，位于红外和毫米波频段之间。THz探测是THz技术的重要研究领域和发展方向，也是其走向实用化最有希望的突破点之一［1］。光电导天线是目前最广泛使用的太赫兹波发射和探测的器件之一，它利用电场驱动由飞秒激光脉冲激发的光生自由载流子来发射和探测太赫兹脉冲［2］。为了使飞秒激光器产生的光形成脉冲光，现在的太赫兹探测系统采用的是在泵浦光［3］与发射天线之间通过机械斩波的方案，该方案需要由稳压电源、频率发生器、斩波器3个器件共同组成。除了体积较大外，还受到机械的影响，而且斩波频率必须<1 kHz。

论文提出了用方波电压源代替机械斩波器的方案，将方波电压源直接应用于光电导太赫兹天线。

1　方波电压源的整体设计

该方波电压源主要产生频率0～20 kHz、电压5 V～80 V连续可调的直流方波电压。其整体设计如图1所示，由主控MCU、DDS方波电路、闭环调节电路、5 V～80 V电压可调电路、滤波电路、放大电路、按键/旋钮调节电路模块和显示接口电路模块组成。

图1　方波电压源整体设计框图

该方波电压源的按键/旋钮控制端分为频率控制和电压控制，根据不同类型光导太赫兹天线参数要求，可输出不同的频率和高电平电压，并在前端显示。

2　方波电压源的电路设计

2.1主控电路

主控电路以STM32F103为主控芯片组成，STM32F103是意法半导体公司以ARM Cortex-M为核心的32位微控制器，工作频率为72 MHz，芯片内部集成了高速存储器，丰富的I/O接口、12 bit A/D、SPI、I2C接口模块等，完全符合设计要求。主控芯片主要任务是根据按键/旋钮模块的返回值，驱动DDS电路产生对应频率的方波和对应幅度的直流电压，并且送出相应值给显示模块；利用芯片内部的A/D实时采样直流电压值，经过与设定值比较后，采用PID算法控制数字电位器调节输出电压［4］。

2.2DDS方波电路

DDS方波电路［5］由AD9850和多级低通滤波器构成，具体电路实现如图2。AD9850采用32 bit的相位累加器将信号截断成14 bit输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10 bit后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流。DAC满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节，本系统采用了典型值3.9 kΩ。将DAC的输出经低通滤波后接到AD9850内部的高速比较器上即可直接输出固定10 V方波。在125 MHz的时钟下，32 bit频率控制字可使AD9850输出频率分辨率达0.029 1 Hz。采用70 MHz低通滤波器［6］，使波形的SN（信号和噪声同时输出的概率）比更好。

图2　DDS方波电路

2.3可调直流电压电路

光电导太赫兹天线发射太赫兹波的功率很低，因此对天线供电电压的噪声和稳定度［7］要求较高。可调直流电压电路由5 V～80 V可调电路、滤波电路、闭环调节电路3部分构成。

2.3.15V～80 V直流可调电路

由XL6009升压型直流电源变换芯片实现电压调节，如图3所示，当开关打到40 V挡位时，通过10 kΩ电位器，使直流电压在5 V～40 V变化，当开关打到80 V挡位时，通过10 kΩ电位器，使直流电压在40 V～80 V变化。从而实现了5 V～80 V直流电压可调电路。

图3　5V～80V直流可调电路

2.3.2滤波电路

滤波电路采用了2阶巴特沃斯滤波器的考尔第一型（CLC型）［8］。巴特沃斯滤波器的通带内频率响应曲线最平坦，阻频带则逐渐下降为0，这样可以起到更好的滤波效果。如图4所示，输入正脉冲时，先给C1充电，迅速充到脉冲的峰值电压，同时电感器L也有线性增长的电流，并在电感器中存储了磁能，随着电流的增长，存储的磁能越来越多，电容器C2通过电感L1也充上了电压，C2和C1的电压基本相等，负载电阻中的电流也是有输入脉冲供给。输入正脉冲消失，负载电阻的电流由两路提供，一路是C2放电提供的电流，另一路是由电感L1存储的磁能转换成电能，并与C1上的电压串联后提供。负载电阻中的电流等于两个电容器C1、C2放电电流的和。对交流而言，CLC型滤波器中的C1和C2相当于开路，而电感L对直流分量的感抗等于零，相当于短路，所以直流分量能顺利的通过电感L。对于交流而言，电容器的容量大，相当于将其短路，而电感对各种正弦波的感抗很大，所以滤除了交流分量。电容器C1、C2和电感器L1的取值公式如下：

其中n为阶数［5］。电容值和电感值越大，滤波效果越好，根据式（1）、式（2），本文取C1=C2=330 μF，L1=470 μH。70 V测试点的滤波前后交流纹波对比如图5所示，滤波前后，交流纹波最大值分别为40.4 mV，2.30 mV。

图4　π型LC滤波电路

图5　70V测试点滤波前后纹波对比

2.3.3闭环调节电路

闭环调节电路主要作用是实时采集直流电压，并且通过与预设值对比、经过PID算法后调节数字电位闭环调节电路，从而实现电压的稳定度。其硬件电路如图6所示，主控芯片控制数字电位器，并且通过运算放大器后输出。

图6　闭环调节电路

2.4放大电路

放大电路将DDS方波电路产生的方波进行放大，使产生5 V～80 V可调方波电压。如图7所示，采用CC-CB（共集-共基）放大电路，若两个三极管小信号［9］非常接近，电压放大倍数的关系如式（3）所示：

式中，β为晶体管共射交流放大倍数，rbe为发射结动态电阻，RC为集电极电阻，RL为负载电阻。由式（3）可知CC-CB组合放大电路的电压放大倍数只是单管CE放大器的一半；但由于CC和CB组态的频率性能优于CE状态。所以，它们的组合放大电路的频率特性比CE放大器好。

图7　CC-CB（共集-共基）放大电路

3　测试结果

为了验证应用于光电导太赫兹天线的可调方波电压源输出的可靠性，分别对（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个测试点进行测试，测量结果如表1所示。

表1　方波电压源的测试结果

为了验证该方波电压源的可行性，在（10 V，1 kHz）测试点与采用机械斩波器的太赫兹探测系统扫描出来的太赫兹时域光谱图进行了对比，对比结果如图8所示，×是采用机械斩波扫描出来的太赫兹波时域光谱图，○是采用方波电压源扫描出来的太赫兹时域光谱图，由图8可知，×和○的波形几乎重叠。

图8　太赫兹波时域光谱图对比

4　总结

随着太赫兹波越来越受研究人员的关注，太赫兹探测系统越来越趋向统实用化的特点，本文设计出了应用于光电导太赫兹天线的可调方波电压源，通过与传统的机械斩波方案比较，结果表明，该方波电源不仅能满足太赫兹探测系统的需要，并且通过提高斩波频率提高了探测效率。图9是方波电源的实物。

图9　可调方波电压源实物图

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熊显名（1964-），男，汉族，广西桂林，研究员，桂林电子科技大学硕士生导师，研究方向为光电测量，光学仪器，计算机辅助测试等，xmxiong@guet.edu.cn；

王心芒（1989-），男，汉族，广东汕尾，桂林电子科技大学硕士研究生，研究方向为光电测量与智能仪器，1308201022@mails. guet.edu.cn；

王永（1986-），男，汉族，山东枣庄，桂林电子科技大学硕士研究生，研究方向为光电信息与电子技术应用，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

项目来源：国家自然科学基金项目（61265005）

2015-04-29修改日期：2015-06-18