零差式宽带微波光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱仪技术领域，特别涉及一种零差式宽带微波光谱仪。

背景技术

微波光谱仪能够获取化学分子的结构信息，在量子化学理论研究和射电探测深空分子、界面和表面科学、材料分析等领域有着广泛的应用前景。

现有的傅里叶变换微波光谱仪的检测方式有外差式检测和零差式检测两种。如论文“傅里叶变换微波光谱仪的信号采集与数据处理研究”提出了零差式和外差式两种窄带微波光谱仪，其公开了零差式和外差式窄带微波光谱仪的检测方式，对比两种电路设计的检测方案，零差式检测灵敏度稍低，但所用设备少，实验成本低，数据处理时可直接将时域数据累加平均后进行傅里叶变换；外差式检测灵敏度高，实验成本也高，可能需要对频域数据累加平均，数据处理量相对增大。综上所述，使用零差式检测方法更加经济便捷。但目前基本研究的都是窄带微波光谱仪，而对宽带微波光谱仪的研究尚且存在空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能优良的零差式宽带微波光谱仪。

实现本发明目的的技术解决方案为：零差式宽带微波光谱仪，包括微波信号源、样品真空室、信号检测系统；

所述微波信号源，用于产生啁啾脉冲信号和单频微波信号，并将两个信号混频至预设目标频段后输出至样品真空室；

所述样品真空室，用于提供一个空间，所述混频信号和待测样品分子在所述空间中相互作用产生自由感应衰减信号；

所述信号检测系统，用于接收所述自由感应衰减信号与单频微波信号混频至预设目标频段后的信号，并获取待测样品分子的光谱信号。

进一步地，微波信号源包括：

任意波形发生器，用于产生啁啾脉冲信号；

信号发生器，用于产生单频微波信号；

混频器，用于对所述啁啾脉冲信号和单频微波信号进行混频。

进一步地，所述样品真空室包括真空腔以及腔内设置的喇叭天线、电磁阀喷嘴、凹面镜；

喇叭天线接收混频信号并将该信号输出至真空腔内，与此同时，电磁阀喷嘴喷出待测样品分子，所述混频信号和待测样品分子在真空腔中相互作用产生自由感应衰减信号，该自由感应衰减信号经凹面镜反射后与待测样品分子再次进行相互作用，作用后的信号通过喇叭天线导出样品真空室，并经环形器输出。

进一步地，所述信号检测系统包括数字示波器，用于接收所述自由感应衰减信号与信号发生器产生的单频微波信号混频至预设目标频段后的信号，且该信号通过单刀单掷电子开关、低噪声放大器传输至数字示波器。

进一步地，该光谱仪还包括铷频标，其与任意波形发生器、信号发生器、数字示波器直接连接，用于提供一个外部频率参考，以保证任意波形发生器、信号发生器、数字示波器三者相位稳定。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)利用功分器将信号发生器产生的单频微波信号一分为二，有效简化了电路设计，节省了光谱仪搭建成本，设计简单，搭建方便，易于操作；2)采用铝凹面镜反射以使自由感应衰减信号与待测样品分子发生二次相互作用，提高了样品的利用率及极化效率；3)通过单刀单掷开关瞬时的开与关，防止因电路故障导致微波回流损毁信号发生器，实现对信号发生器的保护；4)采用环形器保证微波信号单向通过，保护整个微波光谱仪中的电子器件；5)采用功率放大器、低噪放，提高了微波信号的强度，提高信噪比，进而提高了检测结果的灵敏度和准确度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明零差式宽带微波光谱仪的系统示意图。

图2为本发明线性啁啾脉冲经傅里叶变换后在特定频段得到振幅恒定的信号输出示意图。

图3为本发明任意波形发生器产生的带宽为1GHz的啁啾脉冲与10GHz的单频微波混频后的实验数据图，其中图(A)和图(B)均为1GHz的啁啾脉冲；图(B)为图(A)的局部放大图；图(C)为混频信号通过傅里叶变换得到的功频谱图。

图4为本发明其中一个实施例中采用零差式检测模式捕获到的主同位素异数体二苯甲酮分子的时域信号示意图。

图5为本发明其中一个实施例中采用零差式检测模式捕获到的主同位素异数体二苯甲酮分子的频域信号示意图。

图6为图5的局部放大图，为检测到二苯甲酮分子信号图。

具体实施方式

零差式检测是一种通过将振荡信号的相位或者频率信号进行调制来提取信息的方法。它使该信号与标准振荡进行比较，如果它携带空信息，它将与标准振荡信号一致。在光学领域，零差式检测模式属于相干检测。频率为W

微波信号源，用于产生啁啾脉冲信号和单频微波信号，并将两个信号混频至预设目标频段后输出至样品真空室；

样品真空室，用于提供一个空间，上述混频信号和待测样品分子在空间中相互作用产生自由感应衰减信号(分子信号)；

信号检测系统，用于接收上述自由感应衰减信号与单频微波信号混频至预设目标频段后的信号，并获取待测样品分子的光谱信号。

进一步地，在其中一个实施例中，上述微波信号源包括：

任意波形发生器a，用于产生啁啾脉冲信号；

信号发生器b，用于产生单频微波信号；

混频器c，用于对所述啁啾脉冲信号和单频微波信号进行混频。

进一步地，在其中一个实施例中，上述微波信号源输出的混频信号通过固态放大器d、环形器e(1→2)后输入至样品真空室。

进一步地，在其中一个实施例中，上述样品真空室包括真空腔f以及腔内设置的喇叭天线g、电磁阀喷嘴i、凹面镜o；

喇叭天线g接收混频信号并将该信号输出至真空腔f内，与此同时，电磁阀喷嘴i喷出待测样品分子h，上述混频信号和待测样品分子h在真空腔f中相互作用产生自由感应衰减信号，该自由感应衰减信号经凹面镜o反射后与待测样品分子h再次进行相互作用，作用后的信号通过喇叭天线g导出样品真空室，并经环形器e(2→3)输出。

进一步地，在其中一个实施例中，上述喇叭天线g具体采用双脊喇叭天线，凹面镜o具体采用铝凹面镜。

进一步地，在其中一个实施例中，上述信号检测系统包括数字示波器m，用于接收上述自由感应衰减信号与信号发生器b产生的单频微波信号混频至预设目标频段后的信号，且该信号通过单刀单掷电子开关k、低噪声放大器l传输至数字示波器m。

进一步地，在其中一个实施例中，上述与啁啾脉冲信号进行混频的单频微波信号、与自由感应衰减信号进行混频的单频微波信号，该两路单频微波信号由信号发生器b产生的一路单频微波信号经功分器后产生。

进一步地，在其中一个实施例中，上述任意波形发生器a、固态放大器d、电磁阀喷嘴i以及单刀单掷开关k均通过脉冲延迟生成器控制进行工作。脉冲延迟生成器的四个输出端口能独立产生延迟精准的TTL信号。采样指令由计算机上自动化控制程序发起并触发脉冲延迟生成器，使之按照程序设定时序从四个端口分别产生TTL脉冲信号来控制单刀单掷开关k、固态放大器d、电磁阀喷嘴i以及任意波形发生器a。为了确保采集的分子自由感应衰减信号相位稳定，高速数字示波器由任意波形发生器产生的标记信号来驱动。

进一步地，在其中一个实施例中，本发明的零差式微波光谱仪还包括铷频标n，其与任意波形发生器a、信号发生器b、数字示波器m直接连接，用于提供一个外部频率参考，以保证任意波形发生器a、信号发生器b、数字示波器m三者相位稳定。

进一步地，在其中一个实施例中，上述波形发生器a具体产生持续时间为5μs，扫描带宽为1GHz的啁啾脉冲信号。

对本发明的零差式微波光谱仪的性能进行验证：

本发明在微波波段采用基于啁啾脉冲原理的宽频技术产生宽带电磁波辐射源来激发分子产生转动能级跃迁。利用任意波形发生器与倍频器件产生宽带辐射源实现单次宽带扫描。在电子工程领域，时域里的啁啾脉冲为振幅恒定但频率线性渐变的正弦波脉冲如图2所示，时域里的啁啾脉冲理论上会在特定的频域产生功率恒定的输出。

在微波波段，将从任意波形发生器出来的0-1GHz的原始啁啾脉冲信号与可调信号发生器进行混频得到高频微波信号，再进行倍频便可在1-40GHz工作范围内产生2GHz带宽的脉冲信号。而现有窄带转动光谱仪利用样品室内两个完全相同的反光聚焦球面铝镜呈共轴相向排列构成仪器的核心部件—微波法-布腔，能形成带宽不到1MHz的共振驻波，起到临时储存微波能量、有效激发样品分子的作用。由此可以看出，窄带零差式微波光谱仪在扫描带宽远不及本发明宽带零差式微波光谱仪，灵敏度和分辨率略高。

以1GHz的原始啁啾脉冲信号为例，利用任意波形发生器产生带宽为1GHz的原始啁啾脉冲信号，并将该啁啾脉冲信号与频率为10GHz的单频微波源进行混频，由此获得利用啁啾脉冲技术在微波波段产生辐射源的实验数据如图3所示。

图3中图A和图B均为1GHz带宽的原始啁啾脉冲信号在任意波形发生器上的截屏图，且图B为图A的局部放大图。原始啁啾脉冲信号与10GHz的单频微波源混频后的高频微波信号无需任何高通或低通滤波处理，被示波器接收并进行傅里叶变换便得到了如图C所示的功频谱图，由图C可以看出：新生成的脉冲信号在2GHz带宽内(9-11GHz)都有较强的功率覆盖。因此，本发明客观上直接利用混频器便对带宽为1GHz的原始啁啾脉冲信号进行了一次倍频，使得单次扫描频宽达到2GHz。

实验所使用的样品是二苯甲酮分子，以检测低频区域信号为例，使用带宽为1GHz的原始啁啾脉冲信号与频率为3000MHz的信号发生器进行混频，检测出的主同位素异数体二苯甲酮分子的时域信号(10000次平均)如图4所示。根据傅里叶变换可以获得图5所示的频域信号图。从图5可以看出，在低频区域检测到很多分子自由感应衰减信号。图6是图5局部放大图，为使用零差式检测模式捕获到的主同位素异数体二苯甲酮分子的频域信号。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。