在毫米波区域中对气体的吸收频谱的检测及锁定

摘要

本申请案涉及在毫米波区域中对气体的吸收频谱的检测及锁定。本发明揭示一种频率参考装置(100)，其包含用以基于气体的吸收线产生频率参考信号的频率参考产生单元(402)。

说明书

技术领域

本申请案涉及频谱检测。

背景技术

频谱及频谱仪可用作各种测量及参考工具。此类工具可对几乎任一形式的物质使用 大量测量技术。测量技术可取决于所关注的材料，所述材料可决定何种频率/波长可最适 于测量。举例来说，频谱仪可适于测量发射及吸收频谱。此外，传输频谱仪可特定寻找 材料的特性吸收线。吸收线可用于从一系列已知频谱识别未知物质，或吸收线可用于检 测样本中的已知物质的量。一般来说，频谱原理可用于各种测量或用于基于频率或波长 界定参考。

发明内容

频谱原理可用于一种包含用以基于气体的吸收线产生频率参考信号的频率参考产 生单元的频率参考装置中。

频谱原理还可实施于一种产生参考频率的方法中，所述方法包含：接收经发射穿过 含有气体的气体吸收池的射频(RF)信号，借助所述RF信号检测所述气体的吸收线，及 基于所述吸收线的频率产生参考频率。

频谱原理可进一步用于一种用于产生参考频率信号的系统中，所述系统包含含有气 体的气体吸收池及信号产生与检测单元。所述信号产生与检测单元用于产生RF信号， 检测所述气体的吸收线，锁定所述吸收线，及基于所述吸收线输出参考频率信号。

附图说明

针对本发明的示范性实施例的详细说明，现在将参考所附图式，其中：

图1展示根据如本文中所描述的各种实例的单个封装参考产生装置100的框图；

图2展示根据本文中所论述的各种实例的时钟参考系统的框图；

图3展示根据如本文中所论述的各种实例的吸收池的实例；

图4展示根据本文中所论述的各种实例的IC 206的框图；

图5展示在各种压力下水的183.31 GHz吸收线的传输频谱的曲线图；

图6是根据本文中所论述的各种实例的用于产生频率参考的方法的流程图；及

图7展示根据本文中所论述的各种实例的频谱仪。

符号及命名法

遍及以下说明及权利要求书使用特定术语来指特定系统组件。如所属领域的技术人 员将了解，公司可以不同名称提及一组件。本文件不打算区分在名称但非功能上不同的 组件。在以下论述中及在权利要求书中，术语“包含(including)”及“包括(comprising)” 是以开放式方式使用的，且因此应解释为意指“包含但不限于…”。此外，术语“耦合 (couple或couples)”打算意指间接或直接连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置， 那么所述连接可通过直接连接或通过经由其它装置及连接的间接连接。

具体实施方式

以下论述针对于本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一或多者可为优选的， 但所揭示的实施例不应被解释为或以其它方式用作限制包含权利要求书的本发明的范 围。另外，所属领域的技术人员将理解，以下说明具有广泛应用，且对任一实施例的论 述仅意欲为所述实施例的示范性的，且不打算暗示包含权利要求书的本发明的范围限于 所述实施例。

可以各种方式且在宽广频率范围下利用频谱。可使用频谱分析来确定样本的光学特 性，样本为(举例来说)气体或固体。还可使用频谱分析来确定(举例来说)分子的固有特性、 特性吸收机制及其对应频率。多年来，已分析大多数元件及容易发生的分子以提供这些 已知物质的频谱数据库。此数据库可用于(例如)通过对未知气体样本执行频谱且接着将 任何经检测吸收峰值及其对应频率与所述数据库进行比较而帮助确定所述样本的构成。 另外，经测量频谱还可用于确定样本中的特定气体的量。除使用频谱仪之外，还可使用 分析工具、频谱原理来产生频率参考以用作(举例来说)电子器件的时钟信号。

所有类型的计算装置中所使用的时钟参考按常规由晶体(通常为石英)制作，其使用 晶体的本质振荡作为频率参考。晶体振荡器可制作成可用于计算机系统及移动计算装置 中的小的外观尺寸，但可具有百万分率的准确性的上限。此准确性限制意指对参考频率 或系统时钟的改变敏感的计算及通信应用可能有时不恰当地操作。在频谱的另一端，原 子时钟为极度准确的(在10¹⁴的范围内)，但由于其组件而可为小型汽车的大小。因此， 对于许多应用及系统，用于计算及通信装置的小的外观尺寸、准确时钟可为合意的。

本文中描述一种用于基于气体的吸收线产生芯片级频率参考的方法及系统。所述方 法及系统使用气体的吸收线的中心频率作为参考频率，所述中心频率是使用电磁(EM) 频谱的毫米波(mm波)、微波及太赫兹(THz)频率部分中的射频(RF)信号检测的。在检测 到吸收线后，吸收线可即刻被系统锁定并跟踪。跟踪吸收线可允许系统产生稳定频率参 考。

图1展示根据如本文中所描述的各种实例的单个封装参考产生装置100的框图。装 置100可包含测量与控制集成电路(IC)102及吸收池104(吸收池104还可称为池104)。 测量与控制IC 102可为安装到池104的单个IC。测量与控制IC 102可包含RF信号产 生、发射及检测组件，信号分析单元及参考频率信号产生单元。测量与控制IC 102可安 装到池104使得所产生的RF信号被发射到池102中，且在RF信号通过池104之后从 池104接收。或者，测量与控制IC 102可由互连且安装到池104的多个IC芯片构成。

池104可包括填充有(举例来说)气体、水蒸气的内部波导，且可包含用于RF信号 在进入到池104中及从池104出来的途中通过的出入端口或出入窗口。可使借助池104 含纳的气体保持在低压(举例来说，0.1毫巴)下以促进气体的特性吸收线的检测。还可实 施其它压力且其并非装置100的限制方面。池104中的气体的压力可帮助区别吸收线与 背景，此又可减少装置100的检测时间。

测量与控制IC 102可产生并调制发射到池104中的RF信号。可通过使RF信号扫 掠过一频率范围以检测池104中的气体的吸收线而使用RF信号来首先检测所述吸收线。 可通过所采用的调制方案促进吸收线的检测。所使用的频率范围可与吸收线的已知频率 (包含吸收线的宽度的变化)一致。吸收线的宽度可受各种因素(例如池104中的气体的压 力及温度)影响。

一旦已检测到吸收线，测量与控制IC 102便可产生用于调整在其处发射RF信号的 频率的误差信号使得吸收线由装置100跟踪或锁定。测量与控制IC 102可接着使用RF 信号的频率来计算并输出频率参考信号f_OSC106。举例来说，如果池104中的气体为水 蒸气且经检测吸收线对应于水的183.31 GHz吸收线，那么频率参考信号106可为183.31 GHz。

在装置100启动时或周期性地取决于气体的吸收线如何动态，装置100可实施校准 过程。校准过程可用于从所关注的吸收线的频谱测量移除任一背景频谱及噪声。校准过 程可估计池104及同测量与控制IC 102相关联的检测器的性能特性。可接着使用池104 及检测器的所估计性能特性来从所接收RF信号移除背景频谱。可在装置100产生频率 参考信号106时连续地执行此移除或补偿计算。

图2展示根据本文中所论述的各种实例的时钟参考系统200的框图。时钟参考系统 200可为图1的单个封装参考产生装置100的另一实施方案。时钟参考200可使用焊料 球214安装到印刷电路板(PCB)202，但可使用任一其它已知安装方法。时钟参考200 可包含IC 206、天线封装208及吸收池104。天线封装208及IC 206可使用焊料球212 彼此互连，但可使用任何其它形式的互连。IC 206与天线封装208之间的互连可用于在 彼此之间传达电信号。如此，IC 206与天线封装208之间的互连可出于安装及电连接两 个目的。或者，IC 206与天线封装208可组合成单个IC。

池104及天线封装208可彼此耦合使得RF信号在一个位置处从天线封装208发射 到池104中且在另一位置处在通过池104之后由天线封装208接收。天线封装208可包 含与池104的一个出入端口对准的RF发射天线。天线封装208还可包含与池104的另 一出入端口对准的RF接收器天线。

IC 206可执行同测量与控制IC 102相同的功能中的许多功能且可包含RF产生、调 制及检测组件以及各种其它信号处理及控制单元。IC 206可执行与上文关于装置100产 生时钟信号所论述相同的步骤。IC 206可产生并调制经发射穿过池104的RF信号以检 测(举例来说)气体、水蒸气的吸收线。一旦已检测到吸收线，IC 206便可产生反馈或控 制信号以调整在其处发射RF信号的频率因此以锁定吸收线。通过锁定吸收线，IC 206 及时钟参考200可产生待由与时钟参考200相关联的任何电子器件使用的稳定且准确频 率参考信号。

另外，在系统启动时，IC 206可执行类似于由装置100执行的校准步骤的对时钟参 考200的校准。接着，可使用由IC 206获得的校准值来连续地补偿由IC 206检测的RF 信号以增强频率参考信号的准确性。

图3展示根据本文中所论述的各种实例的吸收池104的实例。吸收池104可包含两 个出入窗口302或仅窗口302及波导304。窗口302可对发射到池104中及从池104出 来的RF信号为透明的。出入窗口可由电介质材料或对RF信号透明的任一其它材料构 成且可安装到池104上使得与池104主体形成密封。池104的主体可由金属(例如，黄铜) 或高介电常数材料(例如，陶瓷)组成。

波导304可含有气体且可为RF信号采取的从一个窗口302到另一窗口302的路径。 波导304的长度可影响时钟参考200或装置100检测气体的吸收线所需的时间。波导304 的长度还可影响在检测吸收线时的信噪比。检测时间与信噪比可为相关的，且一者可与 另一者相反。信噪比及波导长度还可通过两个竞争因素相关。一个此种因素可为较长波 导304具有较强气体吸收线信号，因此潜在地增加信噪比且减少检测时间。第二因素可 为较长波导还将发射较少总RF功率，从而贡献于信噪比的减小及较长检测时间。针对 较短波导304反之亦然。因此，存在将这两个因素的信噪比贡献最大化的最优波导长度， 且其将取决于系统的RF功率约束。常规气体频谱仪可使用具有约一米的长度的气体吸 收池，但针对小的占用面积、安装有PCB的装置，此可为不实际的。将信噪比最大化的 最优波导长度还可比在小的占用面积系统中实际的情况长。因此，所要检测时间及可准 许信噪比可帮助确定实际波导304长度。

以蛇形图案展示波导304以增加RF信号采取的从一个窗口302到另一窗口302的 路径长度。蛇形图案可允许RF信号与气体之间的更多相互作用因此以形成强吸收线信 号以帮助检测及跟踪吸收线。或者，波导304可为使用在中心相接的两个缠绕螺旋的螺 旋形状。此螺旋定向可具有其中两个螺旋在外侧上开始的出入窗口。本发明不限于这两 种定向且可在本发明的范围内使用许多其它变化。

图4展示根据本文中所论述的各种实例的IC 206的框图。IC 206可包括RF产生与 调制单元402、误差信号产生单元404、检测器406(检测器406还可称为接收器406)、 数字信号处理器(DSP)408及校准与补偿单元410。各种单元402到410可彼此一致地起 作用，使得IC 206检测并跟踪池104中的气体的吸收线以产生频率参考信号。此外，各 种单元402到410可表示IC 206的功能性中的仅一些功能性且可通过其它分析单元扩 增。

RF产生与调制单元402可用于产生发射到池104中的RF信号。可使用各种调制技 术(例如振幅调制(AM)、频率调制(AM)或频移键控(FSK))调制RF信号。可在覆盖EM频 谱的mm波、微波及THz频率的频率范围内产生RF信号。RF信号的发射可用于检测 气体的吸收线且一旦检测到吸收线便进行锁定。吸收线的中心频率一旦被获取并跟踪便 可接着由装置100或时钟参考200用作频率参考。RF产生与调制单元402可耦合到IC 206的其它单元404到410且还可耦合到包含于天线封装208中的RF发射器天线。

RF产生与调制单元402可使RF信号扫掠过一频率范围以首先检测吸收线(举例来 说，水的183.31 GHz吸收线)。如果单元402使用FSK调制(其使用分离开(举例来说) 设定频率跨度的两个RF音调)，那么所述两个音调可替代地由检测器406发射并测量。 两个音调可在50％工作循环时发射。使两个音调分离的频率跨度可与吸收线的半最大值 处的半宽度一致。单元402可将两个音调发送到天线封装208中的RF发射器天线以发 射到池104中。单元402可使用锁定或经匹配滤波检测技术来改进信噪比。

检测器406可耦合到位于天线封装208上的RF接收器天线以在所发射RF信号通 过池102之后接收所发射RF信号。检测器406还可耦合到构成IC206的各种其它单元 (402、404、408及410)。检测器406可用于检测所发射/所接收RF信号(两个FSK音调) 的量值以继续所述实例。所接收音调的量值可表示在所述频率处经历的吸收(发射)RF 音调的量。如此，两个音调的量值可在扫掠过所述频率范围时改变。然而，当两个音调 骑跨吸收线时，存在其中两个音调的量值变得相等的两个频率。在所述例子中，可检测 吸收线。接着，为使两个音调保持骑跨吸收线，可需要反馈来控制在其处发射两个音调 的频率。

误差信号产生单元404可耦合到各种其它单元402、406到410且可用于产生产生 反馈、误差信号以驱动RF产生与调制单元402。通过驱动单元402，误差信号允许吸收 线由单元402锁定。为了继续FSK调制实例，误差产生单元404可使用两个FSK音调 之间的量值差来产生误差信号。两个信号之间的量值差将确定将两个音调的频率调整多 少及在何种方向上做出所述调整。误差信号产生单元404的目标可将量值差驱动为零， 此将对应于两个音调骑跨吸收线的中心频率。零可表示两个FSK音调位于距吸收线的中 心频率等距离处。误差产生单元404可直接从检测器406接收经检测音调，或由误差产 生单元404使用的音调可来自校准与补偿单元410及/或DSP 408。由误差产生单元404 使用的数据可为由检测器406接收的原始信号，或其可为已经处理以移除背景频谱的信 号。

校准与补偿单元410可耦合到IC 206的各种其它单元402到408且可校准装置100 (时钟参考200)使得可从经检测RF信号移除背景频谱。背景信号的移除可帮助气体的吸 收线的较稳健检测及跟踪。如上文所描述的校准过程可涉及单元410估计池104及检测 器406的性能特性。接着，可使用表示池104及检测器406的性能特性的值来补偿所接 收FSK音调，因此从经测量频谱移除背景频谱。单元410可执行两个音调的补偿，或 DSP 408可执行补偿校准。另外，经补偿音调可由误差产生单元404用于校准误差信号。 使用所接收音调的经补偿值可产生更准确误差信号，从而形成吸收线的更好追踪及最终 更准确且稳定频率参考信号。

DSP 408可耦合到IC 206的各种其它单元且可用于各种信号处理任务。刚刚描述了 一个实例，但DSP 408还可连同误差信号产生器404一起用于计算使在其处产生RF信 号的频率变化的误差信号。

如应认识到，各种单元402到410可组合成较少单元或模块。举例来说，DSP 408 可执行如同误差信号产生器404的功能中的一些或所有功能。另外或另一选择为，所述 单元中的一些单元可为由处理器执行的软件、固件或软件与硬件的组合。

图5展示在各种压力下水的183.31 GHz吸收线的传输频谱的曲线图500。曲线图 500图解说明吸收线的宽度及吸收量值如何随压力改变。关于吸收量值，增加吸收池(例 如池104)内的气体的压力使吸收量增加直到达到饱和为止。然而，压力的增加还使吸收 线的宽度增加。吸收线的增宽是由于压力增宽(压力的增加致使分子碰撞，此影响吸收宽 度)与多普勒增宽(分子将以不同速度移动，此也影响吸收宽度)的混合。压力增宽可在高 压下占主导，而在低压下占主导的多普勒增宽可形成吸收线的宽度的最小值。

因此，两种线增宽机制之间的转变点可为待用于池104内的气体的压力。在此压力 点(传输频谱500上的0.1毫巴)处，吸收的量值可接近于最大值而线宽度仍为窄的，约1 MHz。与水传输频谱(未展示)的其它特性相比，使线宽度保持较窄可允许区别183.31 GHz 吸收线与其它宽吸收峰值。将池104中的压力设定为0.1毫巴可接着提供具有由于吸收 曲线的陡坡度而允许快速检测时间及增强的跟踪的量值的吸收线。举例来说，如果使用 FSK检测，那么可将0033中所论述的两个频率音调放置于吸收线的任一侧上的最大坡 度的两点处以提供两个音调的中心与吸收线的中心频率之间的频率偏移的最好辨别。

图6是根据本文中所论述的各种实例的用于产生频率参考的方法600的流程图。方 法600在步骤602处以接收经发射穿过含有气体的气体吸收池的RF信号开始。举例来 说，RF信号可由装置100的测量与控制IC 102产生并发射穿过池104。步骤602还可 由时钟参考200的IC 206实施。举例来说，所发射RF信号可为由IC 206的RF产生与 调制单元402产生并发射的FSK音调。所发射RF信号可接着在通过池104中所含的气 体(例如，水蒸气)之后由IC 206的检测器406接收。

方法600接着在步骤604处以借助RF信号检测气体的吸收线继续。再次，步骤604 可由装置100的测量与控制IC 102或由时钟参考200的IC 206实施。当借助IC 206实 施步骤604时，检测器406可针对吸收线(例如水的183.31 GHz吸收线)分析所接收RF 信号。可针对约183.31 GHz频率的特性吸收分析所接收RF信号。

方法600接着在步骤606处以基于吸收线的频率产生参考频率完成。一旦气体的吸 收线已由装置100或时钟参考200检测，吸收线的中心频率便可用作频率参考。当将水 蒸气用作池104中的气体时，183.31 GHz吸收线可为所检测的吸收线且所述频率183.31 GHz可在那时为由装置100输出的频率参考。

图7展示根据本文中所论述的各种实例的频谱仪700。频谱仪700可用于分析气体 样本以确定何种气体可存在于样本中及/或样本中的气体的浓度。频谱仪700可使用紧固 部件720安装到PCB 702。频谱仪700可包括两个主要部分-传感器704及取样系统706。 传感器704可实施许多(如果并非全部)上文关于装置100及时钟参考200所论述的功能 性。替代植入上文所描述的功能性以产生频率参考信号，频谱仪700可实施所述功能以 确定未知气体样本的组合物或已知气体样本的浓度值。可通过检测吸收峰值并将所述峰 值的中心频率与已知吸收峰值的数据集进行比较而分析气体。可基于经测量吸收线的量 值以及所述吸收线的宽度确定已知气体样本的浓度。

传感器704可包含RF组合件708及吸收池710。吸收池710可类似于池104且可 包含用于RF发射两个出入窗口且可包含呈上文所论述设计中的任一者的波导。传感器 204还可包含可用于将气体样本递送到吸收池710中并在完成分析之后从吸收池710移 除气体样本的气体端口712。气体端口712可与吸收池710形成气密密封使得在装载或 移除气体样本时无杂散气体进入吸收池710。

RF组合件708可类似于测量与控制单元102或IC 206与天线封装208的组合，且 RF组合件708可实施吸收池710中的气体样本的吸收线的RF产生及检测。

取样系统706可用于将气体样本递送到吸收池710。取样系统706可包含泵系统714、 阀系统716及样本端口718。样本端口718可用于将待分析的气体样本引入到频谱仪700。 泵系统714可用于在从样本端口718用气体样本填充吸收池710之前评估吸收池710。 泵系统714还可用于维持吸收池710中的设定压力。阀系统716可经打开以允许载运气 体722帮助将气体样本从样本端口718移动到吸收池710。载运气体722可为惰性气体 使得不发生与气体样本的相互作用。另外，载运气体722的发射频谱可由频谱仪700知 晓使得可在发生分析之前将载运气体722的频谱从气体样本的频谱移除。

以上论述意欲说明本发明的原理及各种实施例。一旦完全了解以上揭示内容，所属 领域的技术人员便将显而易见众多变化及修改。打算所附权利要求书解释为囊括所有此 类变化及修改。