寬帶和高解析度毫米波亞毫米波信號檢測系統的製作方法

2023-04-30 22:53:16

專利名稱：寬帶和高解析度毫米波亞毫米波信號檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種毫米波亞毫米波信號檢測系統，特別是一種寬帶和高 解析度毫米波亞毫米波信號檢測系統。
技術背景目前毫米波和亞毫米波波段信號頻譜檢測在射電天文、地球大氣環境、 雷達信號、空間技術、醫藥和生物等領域應用日益廣泛，主要藉助於頻譜、分析設備來實現。頻i瞽分析儀是信號頻語分析必不可少的測量儀器之一 。 目前商用常見的頻語分析儀工作頻段多集中在微波波段，這類頻譜分析儀 對信號及其諧波分量等測量分析採用掃描式或實時方式來實現。不過即使 是掃描式頻譜分析儀實現頻譜分析的帶寬在幾十GHz量級(實時頻語分析 儀帶寬則更窄)。採用目前商用的頻譜分析儀是無法直接實現對毫米波亞毫 米波段信號(100GHz量級甚至更寬的帶寬信號)的頻譜分析的，需要藉助 專門的檢測系統來實現。這樣的檢測系統一般需要由分光系統、毫米波亞、 毫米波波段的探測器件、電路系統、以及數據處理系統等幾部分構成。 毫米波亞毫米波波段的頻譜分析檢測有直接檢波和超外差混頻兩種方式。直接檢波式信號檢測系統，將接收到的信號經檢波器後變為直流信號， 然後經頻譜處理後輸出。它結構簡單，可以實現寬帶信號低分辨頻鐠檢測(幾
十GHz至上百GHz量級帶寬，實現頻譜分析的解析度為；i/A;i 103 )。超外差混頻信號檢測系統，將接收到的信號與本振信號通過混頻器進行混頻,變換為中頻信號(GHz範圍)，然後對中頻信號放大後，再進行窄 帶高分辨頻譜分析(/l/AhIO6 )。直接檢波式信號檢測系統中，實現直接檢波的探測器常用為輻射計 bolometer,輻射計bolometer以直接接收信號的總功率方式實現信號檢測， 當需要^:高分辨頻譜分析時，輻射計bolometer作為混頻器件，儘管具有一 定中頻帶寬(如InSb材料的bolometer作為混頻器件中頻帶寬在MHz 幾 十MHz量級)，通過超外差混頻卻很難取得有效高分辨頻譜分析的實際應 用。超外差混頻信號檢測系統中，實現超外差混頻傳統混頻器為半導體肖 特基(schottky)混頻器，通過超外差混頻，肖特基混頻器實現超外差檢測、 優點是工作溫度範圍比較廣，常用於室溫下工作，同時工作頻率也比較寬 (最高可以至5THz)。其缺點是在常溫下工作靈敏度比較差(在 1000 3000K量級)，且需求較大的本振信號源功率(mW量級)。半導體肖 特基器件作為直接^r波器時靈敏度差，在寬帶信號探測方面的應用受到了 限制。在射電天文、大氣檢測和寬帶雷達信號捕獲等方面，需要進行寬帶掃 描，並進行窄帶高分辨頻i普分析，而現有的直接檢波式信號檢測系統和超、 外差混頻信號檢測系統，由於各自採用的探測器件的性能限制，不能實現 上述目的。
發明內容
為了克服上述現有技術中，超外差混頻信號檢測系統可以通過超外差混、 頻技術實現高分辨頻譜分析，無法同時實現寬帶信號檢測，以及直接檢波 信號檢測系統可以通過直接檢波技術實現寬帶信號檢測，無法同時實現高 分辨譜分析的不足，本發明提供一種新的技術方案，寬帶和高分辨信號檢測系統，該設備將採用單 一 高靈敏超導SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor )器件，同時實現寬帶和高頻率 解析度的信號檢測。完成上述發明任務的技術方案是寬帶和高解析度毫米波亞毫米波信號、 檢測系統，該檢測系統中設有超導SIS探測器，用於通過直接檢波方式提供 寬帶信號檢測，以及通過超外差混頻方式提供窄帶高分辨信號檢測；該檢 測系統通過直接檢波方式實現寬帶信號檢測頻語分析和通過超外差混頻方 式實現窄帶高分辨信號檢測頻鐠分析。上述檢測系統進一步設置可以是所述檢測系統還包括分光系統、電路 系統和數據處理系統組成，進入所述分光系統的信號依次進入所述超導SIS 探測器和數據處理系統，並從數據處理系統輸出頻譜分析信息，所述電路 系統與所述超導SIS探測器連接；所述分光系統，用於將信號轉換成兩個具 有光程差的波束，再將兩波束匯聚提供給探測器，為探測器直接檢波提供 所需待測信號的幹涉條紋，以及用於將信號轉換成兩個光程差為零的波束， 與設定好所需頻率和功率的本振信號源， 一同匯集到探測器，為超導SIS探測 器超外差混頻提供所需的待測信號和本振信號。由於超導SIS探測器在低溫下對毫米波亞毫米波信號的'照射，其電流或 電壓具有高靈敏反應，以及在低溫下伏-安特性具有很強的非線性，依前 者，超導SIS探測器可以作為直接檢波器，實現寬帶信號檢測(幾十GHz 至上百GHz量級帶寬)；依後者，可以作為超外差混頻器，實現高解析度 頻譜分析(以目前後端的低噪聲放大器中頻處理帶寬在l-8 GHz計，可實現 的頻譜解析度A/A 106 )。而且超導SIS探測器對本振信號功率要求很小 (在幾十uW之間)，這使得採用單一超導SIS探測器，檢測系統集成直接 檢波和超外差混頻兩種檢測方法成為可能。超導SIS探測器在實現直接檢 波和超外差混頻兩種檢測方法時，都具有極高的靈敏度(在直接檢波中其' 靈敏度即等效噪聲功率 d0-17『/|，在超外差混頻中其靈敏度即等效 噪聲溫度r 3-5M;/;t, 3-5倍量子極限)，可以實現微弱信號的寬帶快速掃 描，並同時實現窄帶高分辨頻譜分析。本發明為實現上述寬帶信號快速掃描並進行高分辨頻譜分析，進一步 採用如下技術方案所述分光系統包括Michelson (麥可遜)幹涉儀、寬帶波束分離器和 本振信號源。所述Michelson幹涉儀用於為探測器提供直接檢波時所需待測信號的 幹涉條紋。所述寬帶波束分離器用於為探測器提供超外差混頻時所需待測信號 (透射)和本振信號(反射)。所述本振信號源接入所述寬帶波束分離器，提供超外差混頻的本振信 號。作為本發明的進一步改進，所述本振信號源採用鎖相本振信號源，具 有頻率和功率快速鎖定特點，可快速鎖定感興趣的頻率點並進行高分辨頻譜分析。
所述Michelson幹涉4義由固定平面鏡(Fixed Mirror )、波束分離器 (Beamsplitter)和可動平面鏡(Moveable Mirror)組成。所述電路系統包括直流偏置源和低噪聲中頻放大單元。直流偏置源為 超導SIS混頻器提供偏置源。低噪聲中頻放大單元接在光電探測器混頻輸 出端和窄帶高分辨頻i普處理單元之間，對超導SIS探測器作為混頻器輸出的中頻進行低噪聲處理和放大。所述數據處理系統包括數據讀出及寬帶頻譜處理單元和窄帶高分辨頻譜處理單元，分別將超導SIS探測器的輸出進行傅立葉變換，以提供寬帶頻譜和窄帶高分辨頻譜分析結果。換句話說，本發明的系統由寬帶信號快速掃描子系統和高分辨頻譜處理子系統組成，寬帶信號快速掃描子系統由Michelson幹涉儀、寬帶波束分 離器、超導SIS探測器和數據讀出及寬帶頻譜處理單元組成，通過直接檢 波方式實現寬帶信號檢測。而高分辨頻鐠處理子系統由Michelson千涉儀、 鎖相本振信號源、寬帶波束分離器、超導SIS探測器、低噪聲中頻放大和 窄帶高分辨頻譜處理單元組成，通過超外差混頻方式實現窄帶高分辨信號 檢測。兩個子系統中，共用Michelson幹涉儀、寬帶波束分離器和超導SIS、 探測器。超導SIS探測器既可用於非相干探測(直接檢波)實現寬帶信號 檢測，又可用於相干探測(超外差混頻)實現窄帶高分辨信號檢測，超導 SIS探測器工作在直接檢波方式時，作為檢波器實現對毫米波亞毫米波信號 進行;險測，超導SIS ^:測器工作在超外差混頻方式時，作為混頻器，實現 對本振信號和待測信號進行混頻，得到低頻段的中頻信號。而寬帶波束分離器對Michelson幹涉儀的輸出信號具有高透過率，對鎖相本振信號源具有
低反射率的特點，且超導SIS探測器具有低本振信號功率需求的特點，這 使得在檢測系統中兩個子系統共用一個寬帶波束分離器和單一超導SIS探測器即可實現寬帶快速掃描的同時，對信號進行窄帶高分辨頻譜分析。本發明有益的效果是，在同一系統中，採用單一的高靈敏度超導SIS 探測器，超導SIS探測器在超外差混頻方法裡用作混頻器，而在直接檢波方法裡作為直接檢波器，實現毫米波亞毫米波波段信號兩種探測方式(相干 探測和非相干探測)相結合的寬帶快速掃描和窄帶高分辨頻譜檢測。


圖1是本發明實施例的系統框2是本發明實施例的Michelson幹涉儀結構示意圖具體實施方式
實施例1，如圖1所示，寬帶和高解析度毫米波亞毫米波信號檢測系統，由分光系 統l、探測器2、電路系統3和數據處理系統4組成。分光系統l，用於將信號轉換成兩個具有光程差的波束，再將兩波束匯 聚提供給探測器2，以及用於將信號轉換成兩個光程差為零(很小)的波束，、 與設定好所需頻率和功率的鎖相本振信號12, —同匯集到探測器2。分光系 統l由Michelson幹涉儀ll、寬帶波束分離器13和鎖相本振信號源12組成。寬 帶波束分離器13對傅立葉單元12輸出信號具有很高的透射率，對本振源信 號ll信號具有較低的反射率。探測器2採用高靈敏度超導SIS探測器，用於通過直接檢波方式提供 寬帶檢測信號，以及用於通過超外差混頻方式提供窄帶高分辨檢測信號。
電路系統3包括直流偏置源31和低噪聲中頻放大單元32。直流偏置源 31為超導SIS探測器提供偏置電源。低噪聲中頻放大單元32接探測器2 混頻輸出端和窄帶高分辨頻譜處理單元42之間，對超導SIS探測器作為混 頻器輸出的中頻進行低噪聲處理和放大。數據處理系統4包括數據讀出及寬帶頻i普處理單元41和窄帶高分辨頻、譜處理單元42,分別l是供寬帶頻錯和窄帶高分辨頻譜分析結果。寬帶快速掃描和窄帶高分辨頻譜4企測的實現在本^r測系統中可以單一完成寬帶信號快速掃描或窄帶高解析度頻譜分析。當對信號的頻譜特徵未知的情況下，檢測系統可以先進行寬帶低分辨的快速掃描，獲取粗略的信號頻譜，再通過窄帶的高分辨頻譜分析，進一步詳細確認信號的頻譜特徵，下面的描述就是這樣的一個過程。通過這樣的一個實施例，概括描述了檢測系統的三個實用功能。 '首先，進行寬帶快速掃描。信號進入Michdson幹涉儀11，在波束分離 器53處，被分成兩個波束，兩個波束經過可動平面鏡52和固定平面鏡51 的反射後，又在波束分離器53處匯合，超導SIS探測器2檢測經過匯聚以 後的匯合波束。改變Michelson幹涉儀11中的可動平面鏡52的位置，使得 可動平面鏡52和固定平面鏡51與波束分離器53的距離不相等，兩個波束 之間產生光程差，從而兩個波束髮生幹涉。通過不斷改變可動平面鏡52的 位置，超導SIS探測器2就可以探測到兩個波束幹涉強度與光程差之間對 應關係的幹涉波紋。幹涉條紋的讀出是這樣來實現的首先改變可動平面鏡52位置，數據
紋強度，根據荻取幹涉條紋強度與對應的光程差(移動可動平面鏡的位置， 可獲取不同的光程差)，即幹涉圖之後，再對之進行寬帶頻譜處理獲取信號、和超導SIS探測器的頻語響應，在已知超導SIS頻率響應情況下，可進一步得到寬帶信號的頻譜特性，實現直接;險波方式的寬帶信號分析。 其次，在獲取寬帶信號頻鐠之後，對感興趣的頻點進行窄帶高分辨信號頻譜分析。信號經過Michelson幹涉儀11,為了得到較好的檢測強度，調整可動平面鏡52，使得信號經過Michelson幹涉儀後兩個波束的光程差仍為零，再經寬帶波束分離器13透射，與設定好所需頻率和功率的鎖相本振信號源12經寬帶波束分離器13反射， 一同匯集到超導SIS探測器2，待檢、測信號和本振信號通過超導SIS混頻器2混頻，得到待;險測信號和本振信號之間的差值一中頻信號，先經過低噪聲中頻放大單元32進行放大，再通過窄帶高分辨頻譜處理單元42進行頻譜處理，實現了超外差混頻方式的窄 帶高分辨信號頻鐠分析。本發明技術中，採用單一的超導SIS探測器，既有非相干探測功能(直 接檢波特性)，也有相干探測功能(外差混頻特性)，因此，可以通過直接檢 波方式實現寬帶信號檢測，在此基礎上，結合超外差混頻方式再對感興趣、 頻點實現高分辨信號頻語分析。在同一系統中完成寬帶信號快速掃描，並 通過設定本振信號的頻率，對感興趣頻點的信號進行高分辨譜分析。
權利要求
1、寬帶和高解析度毫米波亞毫米波信號檢測系統，其特徵是，該檢測系統中設有超導SIS探測器，用於混頻和檢波，通過直接檢波方式提供寬帶檢測信號，和通過超外差混頻方式提供窄帶高分辨檢測信號；該檢測系統通過直接檢波方式實現寬帶信號檢測頻譜分析和通過超外差混頻方式實現窄帶高分辨信號檢測頻譜分析。
2、 根據權利要求l所述的信號檢測系統，其特徵是，所述檢測系統還包 括分光系統、電路系統和數據處理系統組成，進入所述分光系統的信號依 次進入所述超導SIS探測器和數據處理系統，並從數據處理系統輸出頻譜分、 析信息，所述電路系統與所述超導SIS探測器連接；所述分光系統，用於將 信號轉換成兩個具有光程差的波束，再將兩波束匯聚提供給超導SIS探測 器，為超導SIS探測器直接檢波提供所需待測信號的幹涉條紋，以及用於將 信號轉換成兩個光程差為零的波束，與設定好所需頻率和功率的本振信號 源，一同匯集到^:測器，為超導SIS:f冢測器超外差混頻提供所需的待測信號和 本振信號。
3、根據權利要求2所述的信號檢測系統，其特徵是，所述分光系統包、 括Michelson幹涉儀、寬帶波束分離器和本振信號源；所述Michelson幹涉儀用於為超導SIS探測器提供直接;險波時所需待 測信號的幹涉條紋；所述寬帶波束分離器用於為超導SIS探測器提供超外差混頻時所需 待測信號和本振信號，包括透射待測信號和反射本振信號；所述本振信號源接入所述寬帶波束分離器，提供超外差混頻的本振信號。
4、根據權利要求2所述的信號檢測系統，其特徵是，所述電路系統包 括直流偏置源和低噪聲中頻放大單元；所述直流偏置源為超導SIS混頻器提供偏置源；所述低噪聲中頻放大單元接混頻輸出端和窄帶高分辨頻譜處理單元之、 間，對超導SIS探測器作為混頻器輸出的中頻進行低噪聲處理和放大。
5、 根據權利要求2所述的信號檢測系統，其特徵是，所述數據處理系 統包括數據讀出及寬帶頻鐠處理單元和窄帶高分辨頻譜處理單元，分別提 供寬帶頻i普和窄帶高分辨頻鐠分析結果。
6、 根據權利要求3所述的信號檢測系統，其特徵是，所述Michelson 幹涉儀由固定平面鏡、波束分離器和可動平面鏡組成。
7、 根據權利要求3所述的信號檢測系統，其特徵是，所述本振信號源、 採用鎖相本振信號源。
全文摘要
本發明涉及一種寬帶和高解析度毫米波亞毫米波信號檢測系統，目的在於提供一種同時實現寬帶和高頻率解析度的信號檢測的檢測系統。完成上述發明任務的技術方案是寬帶和高解析度毫米波亞毫米波信號檢測系統，該檢測系統中設有超導SIS探測器，用於通過直接檢波方式提供寬帶信號檢測，以及通過超外差混頻方式提供窄帶高分辨信號檢測；該檢測系統通過直接檢波方式實現寬帶信號檢測頻譜分析和通過超外差混頻方式實現窄帶高分辨信號檢測頻譜分析。本發明採用超導SIS探測器，超導SIS探測器在超外差混頻方法裡用作混頻器，而在直接檢波方法裡作為直接檢波器，實現毫米波亞毫米波波段信號兩種探測方式相結合的寬帶快速掃描和窄帶高分辨頻譜檢測。
文檔編號G01R23/17GK101126775SQ200710130929
公開日2008年2月20日 申請日期2007年8月24日 優先權日2007年8月24日
發明者史生才, 姚騎均, 文 張, 婧 李, 戟 楊, 林鎮輝 申請人:中國科學院紫金山天文臺