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太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置及其分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，在實(shí)現(xiàn)太赫茲外差陣列接收機(jī)本振功率分配的同時，同時實(shí)現(xiàn)與待測信號的耦合。本發(fā)明波束分離器上裝配有具有一定反射率和透射率的介質(zhì)膜，介質(zhì)膜與輸出波束呈45°夾角，輸出波束依次透射各個波束分離器上的介質(zhì)膜，每個介質(zhì)膜均反射部分輸出波束與待測信號耦合后射至與之相應(yīng)的混頻器中，本振參考信號功率分配裝置通過調(diào)整不同位置的波束分離器上的介質(zhì)膜厚度改變介質(zhì)膜反射率和透射率或調(diào)整混頻器的最佳功率需求，使混頻器接收到的本振參考信號功率與該混頻器的最佳功率需求相匹配。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，易于在空間和極端環(huán)境下應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置及其分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲測量的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種外差接收機(jī)本振參考信號功率分配技術(shù)，具體的說，是一種太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置及其分配方法。

【背景技術(shù)】
[0002]自從上世紀(jì)70年代CO分子譜線發(fā)現(xiàn)以來，太赫茲技術(shù)在星系、恒星形成和星際介質(zhì)研究中起著重要的作用。分子云覆蓋較大的天區(qū)面積，范圍從幾十平方角分到上百平方度。分子云的主要成分為分子氣體，在所處的溫度和密度下輻射的分子譜線恰好落于太赫茲波段。通過對太赫茲分子譜線的高角分辨率巡天觀測，可以研究分子云的組成以及相應(yīng)的演化進(jìn)程。單像元外差接收機(jī)掃描如此大面積的天區(qū)，需要耗時很長時間，甚至無法完成，而外差陣列接收機(jī)的掃描速度與其像元素成正比，因此高靈敏度外差陣列接收機(jī)是研究大天區(qū)分子云的理想工具。
[0003]構(gòu)建外差陣列接收機(jī)的一大關(guān)鍵挑戰(zhàn)就是本振功率的分配。外差接收機(jī)是利用高靈敏度混頻器的強(qiáng)非線性特性，將待觀測的信號與本振參考信號進(jìn)行混頻，產(chǎn)生的差頻(即中頻)信號保留了待觀測信號的幅度和相位信息，利用現(xiàn)有的電子學(xué)技術(shù)對其進(jìn)行放大、濾波、檢波等后續(xù)處理。對于單像元外差接收機(jī)，可以通過波導(dǎo)定向耦合器或者準(zhǔn)光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)待觀測信號與本振參考信號的組合，但是外差陣列接收機(jī)具有很多個像元，實(shí)現(xiàn)本振參考信號的高效均勻分配具有較大的挑戰(zhàn)。歐美國家前期建立了多套毫米波和亞毫米波段的外差陣列接收機(jī)。如基于肖特基混頻器的15像元陣列接收機(jī)QUARRY，其本振參考信號的分配通過波導(dǎo)定向稱合器(cross-guide waveguide coupler)逐級分配到每個混頻器。德國開發(fā)的基于超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器的16像元陣列接收機(jī)CHAMP，其本振功率分配通過傅立葉珊網(wǎng)(transmissive Fourier grating)將一個本振波束變換為12個波束，然后由Martin-Puplett干涉儀實(shí)現(xiàn)與待測信號的I禹合。最近,中國紫金山天文臺研制的毫米波超導(dǎo)頻譜陣列接收機(jī)，利用波導(dǎo)功分器首先將本振信號分為三路，再將每一路分為三路實(shí)現(xiàn)九像元本振功率分配。這些本振功率分配方案對于低頻率的陣列接收機(jī)比較適合(毫米波段陣列接收機(jī))，對于太赫茲波段陣列接收機(jī)，波導(dǎo)定向耦合器的尺寸與波長成正比，僅為幾十微米，加工極其困難，既耗時成本也高。傅立葉珊網(wǎng)的加工同樣要求微米極的精度，其工作帶寬有限，而且多個波束之間不再平行，需要額外的光學(xué)部件，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。隨著太赫茲信號源技術(shù)的發(fā)展，其輸出功率越來越大，在I THz達(dá)到100微瓦量級。如果采用量子級聯(lián)激光器，在2-5 THz頻段甚至達(dá)到毫瓦級。同時高靈敏度超導(dǎo)混頻器(如超導(dǎo)熱電子混頻器)需求的本振功率為100 nW量級。這二者的發(fā)展大大降低了外差陣列接收機(jī)本振功率分配的效率要求。另外，由于受到地球大氣對太赫茲輻射強(qiáng)吸收的影響，太赫茲外差陣列接收機(jī)通常應(yīng)用于一些特殊環(huán)境(如空間應(yīng)用和南極極端環(huán)境)，本振功率分配方案的簡單和可靠性更加重要。因此發(fā)現(xiàn)簡單可靠的本振功率分配技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)太赫茲外差陣列接收機(jī)具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述技術(shù)現(xiàn)狀，而提供一種簡單可靠的本振參考信號分配裝置及其分配方法，通過多個波束分離器組合實(shí)現(xiàn)本振參考信號的分配。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，包括有本振參考信號源，其中:還包括呈陣列布設(shè)的波束分離器、與波束分離器數(shù)量相應(yīng)的混頻器以及負(fù)載吸收裝置，波束分離器上裝配有具有一定反射率和透射率的介質(zhì)膜，介質(zhì)膜與輸出波束呈45°夾角，輸出波束依次透射各個波束分離器上的介質(zhì)膜，每個介質(zhì)膜均反射部分輸出波束與待測信號耦合后射至與之相應(yīng)的混頻器中，本振參考信號功率分配裝置通過調(diào)整不同位置的波束分離器上的介質(zhì)膜厚度改變介質(zhì)膜反射率和透射率或調(diào)整混頻器的最佳功率需求，使混頻器接收到的本振參考信號功率與該混頻器的最佳功率需求相匹配。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
上述的介質(zhì)膜為低損耗高強(qiáng)度介質(zhì)膜。
[0007]上述的介質(zhì)膜為邁拉膜片。
[0008]上述的本振參考信號源的輸出端放置有拋物鏡，拋物鏡對輸出波束進(jìn)行準(zhǔn)直。
[0009]上述的本振參考信號功率分配裝置通過調(diào)整每一個波束分離器的介質(zhì)膜厚度，使每個介質(zhì)膜反射的輸出波束功率相等。
[0010]上述的本振參考信號功率分配裝置通過調(diào)整混頻器的微橋體積改變混頻器的最佳功率需求。
[0011]上述的將介質(zhì)膜緊繃到金屬邊框上形成波束分離器。
[0012]上述的透射過介質(zhì)膜的待測信號與經(jīng)介質(zhì)膜反射的本振參考信號進(jìn)行耦合，共同射入混頻器。
[0013]一種太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置分配本振參考信號功率的方法，包括以下步驟:本振參考信號源射出的輸出波束射向第一個波束分離器，輸出波束經(jīng)呈45°夾角設(shè)置的第一個波束分離器的介質(zhì)膜反射一部分功率給第一個混頻器，其余輸出波束透過介質(zhì)膜射向第二個波束分離器，輸出波束經(jīng)第二個波束分離器的介質(zhì)膜反射一部分功率給第二個混頻器，依次類推直到最后一個波束分離器的介質(zhì)膜反射一部分功率給最后一個混頻器，透射過最后一個波束分離器的輸出波束由負(fù)載吸收裝置吸收，使后級波束分離器的介質(zhì)膜厚度逐級大于前級波束分離器的介質(zhì)膜厚度，每級波束分離器反射的輸出波束功率均勻，或者使后級混頻器的微橋體積逐級小于前級混頻器的微橋體積，隨著射入混頻器的波束功率的減小而降低最佳功率需求(本發(fā)明所指的前級波束分離器和前級混頻器是靠近輸出波束源的波束分離器及與之對應(yīng)的混頻器，后級波束分離器和后級混頻器是相對遠(yuǎn)離輸出波束源的波束分離器及與之對應(yīng)的混頻器)。
[0014]本振參考信號源射出的輸出波束先經(jīng)過拋物鏡實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直后，再射入第一個波束分離器。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的利用拋物鏡將本振參考信號準(zhǔn)直，使其波束隨著傳播距離保持不變，多個波束分離器將本振參考信號分配至相應(yīng)太赫茲混頻器，同時實(shí)現(xiàn)與待測信號的耦合。波束分離器可以利用較薄的低損耗高強(qiáng)度介質(zhì)膜(如邁拉膜片)制作，將其放置于與波束成45°的位置。這樣入射的待測信號通過透射至太赫茲混頻器，而本振參考信號通過反射至太赫茲混頻器。隨著本振參考信號的逐漸分配，后續(xù)混頻器接收到的本振功率會逐漸減小。可以通過適當(dāng)增加介質(zhì)膜厚度調(diào)節(jié)，或者制備不同本振功率需求的高靈敏度混頻器解決。對于較大的本振參考信號功率輸出，選取較薄的介質(zhì)膜制作波束分離器，可以提高太赫茲信號的透過率，降低對系統(tǒng)性能的影響。
[0016]利用波束分離器實(shí)現(xiàn)太赫茲外差陣列接收機(jī)的本振參考信號分配的優(yōu)點(diǎn)在于:
I)波束分離器通過低損耗高強(qiáng)度介質(zhì)膜(如Mylar)制備，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，并且容易制備，成本低。
[0017]2)波束分離器的反射率和透射率可以通過介質(zhì)膜的厚度調(diào)節(jié)，便于在本振參考信號功率與系統(tǒng)性能之間尋求平衡。
[0018]3)各路的本振參考信號功率可以通過介質(zhì)膜的厚度調(diào)節(jié)，或者設(shè)計不同本振功率需求的混頻器與之匹配。
[0019]4)利用波束分離器實(shí)現(xiàn)本振功率分配的同時，實(shí)現(xiàn)了本振功率與待測信號的耦入口 ο

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0022]圖1所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]其中的附圖標(biāo)記為:本振參考信號源1、波束分離器2、混頻器3、負(fù)載吸收裝置4、拋物鏡5。
[0024]第一實(shí)施例:
如圖1所示，
太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，包括有本振參考信號源1，呈陣列布設(shè)的波束分離器2、與波束分離器2數(shù)量相應(yīng)的混頻器3以及負(fù)載吸收裝置4，波束分離器2上裝配有具有一定反射率和透射率的介質(zhì)膜，介質(zhì)膜與輸出波束呈45°夾角，輸出波束依次透射各個波束分離器2上的介質(zhì)膜，每個介質(zhì)膜均反射部分輸出波束與待測信號耦合后射至與之相應(yīng)的混頻器3中，本振參考信號功率分配裝置通過調(diào)整混頻器3的最佳功率需求，使混頻器3接收到的本振參考信號功率與該混頻器3的最佳功率需求相匹配。
[0025]其中利用波束分離器2實(shí)現(xiàn)太赫茲外差線性陣列接收機(jī)本振功率分配的步驟如下:
I)在本振參考信號源I的輸出端放置拋物鏡5，實(shí)現(xiàn)輸出波束的準(zhǔn)直，使其波束尺寸隨著距離的傳播保持不變。
[0026]2)利用低損耗高強(qiáng)度介質(zhì)膜制備波束分離器2，即將介質(zhì)膜緊繃到金屬邊框上，將其放置于與入射波束成45°的位置實(shí)現(xiàn)待測信號的透射和本振參考信號的反射。考慮到太赫茲波束的尺寸約為10mm，波束分離器2直徑為30mm，其厚度為6 μ m，在1.5THz的透過率為96.5%ο
[0027]3)利用第一個波束分離器2至第四個波束分離器2的反射特性將本振參考信號逐級分配到第一個混頻器3至第四個混頻器3。
[0028]4)隨著本振參考信號功率的逐級分配及波束分離器2的吸收損耗，本振參考信號功率會逐漸減小。第二到第四個混頻器3接收到的功率分別相當(dāng)于第一個混頻器3接收功率的96.5%, 93%和89.9%。為此將第二到第四個超導(dǎo)熱電子混頻器3的微橋體積相應(yīng)逐漸減小，即保持其厚度和寬度不變，第二到第四個混頻器3的微橋長度分別相當(dāng)于第一個混頻器3長度的96.5%, 93%和89.9%，使其需求的最佳本振功率相應(yīng)減小，依然保持在最佳狀態(tài)工作。
[0029]5)本振參考信號透射過最后一個波束分離器2后，放置于后面的吸收負(fù)載將其全部吸收，防止來回反射形成駐波。
[0030]6)波束分離器2在分配本振參考信號功率的同時，將待測信號與本振參考信號耦合一起傳輸至混頻器3。
[0031]第二實(shí)施例:
太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，包括有本振參考信號源1，呈陣列布設(shè)的波束分離器2、與波束分離器2數(shù)量相應(yīng)的混頻器3以及負(fù)載吸收裝置4，波束分離器2上裝配有具有一定反射率和透射率的介質(zhì)膜，介質(zhì)膜與輸出波束呈45°夾角，輸出波束依次透射各個波束分離器2上的介質(zhì)膜，每個介質(zhì)膜均反射部分輸出波束與待測信號耦合后射至與之相應(yīng)的混頻器3中，本振參考信號功率分配裝置通過調(diào)整不同位置的波束分離器2上的介質(zhì)膜厚度改變介質(zhì)膜反射率和透射率，使混頻器3接收到的本振參考信號功率與該混頻器3的最佳功率需求相匹配。
[0032]利用波束分離器2實(shí)現(xiàn)太赫茲外差線性陣列接收機(jī)本振功率分配的步驟如下: 步驟I)至3)與第一實(shí)施例相同。
[0033]4)為了防止隨著本振信號逐級分配而減小，將第二到第四個波束分離器2的厚度逐漸增加為6.1 μ m，6.3 μ m和6.5 μ m，透過率相應(yīng)降低為96.4%, 96.2%和96%，從而保證每個混頻器3接收到的本振參考信號功率相同。
[0034]步驟5)至6)與第一實(shí)施例相同。
[0035]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，包括有本振參考信號源(1)，其特征是:還包括呈陣列布設(shè)的波束分離器(2)、與波束分離器(2)數(shù)量相應(yīng)的混頻器(3)以及負(fù)載吸收裝置(4)，所述的波束分離器(2)上裝配有具有一定反射率和透射率的介質(zhì)膜，所述的介質(zhì)膜與輸出波束呈45°夾角，所述的輸出波束依次透射各個波束分離器(2)上的介質(zhì)膜，每個所述的介質(zhì)膜均反射部分輸出波束與待測信號耦合后射至與之相應(yīng)的混頻器(3)中，本振參考信號功率分配裝置通過調(diào)整不同位置的波束分離器(2)上的介質(zhì)膜厚度改變介質(zhì)膜反射率和透射率或調(diào)整混頻器(3)的最佳功率需求，使混頻器(3)接收到的本振參考信號功率與該混頻器(3)的最佳功率需求相匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，其特征是:所述的介質(zhì)膜為低損耗高強(qiáng)度介質(zhì)膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，其特征是:所述的介質(zhì)膜為邁拉膜片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，其特征是:所述的本振參考信號源(I)的輸出端放置有拋物鏡(5)，所述的拋物鏡(5)對輸出波束進(jìn)行準(zhǔn)直。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，其特征是:本振參考信號功率分配裝置通過調(diào)整每一個波束分離器(2)的介質(zhì)膜厚度，使每個介質(zhì)膜反射的輸出波束功率相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，其特征是:本振參考信號功率分配裝置通過調(diào)整混頻器(3)的微橋體積改變混頻器(3)的最佳功率需求。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，其特征是:將所述的介質(zhì)膜緊繃到金屬邊框上形成所述的波束分離器(2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置，其特征是:透射過介質(zhì)膜的待測信號與經(jīng)介質(zhì)膜反射的本振參考信號進(jìn)行耦合，共同射入混頻器⑶。
9.一種如權(quán)利要求1所述的太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配裝置分配本振參考信號功率的方法，其特征是:包括以下步驟:本振參考信號源(I)射出的輸出波束射向第一個波束分離器(2)，輸出波束經(jīng)呈45°夾角設(shè)置的第一個波束分離器(2)的介質(zhì)膜反射一部分功率給第一個混頻器(3)，其余輸出波束透過介質(zhì)膜射向第二個波束分離器(2)，輸出波束經(jīng)第二個波束分離器(2)的介質(zhì)膜反射一部分功率給第二個混頻器(3)，依次類推直到最后一個波束分離器(2)的介質(zhì)膜反射一部分功率給最后一個混頻器(3)，透射過最后一個波束分離器(2)的輸出波束由負(fù)載吸收裝置(4)吸收，使后級波束分離器(2)的介質(zhì)膜厚度逐級大于前級波束分離器(2)的介質(zhì)膜厚度，每級波束分離器(2)反射的輸出波束功率均勻，或者使后級混頻器(3)的微橋體積逐級小于前級混頻器(3)的微橋體積，隨著射入混頻器(3)的波束功率的減小而降低最佳功率需求。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太赫茲外差陣列接收機(jī)本振參考信號功率分配方法，其特征是:所述的本振參考信號源(I)射出的輸出波束先經(jīng)過拋物鏡(5)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直后，再射入第一個波束分離器(2)。
【文檔編號】G01N21/3581GK104266992SQ201410538159
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】史生才, 張文, 繆巍, 林鎮(zhèn)輝 申請人:中國科學(xué)院紫金山天文臺