CN104266992B - 太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置及其分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，在实现太赫兹外差阵列接收机本振功率分配的同时，同时实现与待测信号的耦合。本发明波束分离器上装配有具有一定反射率和透射率的介质膜，介质膜与输出波束呈45°夹角，输出波束依次透射各个波束分离器上的介质膜，每个介质膜均反射部分输出波束与待测信号耦合后射至与之相应的混频器中，本振参考信号功率分配装置通过调整不同位置的波束分离器上的介质膜厚度改变介质膜反射率和透射率或调整混频器的最佳功率需求，使混频器接收到的本振参考信号功率与该混频器的最佳功率需求相匹配。本发明具有结构简单、性能可靠，易于在空间和极端环境下应用的优点。

Description

太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置及其分配方法

技术领域

本发明涉及太赫兹测量的技术领域，尤其涉及一种外差接收机本振参考信号功率分配技术，具体的说，是一种太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置及其分配方法。

背景技术

自从上世纪70年代CO分子谱线发现以来，太赫兹技术在星系、恒星形成和星际介质研究中起着重要的作用。分子云覆盖较大的天区面积，范围从几十平方角分到上百平方度。分子云的主要成分为分子气体，在所处的温度和密度下辐射的分子谱线恰好落于太赫兹波段。通过对太赫兹分子谱线的高角分辨率巡天观测，可以研究分子云的组成以及相应的演化进程。单像元外差接收机扫描如此大面积的天区，需要耗时很长时间，甚至无法完成，而外差阵列接收机的扫描速度与其像元素成正比，因此高灵敏度外差阵列接收机是研究大天区分子云的理想工具。

构建外差阵列接收机的一大关键挑战就是本振功率的分配。外差接收机是利用高灵敏度混频器的强非线性特性，将待观测的信号与本振参考信号进行混频，产生的差频（即中频)信号保留了待观测信号的幅度和相位信息，利用现有的电子学技术对其进行放大、滤波、检波等后续处理。对于单像元外差接收机，可以通过波导定向耦合器或者准光学方法实现待观测信号与本振参考信号的组合，但是外差阵列接收机具有很多个像元，实现本振参考信号的高效均匀分配具有较大的挑战。欧美国家前期建立了多套毫米波和亚毫米波段的外差阵列接收机。如基于肖特基混频器的15像元阵列接收机QUARRY，其本振参考信号的分配通过波导定向耦合器（cross-guide waveguide coupler)逐级分配到每个混频器。德国开发的基于超导隧道结混频器的16像元阵列接收机CHAMP，其本振功率分配通过傅立叶珊网(transmissive Fourier grating)将一个本振波束变换为12个波束， 然后由Martin-Puplett干涉仪实现与待测信号的耦合。最近，中国紫金山天文台研制的毫米波超导频谱阵列接收机，利用波导功分器首先将本振信号分为三路，再将每一路分为三路实现九像元本振功率分配。这些本振功率分配方案对于低频率的阵列接收机比较适合（毫米波段阵列接收机)，对于太赫兹波段阵列接收机，波导定向耦合器的尺寸与波长成正比，仅为几十微米，加工极其困难，既耗时成本也高。傅立叶珊网的加工同样要求微米极的精度，其工作带宽有限，而且多个波束之间不再平行，需要额外的光学部件，增加了结构复杂性。随着太赫兹信号源技术的发展，其输出功率越来越大，在1 THz达到100微瓦量级。如果采用量子级联激光器，在2-5 THz频段甚至达到毫瓦级。同时高灵敏度超导混频器（如超导热电子混频器)需求的本振功率为100 nW量级。这二者的发展大大降低了外差阵列接收机本振功率分配的效率要求。另外，由于受到地球大气对太赫兹辐射强吸收的影响，太赫兹外差阵列接收机通常应用于一些特殊环境（如空间应用和南极极端环境)，本振功率分配方案的简单和可靠性更加重要。因此发现简单可靠的本振功率分配技术对于实现太赫兹外差阵列接收机具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，而提供一种简单可靠的本振参考信号分配装置及其分配方法，通过多个波束分离器组合实现本振参考信号的分配。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，包括有本振参考信号源，其中：还包括呈阵列布设的波束分离器、与波束分离器数量相应的混频器以及负载吸收装置，波束分离器上装配有具有一定反射率和透射率的介质膜，介质膜与输出波束呈45°夹角，输出波束依次透射各个波束分离器上的介质膜，每个介质膜均反射部分输出波束与待测信号耦合后射至与之相应的混频器中，本振参考信号功率分配装置通过调整不同位置的波束分离器上的介质膜厚度改变介质膜反射率和透射率或调整混频器的最佳功率需求，使混频器接收到的本振参考信号功率与该混频器的最佳功率需求相匹配。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

上述的介质膜为低损耗高强度介质膜。

上述的介质膜为迈拉膜片。

上述的本振参考信号源的输出端放置有抛物镜，抛物镜对输出波束进行准直。

上述的本振参考信号功率分配装置通过调整每一个波束分离器的介质膜厚度，使每个介质膜反射的输出波束功率相等。

上述的本振参考信号功率分配装置通过调整混频器的微桥体积改变混频器的最佳功率需求。

上述的将介质膜紧绷到金属边框上形成波束分离器。

上述的透射过介质膜的待测信号与经介质膜反射的本振参考信号进行耦合，共同射入混频器。

一种太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置分配本振参考信号功率的方法，包括以下步骤：本振参考信号源射出的输出波束射向第一个波束分离器，输出波束经呈45°夹角设置的第一个波束分离器的介质膜反射一部分功率给第一个混频器，其余输出波束透过介质膜射向第二个波束分离器，输出波束经第二个波束分离器的介质膜反射一部分功率给第二个混频器，依次类推直到最后一个波束分离器的介质膜反射一部分功率给最后一个混频器，透射过最后一个波束分离器的输出波束由负载吸收装置吸收，使后级波束分离器的介质膜厚度逐级大于前级波束分离器的介质膜厚度，每级波束分离器反射的输出波束功率均匀，或者使后级混频器的微桥体积逐级小于前级混频器的微桥体积，随着射入混频器的波束功率的减小而降低最佳功率需求(本发明所指的前级波束分离器和前级混频器是靠近输出波束源的波束分离器及与之对应的混频器，后级波束分离器和后级混频器是相对远离输出波束源的波束分离器及与之对应的混频器)。

本振参考信号源射出的输出波束先经过抛物镜实现准直后，再射入第一个波束分离器。

与现有技术相比，本发明的利用抛物镜将本振参考信号准直，使其波束随着传播距离保持不变，多个波束分离器将本振参考信号分配至相应太赫兹混频器，同时实现与待测信号的耦合。波束分离器可以利用较薄的低损耗高强度介质膜（如迈拉膜片)制作，将其放置于与波束成45°的位置。这样入射的待测信号通过透射至太赫兹混频器，而本振参考信号通过反射至太赫兹混频器。随着本振参考信号的逐渐分配，后续混频器接收到的本振功率会逐渐减小。可以通过适当增加介质膜厚度调节，或者制备不同本振功率需求的高灵敏度混频器解决。对于较大的本振参考信号功率输出，选取较薄的介质膜制作波束分离器，可以提高太赫兹信号的透过率，降低对系统性能的影响。

利用波束分离器实现太赫兹外差阵列接收机的本振参考信号分配的优点在于：

1)波束分离器通过低损耗高强度介质膜（如Mylar)制备，结构简单，性能可靠，并且容易制备，成本低。

2)波束分离器的反射率和透射率可以通过介质膜的厚度调节,便于在本振参考信号功率与系统性能之间寻求平衡。

3)各路的本振参考信号功率可以通过介质膜的厚度调节，或者设计不同本振功率需求的混频器与之匹配。

4)利用波束分离器实现本振功率分配的同时，实现了本振功率与待测信号的耦合。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1所示为本发明的结构示意图。

其中的附图标记为：本振参考信号源1、波束分离器2、混频器3、负载吸收装置4、抛物镜5。

第一实施例：

如图1所示，

太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，包括有本振参考信号源1，呈阵列布设的波束分离器2、与波束分离器2数量相应的混频器3以及负载吸收装置4，波束分离器2上装配有具有一定反射率和透射率的介质膜，介质膜与输出波束呈45°夹角，输出波束依次透射各个波束分离器2上的介质膜，每个介质膜均反射部分输出波束与待测信号耦合后射至与之相应的混频器3中，本振参考信号功率分配装置通过调整混频器3的最佳功率需求，使混频器3接收到的本振参考信号功率与该混频器3的最佳功率需求相匹配。

其中利用波束分离器2实现太赫兹外差线性阵列接收机本振功率分配的步骤如下：

1)在本振参考信号源1的输出端放置抛物镜5，实现输出波束的准直，使其波束尺寸随着距离的传播保持不变。

2)利用低损耗高强度介质膜制备波束分离器2，即将介质膜紧绷到金属边框上，将其放置于与入射波束成45°的位置实现待测信号的透射和本振参考信号的反射。考虑到太赫兹波束的尺寸约为10mm，波束分离器2直径为30mm，其厚度为6μm，在1.5THz的透过率为96.5%。

3)利用第一个波束分离器至第四个波束分离器的反射特性将本振参考信号逐级分配到第一个混频器至第四个混频器。

4)随着本振参考信号功率的逐级分配及波束分离器2的吸收损耗，本振参考信号功率会逐渐减小。第二到第四个混频器接收到的功率分别相当于第一个混频器接收功率的96.5%,93%和89.9%。为此将第二到第四个超导热电子混频器3的微桥体积相应逐渐减小，即保持其厚度和宽度不变，第二到第四个混频器的微桥长度分别相当于第一个混频器长度的96.5%,93%和89.9%，使其需求的最佳本振功率相应减小，依然保持在最佳状态工作。

5)本振参考信号透射过最后一个波束分离器后，放置于后面的吸收负载将其全部吸收，防止来回反射形成驻波。

6)波束分离器2在分配本振参考信号功率的同时，将待测信号与本振参考信号耦合一起传输至混频器3。

第二实施例：

太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，包括有本振参考信号源1，呈阵列布设的波束分离器2、与波束分离器2数量相应的混频器3以及负载吸收装置4，波束分离器2上装配有具有一定反射率和透射率的介质膜，介质膜与输出波束呈45°夹角，输出波束依次透射各个波束分离器2上的介质膜，每个介质膜均反射部分输出波束与待测信号耦合后射至与之相应的混频器3中，本振参考信号功率分配装置通过调整不同位置的波束分离器2上的介质膜厚度改变介质膜反射率和透射率，使混频器3接收到的本振参考信号功率与该混频器3的最佳功率需求相匹配。

利用波束分离器2实现太赫兹外差线性阵列接收机本振功率分配的步骤如下：

步骤1)至3)与第一实施例相同。

4)为了防止随着本振信号逐级分配而减小，将第二到第四个波束分离器的厚度逐渐增加为6.1μm,6.3μm和6.5μm，透过率相应降低为96.4%,96.2%和96%，从而保证每个混频器接收到的本振参考信号功率相同。

步骤5)至6)与第一实施例相同。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，包括有本振参考信号源(1)，其特征是：还包括呈阵列布设的波束分离器(2)、与波束分离器(2)数量相应的混频器(3)以及负载吸收装置(4)，所述的波束分离器(2)上装配有具有一定反射率和透射率的介质膜，所述的介质膜与输出波束呈45°夹角，所述的输出波束依次透射各个波束分离器(2)上的介质膜，每个所述的介质膜均反射部分输出波束与待测信号耦合后射至与之相应的混频器(3)中，本振参考信号功率分配装置通过调整不同位置的波束分离器(2)上的介质膜厚度改变介质膜反射率和透射率或调整混频器(3)的最佳功率需求，使混频器(3)接收到的本振参考信号功率与该混频器(3)的最佳功率需求相匹配。

2.根据权利要求1所述的太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，其特征是：所述的介质膜为低损耗高强度介质膜。

3.根据权利要求2所述的太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，其特征是：所述的介质膜为迈拉膜片。

4.根据权利要求1所述的太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，其特征是：所述的本振参考信号源(1)的输出端放置有抛物镜(5)，所述的抛物镜(5)对输出波束进行准直。

5.根据权利要求4所述的太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，其特征是：本振参考信号功率分配装置通过调整每一个波束分离器(2)的介质膜厚度，使每个介质膜反射的输出波束功率相等。

6.根据权利要求4所述的太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，其特征是：本振参考信号功率分配装置通过调整混频器(3)的微桥体积改变混频器(3)的最佳功率需求。

7.根据权利要求3所述的太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，其特征是：将所述的介质膜紧绷到金属边框上形成所述的波束分离器(2)。

8.根据权利要求1所述的太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，其特征是：透射过介质膜的待测信号与经介质膜反射的本振参考信号进行耦合，共同射入混频器(3)。

9.一种如权利要求1所述的太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置分配本振参考信号功率的方法，其特征是：包括以下步骤：本振参考信号源(1)射出的输出波束射向第一个波束分离器，输出波束经呈45°夹角设置的第一个波束分离器的介质膜反射一部分功率给第一个混频器，其余输出波束透过介质膜射向第二个波束分离器，输出波束经第二个波束分离器的介质膜反射一部分功率给第二个混频器，依次类推直到最后一个波束分离器的介质膜反射一部分功率给最后一个混频器，透射过最后一个波束分离器的输出波束由负载吸收装置(4)吸收，使后级波束分离器的介质膜厚度逐级大于前级波束分离器的介质膜厚度，每级波束分离器反射的输出波束功率均匀，或者使后级混频器的微桥体积逐级小于前级混频器的微桥体积，随着射入混频器的波束功率的减小而降低最佳功率需求。

10.根据权利要求9所述的太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置分配本振参考信号功率的方法，其特征是：所述的本振参考信号源(1)射出的输出波束先经过抛物镜(5)实现准直后，再射入第一个波束分离器(2)。