CN105823557B - 太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置，包含并联电阻R3，用于实现所有混频器的统一偏置；采样电阻R4，与混频器串联，实现混频器电流的监视；Bias‑T，实现混频器的直流偏置和中频信号的耦合，同时通过其中的电感实现多个混频器的中频隔离；T型滤波电路，用于混频器的静电保护和抗干扰。本发明将总的引线数目从6N降低到2N+2，降低系统的复杂性，降低对制冷机制冷功率的需求。

Description

太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置

技术领域

本发明涉及一种偏置复用装置，特别是一种太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置。

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频段。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，需要耗费很长的时间，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。

构建太赫兹外差阵列接收机的一大关键挑战就是多个混频器的偏置复用技术。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6根引线（2根引线提供直流偏置，2根引线监视电压，2根引线监视电流）实现混频器的直流偏置和电流/电压信号的监测，但是太赫兹外差阵列接收机具有多个像元，如果采取独立偏置和监测方案，所需的引线数目将随着像元数线性增加。当像元数达到100，引线数目高达600，这将极大的增加系统的复杂性。同时引线也会带来较大的传热，从而对制冷机的制冷功率提出很高的要求。另一方面，针对每个混频器工作电压/电流的独立调节将会非常耗时，要求发展一套基于偏置复用技术的数字调节方案。随着太赫兹混频器技术的发展，混频器在灵敏度提高的同时一致性也大大提高。另外，大量实验研究发现混频器的高频特性在一定的工作区域与偏置电压和电流弱相关。这两方面的研究成果为采用偏置复用技术提供了可能，因此发展一种简单可靠的偏置复用技术对于实现太赫兹外差阵列接收机具有重要科学和现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简单可靠的太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置，其特征在于：包含并联电阻R3，用于实现所有混频器的统一偏置；采样电阻R4，与混频器串联，实现混频器电流的监视；Bias-T，实现混频器的直流偏置和中频信号的耦合，同时通过其中的电感实现多个混频器的中频隔离；T型滤波电路，用于混频器的静电保护和抗干扰。

进一步地，所述并联电阻R3阻值远小于混频器电阻（约为100欧姆），实现所有混频器的恒压偏置。

进一步地，所述采样电阻R4阻值远小于混频器电阻（即小于混频器电阻的十分之一)。

进一步地，所述Bias-T由电容C3和电感L组成，通过电容C3耦合混频产生的中频信号，通过电感L实现混频器的直流偏置，并实现混频器之间的中频隔离。

进一步地，所述T型滤波电路为若干组，一组T型滤波电路与并联电阻R3连接，采样电阻R4两端分别与两组T型滤波电路连接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：与现有中小规模外差阵列接收机中的独立偏置技术相比，本发明将总的引线数目从6N降低到2N+2（N为外差阵列接收机中的混频器数目）。随着阵列接收机的数目增加，将极大地降低系统的复杂性，同时减小导热，因此降低对制冷机制冷功率的需求。另一方面，通过偏置复用技术，每个太赫兹混频器的偏置电压相同，可以实现所有混频器偏置电压的统一调节，将会大大降低外差阵列接收机中混频器的优化过程。

附图说明

图1是本发明的太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图所示，本发明的太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置包含并联电阻R3、若干采样电阻R4、若干Bias-T和T型滤波电路，采样电阻R4一端与Bias-T连接，Bias-T与混频器Mixer4一端连接，混频器Mixer4另一端接地，采样电阻R4的两端分别与一组T型滤波电路连接，采样电阻R4另一端与并联电阻R3一端连接，并联电阻R3另一端接地，并联电阻R3一端与一组T型滤波电路连接。与并联电阻R3连接的那组T型滤波电路包含两个电阻R1和一个电容C1，两个电阻R1一端与电容C1一端连接，电容C1另一端接地，其中一个电阻R1的另一端与并联电阻R3一端连接；与采样电阻R4连接的两组T型滤波电路包含两个电阻R2和一个电容C2，两个电阻R2一端与电容C2一端连接，电容C2另一端接地，其中一个电阻R2另一端与采样电阻R3的一端连接。

太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置包含并联电阻R3，用于实现所有混频器的统一偏置；采样电阻R4，与混频器串联，实现混频器电流的监视；Bias-T，实现混频器的直流偏置和中频信号的耦合，同时通过其中的电感实现多个混频器的中频隔离；T型滤波电路，用于混频器的静电保护和抗干扰。并联电阻R3阻值远小于混频器电阻，实现所有混频器的恒压偏置。采样电阻R4阻值远小于混频器电阻。Bias-T由电容C3和电感L组成，通过电容C3耦合混频产生的中频信号，通过电感L实现混频器的直流偏置，并实现混频器之间的中频隔离。T型滤波电路为若干组，一组T型滤波电路与并联电阻R3连接，采样电阻R4两端分别与两组T型滤波电路连接。

具体地，在本发明中，并联电阻R3的阻值约为10欧姆，远远小于混频器电阻，从而实现所有混频器的恒压偏置。采样电阻R4的阻值约为5欧姆，远远小于混频器电阻，因此采样电阻的分压可以忽略不计，并联支路上的电压等于混频器的电压。T型滤波器由电阻R1或者R2和电容C1或者C2组成。其中电流输入端的电阻R1约为100欧姆，其上产生的功耗小于10微瓦，不会影响超导混频器的正常工作。而监视端的电阻R2约为1K欧姆，更好的提供静电保护。T型滤波器的截止频率小于10KHz，使得混频器免受外部干扰的影响。Bias-T由电感L和电容C3组成，电容C3耦合混频器产生的中频信号，同时隔离直流对中频的影响。电感L提供直流偏置的同时阻止中频信号对直流偏置电路的影响。混频器为超导隧道结混频器或者超导热电子混频器，其正常态电阻约为100欧姆。每一个支路由采样电阻R4和混频器串联组成，所有的支路并联从而实现偏置复用。

独立偏置方案通常采用6线法提供直流偏置和电压/电流监视，相比于独立偏置方案，本发明应用于太赫兹外差阵列接收机中的偏置复用技术方案具有如下技术进步性：

１）所有混频器支路并联，从而达到偏置复用的目的，引线数目从独立偏置的6N降低为2N+2（N为外差阵列接收机的混频器数目）。

２）并联电阻阻值远小于混频器电阻，通过并联电阻实现所有混频器的统一恒压偏置，避免了逐个混频器工作点的调节。

３）采样电阻阻值远小于混频器电阻，通过监视采样电阻（R4）上的电压实现混频器电流的监视。

４）Bias-T由电容和电感组成，通过电容耦合产生的中频信号，通过电感实现混频器的直流偏置，并实现混频器之间的中频隔离。

5）T型滤波器由电容和电阻组成，截至频率小于10KHz。输入端的滤波器电阻约为100欧姆，降低热效应对超导混频器的影响。输出端的电阻约为1K欧姆，有效保护混频器免受静电破坏。

整体上，本发明实现了一种应用于太赫兹外差阵列接收机的偏置复用技术，可应用于超导隧道结混频器或超导热电子混频器组成的外差阵列接收机，实现多个混频器的偏置复用，降低引线数目，实现统一调节偏置电压。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置，其特征在于：包含并联电阻R3，用于实现所有混频器的统一偏置；采样电阻R4，与混频器串联，实现混频器电流的监视；Bias-T，实现混频器的直流偏置和中频信号的耦合，同时通过其中的电感实现多个混频器的中频隔离；T型滤波电路，用于混频器的静电保护和抗干扰；并联电阻R3与若干混频器支路并联，每一混频器支路构成如下，采样电阻R4一端与Bias-T一端连接，Bias-T另一端与混频器Mixer4一端连接，混频器Mixer4另一端接地，采样电阻R4的两端分别与一组T型滤波电路连接；每一混频器支路的采样电阻R4另一端与并联电阻R3一端连接，并联电阻R3另一端接地，并联电阻R3一端与另一组T型滤波电路连接。

2.按照权利要求1所述的太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置，其特征在于：所述并联电阻R3阻值远小于混频器电阻，实现所有混频器的恒压偏置。

3.按照权利要求1所述的太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置，其特征在于：所述采样电阻R4阻值远小于混频器电阻。

4.按照权利要求1所述的太赫兹外差阵列接收机偏置复用装置，其特征在于：所述Bias-T由电容C3和电感L组成，通过电容C3耦合混频产生的中频信号，通过电感L实现混频器的直流偏置，并实现混频器之间的中频隔离。