CN109039353A - 一种超导外差集成接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导外差集成接收机，以BSCCO‑THz源作为本振，以超导约瑟夫森隧道结为混频器，本振参考信号波束与待测信号波束经汇聚后分别辐照至混频器，经信号放大后输入频谱仪进行信号频谱分析；其中，BSCCO‑THz源与混频器分别工作在各自的真空低温环境。该超导外差集成接收机高度模块化，混频器及其附属电路、中频放大器以及BSCCO‑THz源及其附属电路均有效的集成起来，如遇到问题可及时进行更换与修理检查。BSCCO‑THz源与混频器分别置于不同的低温真空环境中可以分别保证二者工作在各自合适的工作温度中。在根据频率需求调整BSCCO‑THz源的工作温度时，可以避免对混频器所处状态受到影响，使得整个系统的温度控制更加方便，同时避免电学干扰，减少系统工作时的噪声。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导外差集成接收机，特别适用于太赫兹低频段(300～700GHz)的BSCCO-THz源作为本振参考源的超导外差集成接收机。
背景技术
太赫兹(terahertz，通常简称THz)波，通常是指频率在0.1THz至30THz太赫兹(THz)频段介于微波和远红外频段之间(0.1～10THz之间)的电磁波，太赫兹波难以用传统的电子学和光学方法产生和探测，因此，太赫兹波段被认为是电磁波谱最后的空白，称为太赫兹空隙。随着太赫兹技术的不断发展，太赫兹技术已经应用于射电天文、地球大气观测、太赫兹通信、短程高灵敏度雷达系统、医学和生物学成像、地球环境监控以及高速无线网络等领域。
BSCCO-THz(Bi2Sr2CaCu2O8)源是一种基于约瑟夫森效应的高温超导固态太赫兹源，它具有易用、连续、可调谐、单色性好、功率高等优点。在400GHz～1THz，这一依靠半导体耿氏二极管或者依靠激光脉冲都难以实现连续稳定的信号产生的频段，超导器件与之相比具有很大的优势。Mesa结构的BSCCO-THz源在这一频段可以实现连续可调并且具有较大功率的射频信号输出，可以很好的充当混频器的本振参考信号。
由超导-绝缘体-超导结构构成的隧道结(SIS mixer)基本上是目前为止在100～1000GHz频段可用于超外差接收机的最灵敏的探测器。此前SIS混频器已经被成功应用于对宇宙辐射的天文观测当中。在理想条件下，SIS混频器的噪声温度只与量子常数hf/2k有关。它的工作原理是借助电子对于绝缘势垒层的光子辅助隧穿效应。当光子能量大于SIS结的准粒子隧道势垒高度时，对于一个光子能量的吸收就可以使一个电子穿越势垒层。由于势垒层厚度的限制，这种隧道结混频器主要工作在太赫兹低频段
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种在太赫兹低频段(300～700GHz)实现高灵敏度精确检测并可进行实际应用的以BSCCO-THz源作为本振的超导外差集成接收机。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种超导外差集成接收机，以BSCCO-THz源作为本振，以超导约瑟夫森隧道结为混频器，本振参考信号波束与待测信号波束经汇聚后分别辐照至混频器，经信号放大后输入频谱仪进行信号频谱分析；其中，BSCCO-THz源与混频器分别工作在各自的真空低温环境。
所述的超导外差集成接收机，混频器所处真空低温环境为4K，由GM制冷机构建；BSCCO-THz源所处低温真空环境为45K～55K，由斯特林制冷机构建。
所述的BSCCO-THz源，提供给混频器工作所需的本振参考信号，通过直流滤波电路后与制冷机外的直流偏置电路相连接，其输出信号通过控制直流偏置与样品温度来进行频率调节。
所述的混频器，用于对被探测信号进行变频操作，所属本振参考信号波束与待测信号波束经凸透镜汇聚后分别辐照至混频器的天线的接收端，混频器经两级直流滤波电路后与制冷机外部直流偏置电路链接；第一中频放大器的输入端和混频器的输出端电连接，用于放大混频器输出的中频信号；第二中频放大器的输入端和第一中频放大器的输出端电连接，用于放大第一中频放大器输出的中频信号；所述凸透镜、混频器、第一直流滤波电路放置在同一磁屏蔽罩中，磁屏蔽罩、第一中频放大器、第二直流滤波电路放置在同一低温真空环境中。
所述的频谱仪的输入端和第二中频放大器的输出端电连接，用于信号频谱分析。
所述的混频器为由Nb-AlOx-Nb三层膜结构所构成的超导约瑟夫森隧道结。
所述的BSCCO-THz源为mesa结构，由上千个约瑟夫森结串联，所产生的本振信号频率在300Ghz～700Ghz之间，并可以通过改变温度与直流偏置进行调节。
有益效果：与现有技术相比，本发明的以BSCCO-THz源作为本振的超导外差集成接收机，系统高度模块化，混频器及其附属电路、中频放大器以及BSCCO-THz源及其附属电路均有效的集成起来，如遇到问题可及时进行更换与修理检查。BSCCO-THz源与混频器分别置于不同的低温真空环境中可以分别保证二者工作在各自合适的工作温度中。在根据频率需求调整BSCCO-THz源的工作温度时，可以避免对混频器所处状态受到影响，使得整个系统的温度控制更加方便，同时避免电学干扰，减少系统工作时的噪声。
附图说明
图1是太赫兹超导外差接收机构造示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。
如图1所示，本发明的以BSCCO-THz源作为本振的超导外差集成接收机，主要结构包括混频器、频谱仪、BSCCO-THz源以及对应的中频器和偏置电路等，其中，
BSCCO-THz源，使用mesa结构的太赫兹源，可以提供大功率的输出信号。BSCCO-THz源的产生的本振参考信号经斯特林制冷机的微波辐照窗口辐照出来。通过制冷机外接的直流线连接到外部的BSCCO-THz源直流偏置电路来控制BSCCO-THz源的第三直流滤波电路的直流偏置，驱动其工作并控制其输出频率。
混频器，为由Nb-AlOx-Nb三层膜结构构成的超导约瑟夫森隧道结，用于对被探测信号进行变频操作。BSCCO-THz源产生的本振参考信号由斯特林制冷机微波辐照窗口射出后，经外部光路与待测信号共同入射到GM制冷机中，经凸透镜汇聚到混频器的接收天线处。混频器对太赫兹待测信号进行变频操作，输出中频信号。混频器经两级直流滤波电路(第一直流滤波电路、第二直流滤波电路)后连接到制冷机外部的混频器直流偏置电路，混频器直流偏置电路通过控制直流偏置与外加磁场让混频器正常工作。第一中频放大器的输入端和混频器的输出端电连接，用于放大混频器输出的中频信号，第二中频放大器的输入端和第一中频放大器的输出端电连接，用于放大第一中频放大器输出的中频信号，频谱仪的输入端和第二中频放大器的输出端电连接，用于信号频谱分析。第一中频放大器的与第一中频放大器偏置电路相连，第二中频放大器与第二中频放大器偏置电路相连。
本发明中，混频器的工作温度为4K的低温环境，采用GM制冷机的氦闭循环，故系统所能降到的最低温度为4.2K或略低于4.2K，由于Nb膜的临界温度为9K左右，故混频器可在此温度条件下正常工作。而BSCCO-THz源的正常工作温度为45～55K左右，若将二者同时置于GM制冷机内时，BSCCO-THz源在制冷机内部将会是一个很大的热源，对于制冷机内部温度的控制会产生很大影响，如何将BSCCO-THz源与制冷机冷盘相隔离使得二者的温度相对独立变化会是一个很大的困难，BSCCO-THz源与混频器的直流偏置电路控制线均由外界引入，可能会发生串扰，增大系统的噪声。考虑到以上因素，故将混频器与BSCCO-THz源分置于不同的低温环境中以方便进行分别偏置与调控。同时也方便进行不同本振源的更换。因此，在结构上，混频器、凸透镜、第一中频放大器与两级直流滤波电路均集成在GM制冷机构建的温度为4K的低温真空环境中。BSCCO-THz源与第三直流滤波电路集成在斯特林制冷机构建的温度为45～55K的低温真空环境中。第二中频放大器、频谱仪、混频器直流偏置电路以及BSCCO-THz源直流偏置电路均设置在常温环境。
本发明的在太赫兹超导外差集成接收机正常工作时，太赫兹被探测信号与BSCCO-THz源输出的本振参考信号波束经太赫兹透射窗口入射到GM制冷机内后经凸透镜汇聚于混频器接收天线；在混频器的输出端输出经混频后得到的中频信号，中频信号先后通过置于低温真空环境的第一中频放大器和置于常湿环境的第二中频放大器放大后，最后输出入到频谱仪分析处理。
在该集成接收机中，混频器相关电路包含直流偏置电路与中频信号输出电路均被集成在同一个4K GM制冷机中。本发明通过一个简单的凸透镜将入射进来的本振参考信号与待测信号分别汇聚在混频器的接收天线位置。在使用过程中，GM制冷机内部所有元件都可以通过连接到外部的偏置电路设定工作状态而无须进行任何变动。由于本振源在外部，所以可以根据使用需求的不同而随时进行更换和调整，易于进行实际应用。
Claims (7)
1.一种超导外差集成接收机，其特征在于，以BSCCO-THz源作为本振，以超导约瑟夫森隧道结为混频器，本振参考信号波束与待测信号波束经汇聚后分别辐照至混频器，经信号放大后输入频谱仪进行信号频谱分析；其中，
BSCCO-THz源与混频器分别工作在各自的真空低温环境。
2.根据权利要求1所述的超导外差集成接收机，其特征在于，混频器所处真空低温环境为4K，由GM制冷机构建；BSCCO-THz源所处低温真空环境为45K～55K，由斯特林制冷机构建。
3.根据权利要求1所述的超导外差集成接收机，其特征在于，所述的BSCCO-THz源，提供给混频器工作所需的本振参考信号，通过直流滤波电路后与制冷机外的直流偏置电路相连接，其输出信号通过控制直流偏置与样品温度来进行频率调节。
4.根据权利要求1所述的超导外差集成接收机，其特征在于，所述的混频器，用于对被探测信号进行变频操作，所属本振参考信号波束与待测信号波束经凸透镜汇聚后分别辐照至混频器的天线的接收端，混频器经两级直流滤波电路后与制冷机外部直流偏置电路链接；第一中频放大器的输入端和混频器的输出端电连接，用于放大混频器输出的中频信号；第二中频放大器的输入端和第一中频放大器的输出端电连接，用于放大第一中频放大器输出的中频信号；所述凸透镜、混频器、第一直流滤波电路放置在同一磁屏蔽罩中，磁屏蔽罩、第一中频放大器、第二直流滤波电路放置在同一低温真空环境中。
5.根据权利要求1所述的超导外差集成接收机，其特征在于，所述的频谱仪的输入端和第二中频放大器的输出端电连接，用于信号频谱分析。
6.根据权利要求1所述的超导外差集成接收机，其特征在于，所述的混频器为由Nb-AlOx-Nb三层膜结构所构成的超导约瑟夫森隧道结。
7.根据权利要求1所述的超导外差集成接收机，其特征在于，所述的BSCCO-THz源为mesa结构，由上千个约瑟夫森结串联，所产生的本振信号频率在300Ghz～700Ghz之间，并可以通过改变温度与直流偏置进行调节。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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