CN110932696B - 一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置，在常温条件下，采用低旁瓣波纹喇叭和极窄带微波滤波器构建单微波量子源。利用低旁瓣波纹喇叭对准冷空，采用低旁瓣波纹喇叭、微波极窄带滤波器和自由空间噪声衰减相结合的方式，实现等效约20K低温环境条件的热噪声，并且实现每微秒输出0.05～10个微波量子。该微波量子源的实现方法无需将装置置于低温环境条件，即可实现热噪声水平比常温环境降低一个数量级的效果。
Description
技术领域
本发明属于微波量子技术领域，具体为一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置。
背景技术
微波量子源是微波量子探测实验的基础。目前，国内外构建单微波量子源均采用极低温制冷技术，将微波信号在极低温度(10mK量级的温度)下进行衰减至微波量子级别，以实现单微波量子源，技术难度大，实现成本高。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置，在常温条件下，采用低旁瓣波纹喇叭和极窄带微波滤波器构建单微波量子源。利用低旁瓣波纹喇叭对准冷空，采用低旁瓣波纹喇叭、微波极窄带滤波器和自由空间噪声衰减相结合的方式，实现等效约20K低温环境条件的热噪声，并且实现每微秒输出0.05～10个微波量子。该微波量子源的实现方法无需将装置置于低温环境条件，即可实现热噪声水平比常温环境降低一个数量级的效果。
本发明的技术方案为：
所述一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置，包括冷空(1)、第一低旁瓣波纹喇叭(5)和极窄带滤波器(6)；
所述冷空(1)中具有宇宙背景噪声加大气热噪声；
所述第一低旁瓣波纹喇叭(5)不从地面接收地球的热辐射，接收冷空的噪声；
所述极窄带滤波器(6)接收第一低旁瓣波纹喇叭(5)的输出信号，带宽在kHz量级，滤除掉带外噪声功率和干扰，剩下带内实现每微秒0.05～10个微波量子输出。
所述极窄带滤波器(6)包括多级下变频器、多级上变频器、多级滤波器和声表面波滤波器；
第一低旁瓣波纹喇叭(5)输出的微波信号输入到第一级下变频器中；
多级下变频器中每一级下变频器后接有滤波器，下变频后的信号经滤波后输出给下一级下变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级下变频器输出的信号波段对应，对从上一级下变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级下变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级下变频器及其中的滤波器最终将输入的微波信号下变频到视频信号；
所述视频信号输入到声表面波滤波器，所述声表面波滤波器为与所述视频信号波段对应的视频带通滤波器；
多级上变频器中每一级上变频器后接有滤波器，上变频后的信号经滤波后输出给下一级上变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级上变频器输出的信号波段对应，对从上一级上变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级上变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级上变频器及其中的滤波器最终将从声表面波滤波器输入的视频信号变频到微波波段信号；
将变频得到的微波波段信号输入到微波波段带通滤波器中，实现微波信号的kHz极窄带通滤波。
所述一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置，还包括微波信号源(2)和第二低旁瓣波纹喇叭(3)；
微波信号源(2)产生的微波信号经所述第二低旁瓣波纹喇叭(3)对准第一低旁瓣波纹喇叭(5)辐射，第二低旁瓣波纹喇叭(3)与第一低旁瓣波纹喇叭(5)之间的自由空间(4)实现信号和噪声同时衰减。
有益效果
本发明工作在常温条件下，采用低旁瓣波纹喇叭和极窄带微波滤波器，优选配合自由空间微波信号源噪声衰减，实现了单微波量子源的构建，可以作为单微波量子探测器的输入信号源，满足微波量子精密测量的使用需求。
本发明实现了单微波量子源的构建，在基于单微波量子探测器开展的单微波量子探测实验中，成功探测到微波单载波信号的泊松分布特性、热噪声信号的超泊松分布特性，以及微波单载波信号的二阶相干性、热噪声信号的二阶相干性，验证了本发明所设计的单微波量子源的有效性。
本发明结构简单、实用性好、可以在常温下工作。满足了微波量子实验对单微波量子源的需求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1具体实施例1常温条件基于波纹喇叭构建单微波量子源的原理框图；
图2具体实施例2常温条件基于波纹喇叭构建单微波量子源的原理框图；
图3常温工作的微波波段kHz极窄带滤波器原理框图。
具体实施方式
本发明采用低旁瓣波纹喇叭、微波极窄带滤波器和自由空间噪声衰减相结合，实现微波波段单微波量子源，满足微波量子探测以及单微波量子探测器实验所需单微波量子源的需求。
本发明的基本组成为冷空(1)、第一低旁瓣波纹喇叭(5)和极窄带滤波器(6)。
所述冷空(1)中具有宇宙背景噪声加大气热噪声，宇宙背景噪声为2.7K左右，加上大气热噪声后一般为10K左右噪声。
所述第一低旁瓣波纹喇叭(5)具有极低的旁瓣电平，不从地面接收地球的热辐射，接收冷空的噪声。
所述极窄带滤波器(6)带宽在kHz量级，滤除掉带外噪声功率和干扰，剩下带内少量噪声和信号实现每微秒0.05～10个微波量子。
所述极窄带滤波器(6)是本发明中的一个关键技术特征：
现有的微波带通滤波器通常采用波导滤波器形式实现，带宽只能达到百kHz量级，无法达到kHz水平。本发明中采用的极窄带滤波器(6)通过将微波频率进行多级下变频滤波、声表面波滤波和多级上变频滤波，将通带带宽降低到kHz水平(通带带宽1～10kHz)，无需低温制冷设备和环境，实现微波波段kHz极窄带微波带通滤波。
极窄带滤波器(6)包括多级下变频器、多级上变频器、多级滤波器和声表面波滤波器。
第一低旁瓣波纹喇叭(5)输出的微波信号输入到第一级下变频器中。
多级下变频器中每一级下变频器后接有滤波器，下变频后的信号经滤波后输出给下一级下变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级下变频器输出的信号波段对应，对从上一级下变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级下变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级下变频器及其中的滤波器最终将输入的微波信号下变频到视频信号。
所述视频信号输入到声表面波滤波器，所述声表面波滤波器为与所述视频信号波段对应的视频带通滤波器。
多级上变频器中每一级上变频器后接有滤波器，上变频后的信号经滤波后输出给下一级上变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级上变频器输出的信号波段对应，对从上一级上变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级上变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级上变频器及其中的滤波器最终将从声表面波滤波器输入的视频信号变频到微波波段信号。
将变频得到的微波波段信号输入到微波波段带通滤波器中，实现微波信号的kHz极窄带通滤波。
例如，当输入微波信号为X波段信号时：
第一级下变频器将X波段信号变频为L波段信号，采用L波段带通滤波器对L波段信号进行滤波，第二级下变频器将滤波后的L波段信号变频为中频信号，采用中频带通滤波器对中频信号进行滤波，第三级下变频器将滤波后的中频信号变频为视频信号(100kHz左右)；
声表面波滤波器对视频信号进行滤波，第一级上变频器将滤波后的视频信号上变频为中频信号，采用中频带通滤波器对上变频得到的中频信号进行滤波，第二级上变频器将上变频得到的经过滤波的中频信号变频为L波段信号，采用L波段带通滤波器对上变频得到的L波段信号进行滤波，第三级上变频器将上变频得到的经过滤波的L波段信号变频为X波段信号；
采用X波段带通滤波器对上变频得到的X波段信号进行滤波，实现X波段微波信号的kHz极窄带通滤波。
上述本发明的基本组成构成了本发明的第一个实施例，该实施例适用于只有冷空热背景噪声，没有信号源发射信号的情况。
如图1所示，在常温条件，利用冷空(1)的低温度，使得第一低旁瓣波纹喇叭(5)收到的冷空热噪声等效为端接15K左右的冷负载；第一低旁瓣波纹喇叭(5)输出的噪声通过微波极窄带滤波器(6)后，总热噪声功率将降低到-180dBW功率水平，此时对应每20微秒约有一个单微波量子输出，即每微秒输出约0.05个微波量子数，等效为单微波量子源，因而噪声输出本身就构成一个典型热噪声单微波量子源。
当使用微波信号时，如图2所示，构成本发明的第二个实施例，增加了微波信号源(2)和第二低旁瓣波纹喇叭(3)。所述第二低旁瓣波纹喇叭(3)同样具有极低的旁瓣电平，避免旁瓣辐射到地面后反射到第一低旁瓣波纹喇叭(5)中而引起多径效应，影响发射信号质量。所述第二低旁瓣波纹喇叭(3)对准第一低旁瓣波纹喇叭(5)辐射，之间的自由空间(4)实现信号和噪声同时衰减，降低了微波信号源(2)热噪声和相位噪声等对最终信号质量的影响。
微波信号源(2)发射一个微弱功率信号(-50dBm～-10dBm，根据第一低旁瓣波纹喇叭(5)与第二低旁瓣波纹喇叭(3)之间相对位置而改变)，由第二低旁瓣波纹喇叭(3)对准第一低旁瓣波纹喇叭(5)辐射，经过自由空间衰减，将微波信号源发射的微波功率和伴随着的宽带热噪声功率(噪声温度一般超过290K)一并衰减，第一低旁瓣波纹喇叭(5)接收到信号源中辐射的热噪声会衰减到一个远小于1K噪声温度的水平，该部分噪声与低旁瓣波纹喇叭(5)收到的冷空热噪声相比，可以忽略不计。因此，从第一低旁瓣波纹喇叭(5)输出的信号仅包括接收到的信号源发射的微波信号和从冷空接收的热噪声。
通过控制微波信号源(2)发射功率大小，控制第一低旁瓣波纹喇叭(5)输出的微波功率，实现不同数率的单微波量子输出，例如使第一低旁瓣波纹喇叭(5)输出的微波功率约为-171.6dBW，则每微秒输出约一个单微波量子。该微波信号经过微波极窄带滤波器(6)后微波量子数特性不变，噪声因滤波而量子数显著减少，和信号量子数相比较，占比小于10％，这样在微波极窄带滤波器后输出仍为每微秒平均输出约一个微波量子，微波信号输出结果符合微波量子源的定义和要求。
本发明提出的常温条件下基于低旁瓣波纹喇叭构建单微波量子源的装置，所用元器件技术成熟，性能稳定，并且所有器件工作在常温下，无需专用的制冷设备，实现方便。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置，其特征在于：包括冷空(1)、第一低旁瓣波纹喇叭(5)和极窄带滤波器(6)；
所述冷空(1)中具有宇宙背景噪声加大气热噪声；
所述第一低旁瓣波纹喇叭(5)不从地面接收地球的热辐射，接收冷空的噪声；
所述极窄带滤波器(6)接收第一低旁瓣波纹喇叭(5)的输出信号，带宽在kHz量级，滤除掉带外噪声功率和干扰，带内实现微波量子输出。
2.根据权利要求1所述一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置，其特征在于：所述极窄带滤波器(6)带内实现每微秒0.05～10个微波量子输出。
3.根据权利要求1所述一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置，其特征在于：所述极窄带滤波器(6)包括多级下变频器、多级上变频器、多级滤波器和声表面波滤波器；
第一低旁瓣波纹喇叭(5)输出的微波信号输入到第一级下变频器中；
多级下变频器中每一级下变频器后接有滤波器，下变频后的信号经滤波后输出给下一级下变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级下变频器输出的信号波段对应，对从上一级下变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级下变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级下变频器及其中的滤波器最终将输入的微波信号下变频到视频信号；
所述视频信号输入到声表面波滤波器，所述声表面波滤波器为与所述视频信号波段对应的视频带通滤波器；
多级上变频器中每一级上变频器后接有滤波器，上变频后的信号经滤波后输出给下一级上变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级上变频器输出的信号波段对应，对从上一级上变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级上变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级上变频器及其中的滤波器最终将从声表面波滤波器输入的视频信号变频到微波波段信号；
将变频得到的微波波段信号输入到微波波段带通滤波器中，实现微波信号的kHz极窄带通滤波。
4.根据权利要求3所述一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置，其特征在于：当第一低旁瓣波纹喇叭(5)只接收冷空的噪声时，第一低旁瓣波纹喇叭(5)输出的噪声通过极窄带滤波器(6)后，总热噪声功率降低到-180dBW功率水平，对应每微秒输出约0.05个微波量子数。
5.根据权利要求1所述一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置，其特征在于：还包括微波信号源(2)和第二低旁瓣波纹喇叭(3)；微波信号源(2)产生的微波信号经所述第二低旁瓣波纹喇叭(3)对准第一低旁瓣波纹喇叭(5)辐射，第二低旁瓣波纹喇叭(3)与第一低旁瓣波纹喇叭(5)之间的自由空间(4)实现信号和噪声同时衰减。
6.根据权利要求5所述一种常温工作的基于低旁瓣波纹喇叭的单微波量子源装置，其特征在于：通过控制微波信号源(2)发射功率大小，控制第一低旁瓣波纹喇叭(5)输出的微波功率，实现不同数率的单微波量子输出。
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