CN111048873A - 一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置，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；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；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。本发明无需低温制冷设备和环境，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，实现微波波段kHz极窄带微波带通滤波，满足微波量子精密测量使用的严苛要求。

Description

一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置
技术领域
本发明涉及微波量子技术领域，具体为一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置。
背景技术
微波波段极窄带通滤波技术是微波量子精密测量领域亟需的关键技术，当前国内外现有滤波器技术，通带带宽只能达到百kHz量级，无法达到kHz水平。
微波带通滤波器可以使用波导滤波器形式实现，这其中共有两种实现方式：第一种为采用高波导谐振腔技术，增加波导窄边高度4倍以上，显著降低滤波器的插损，增加滤波器腔体谐振腔Q值，实现窄带滤波器带宽，第二种采用低温超导技术，显著降低滤波器腔体插损，增加滤波器腔体谐振腔Q值，实现窄带滤波器带宽。目前两种滤波器通带带宽只能达到几百kHz水平，无法满足微波量子精密测量使用的要求。
微波带通滤波器也可以采用调谐的铁氧体YIG的技术实现。虽然在一定带宽范围内的通带可调，但目前通带带宽仅在MHz水平，也无法满足微波量子精密测量对微波波段kHz量级极窄带宽滤波的需求。
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微波波段kHz极窄带通滤波装置，无需低温制冷设备和环境，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，实现微波波段kHz极窄带微波带通滤波，满足微波量子精密测量使用的严苛要求。
本发明的技术方案为：
所述一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置，其特征在于：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；
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。
进一步的优选方案，所述一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置，其特征在于：多级下变频器中的各级下变频器与多级上变频器中的各级上变频器，一一对应，且相互对应的下变频器与上变频器采用同一本振信号。
进一步的优选方案，所述一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置，其特征在于：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；
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。
有益效果
本发明工作在常温条件下，在微波信号输入装置处输入微波信号，例如频率为10GHz的微波单载波信号和宽带噪声信号，微波信号经过多级下变频滤波、声表面波滤波、多级上变频滤波，实现微波信号保留情况下，只有kHz量级极窄带微波噪声信号通过，而大部分频率噪声被抑制掉，从而实现了微波波段kHz极窄带宽通带滤波，通带带宽1～10kHz。
该滤波器应用于微波量子源系统构建时，可以将外部输入的绝大部分频率噪声抑制掉，提高信噪比，使得外部输入到单微波量子探测器的噪声，对应微波量子数每微秒平均只有0.05个水平，适合单微波量子探测器进行单量子级别探测。
本发明方法原理简单、实用性好、可以在常温下工作。极窄带带通滤波器中心频率还可以在外部电路控制下，实现通带频率任意调节，如9.5GHz到10.5GHz，当然也可以在更宽频带内工作。
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常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置原理框图；
图2具体实施例1常温工作的X波段三级变频滤波装置原理框图；
图3具体实施例2常温工作的L波段二级变频滤波装置原理框图。
具体实施方式
本发明采用多级下变频滤波技术、声表面波滤波技术、多级上变频滤波技术，实现微波波段3kHz极窄带通滤波。
实施例1：
如图2所示，装置工作在常温条件下，通过三级下变频滤波、声表面波滤波、三级上变频滤波，实现X波段kHz极窄带通滤波。
将9.5GHz～10.5GHz频带内的微波单载波信号及其宽带达到1GHz的噪声信号输入装置1，用于输入X波段微波信号；一级下变频器2，将X波段微波波段信号下变频为L波段信号；一级滤波器3为L波段带通滤波器，滤除一级下变频器2产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；二级下变频器4将输入的L波段信号下变频为中频信号；二级滤波器5为中频带通滤波器，滤除二级下变频器4产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；三级下变频器6将输入的中频信号变频为视频信号(100kHz左右)。
声表面波滤波器7为视频带通滤波器，滤除三级下变频器6产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号。
一级上变频器8将从声表面波滤波器7输入的视频信号变频到中频信号；四级滤波器9为中频带通滤波器，滤除一级上变频器8产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；二级上变频器10将从四级滤波器9输入的中频信号变频为L波段信号；五级滤波器11为L波段带通滤波器，滤除二级上变频器10产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；三级上变频器12将从五级滤波器11输入的L波段信号变频到微波波段信号。
六级滤波器13为微波波段带通滤波器，滤除三级上变频器12产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号，在常温下实现了微波波段3kHz极窄带通滤波。
六级滤波器输出的微波波段信号频率可以和输入的X波段微波信号同频率，也可以是不同的频率，由上变频器的频率设置而决定。
实施例2：
如图3所示，装置工作在常温条件下，通过两级下变频滤波、声表面波滤波、两级上变频滤波，实现L波段kHz极窄带通滤波。
将L波段的微波单载波信号及其噪声信号输入装置1，用于输入L波段微波信号；二级下变频器4将输入的L波段信号变频到中频信号；二级滤波器5为中频带通滤波器，滤除二级下变频器4产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；三级下变频器6将输入的中频信号变频到视频信号。
声表面波滤波器7为视频带通滤波器，滤除三级下变频器6产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号。
一级上变频器8将输入的滤波后的视频信号变频到中频信号；四级滤波器9为中频带通滤波器，滤除一级上变频器8产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；二级上变频器10将输入的中频信号变频到L波段信号；五级滤波器11为L波段带通滤波器，滤除二级上变频器10产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号。最终在常温下实现了L波段3kHz极窄带通滤波。
本发明提出的室温环境下实现微波波段kHz极窄带通滤波的装置，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。本发明通过多级变频滤波实现微波波段kHz滤波，但该装置工作原理也不限于微波波段，也可以应用于其它微波波段。
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 (4)

1.一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置，其特征在于：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；
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。
2.根据权利要求1所述一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置，其特征在于：多级下变频器中的各级下变频器与多级上变频器中的各级上变频器，一一对应，且相互对应的下变频器与上变频器采用同一本振信号。
3.根据权利要求1所述一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置，其特征在于：所述视频信号为100kHz量级信号。
4.根据权利要求1所述一种常温工作的微波波段kHz极窄带通滤波装置，其特征在于：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；
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。
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