专利名称：宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种毫米波亚毫米波信号检测系统，特别是一种宽带和高 分辨率毫米波亚毫米波信号检测系统。
技术背景目前毫米波和亚毫米波波段信号频谱检测在射电天文、地球大气环境、 雷达信号、空间技术、医药和生物等领域应用日益广泛，主要借助于频谱、分析设备来实现。频i瞽分析仪是信号频语分析必不可少的测量仪器之一 。 目前商用常见的频语分析仪工作频段多集中在微波波段，这类频谱分析仪 对信号及其谐波分量等测量分析采用扫描式或实时方式来实现。不过即使 是扫描式频谱分析仪实现频谱分析的带宽在几十GHz量级(实时频语分析 仪带宽则更窄)。采用目前商用的频谱分析仪是无法直接实现对毫米波亚毫 米波段信号(100GHz量级甚至更宽的带宽信号)的频谱分析的，需要借助 专门的检测系统来实现。这样的检测系统一般需要由分光系统、毫米波亚、 毫米波波段的探测器件、电路系统、以及数据处理系统等几部分构成。 毫米波亚毫米波波段的频谱分析检测有直接检波和超外差混频两种方式。直接检波式信号检测系统，将接收到的信号经检波器后变为直流信号， 然后经频谱处理后输出。它结构简单，可以实现宽带信号低分辨频镨检测(几
十GHz至上百GHz量级带宽，实现频谱分析的分辨率为；i/A;i 103 )。超外差混频信号检测系统，将接收到的信号与本振信号通过混频器进行混频,变换为中频信号(GHz范围)，然后对中频信号放大后，再进行窄 带高分辨频谱分析(/l/AhIO6 )。直接检波式信号检测系统中，实现直接检波的探测器常用为辐射计 bolometer,辐射计bolometer以直接接收信号的总功率方式实现信号检测， 当需要^:高分辨频谱分析时，辐射计bolometer作为混频器件，尽管具有一 定中频带宽(如InSb材料的bolometer作为混频器件中频带宽在MHz 几 十MHz量级)，通过超外差混频却很难取得有效高分辨频谱分析的实际应 用。超外差混频信号检测系统中，实现超外差混频传统混频器为半导体肖 特基(schottky)混频器，通过超外差混频，肖特基混频器实现超外差检测、 优点是工作温度范围比较广，常用于室温下工作，同时工作频率也比较宽 (最高可以至5THz)。其缺点是在常温下工作灵敏度比较差(在 1000 3000K量级)，且需求较大的本振信号源功率(mW量级)。半导体肖 特基器件作为直接^r波器时灵敏度差，在宽带信号探测方面的应用受到了 限制。在射电天文、大气检测和宽带雷达信号捕获等方面，需要进行宽带扫 描，并进行窄带高分辨频i普分析，而现有的直接检波式信号检测系统和超、 外差混频信号检测系统，由于各自采用的探测器件的性能限制，不能实现 上述目的。
发明内容
为了克服上述现有技术中，超外差混频信号检测系统可以通过超外差混、 频技术实现高分辨频谱分析，无法同时实现宽带信号检测，以及直接检波 信号检测系统可以通过直接检波技术实现宽带信号检测，无法同时实现高 分辨谱分析的不足，本发明提供一种新的技术方案，宽带和高分辨信号检测系统，该设备将采用单 一 高灵敏超导SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor )器件，同时实现宽带和高频率 分辨率的信号检测。完成上述发明任务的技术方案是宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号、 检测系统，该检测系统中设有超导SIS探测器，用于通过直接检波方式提供 宽带信号检测，以及通过超外差混频方式提供窄带高分辨信号检测；该检 测系统通过直接检波方式实现宽带信号检测频语分析和通过超外差混频方 式实现窄带高分辨信号检测频镨分析。上述检测系统进一步设置可以是所述检测系统还包括分光系统、电路 系统和数据处理系统组成，进入所述分光系统的信号依次进入所述超导SIS 探测器和数据处理系统，并从数据处理系统输出频谱分析信息，所述电路 系统与所述超导SIS探测器连接；所述分光系统，用于将信号转换成两个具 有光程差的波束，再将两波束汇聚提供给探测器，为探测器直接检波提供 所需待测信号的干涉条紋，以及用于将信号转换成两个光程差为零的波束， 与设定好所需频率和功率的本振信号源， 一同汇集到探测器，为超导SIS探测 器超外差混频提供所需的待测信号和本振信号。由于超导SIS探测器在低温下对毫米波亚毫米波信号的'照射，其电流或 电压具有高灵敏反应，以及在低温下伏-安特性具有很强的非线性，依前 者，超导SIS探测器可以作为直接检波器，实现宽带信号检测(几十GHz 至上百GHz量级带宽)；依后者，可以作为超外差混频器，实现高分辨率 频谱分析(以目前后端的低噪声放大器中频处理带宽在l-8 GHz计，可实现 的频谱分辨率A/A 106 )。而且超导SIS探测器对本振信号功率要求很小 (在几十uW之间)，这使得采用单一超导SIS探测器，检测系统集成直接 检波和超外差混频两种检测方法成为可能。超导SIS探测器在实现直接检 波和超外差混频两种检测方法时，都具有极高的灵敏度(在直接检波中其' 灵敏度即等效噪声功率 d0-17『/|，在超外差混频中其灵敏度即等效 噪声温度r 3-5M;/;t, 3-5倍量子极限)，可以实现微弱信号的宽带快速扫 描，并同时实现窄带高分辨频谱分析。本发明为实现上述宽带信号快速扫描并进行高分辨频谱分析，进一步 采用如下技术方案所述分光系统包括Michelson (迈克尔逊)干涉仪、宽带波束分离器和 本振信号源。所述Michelson干涉仪用于为探测器提供直接检波时所需待测信号的 干涉条紋。所述宽带波束分离器用于为探测器提供超外差混频时所需待测信号 (透射)和本振信号(反射)。所述本振信号源接入所述宽带波束分离器，提供超外差混频的本振信 号。作为本发明的进一步改进，所述本振信号源采用锁相本振信号源，具 有频率和功率快速锁定特点，可快速锁定感兴趣的频率点并进行高分辨频谱分析。
所述Michelson干涉4义由固定平面镜(Fixed Mirror )、波束分离器 (Beamsplitter)和可动平面镜(Moveable Mirror)组成。所述电路系统包括直流偏置源和低噪声中频放大单元。直流偏置源为 超导SIS混频器提供偏置源。低噪声中频放大单元接在光电探测器混频输 出端和窄带高分辨频i普处理单元之间，对超导SIS探测器作为混频器输出的中频进行低噪声处理和放大。所述数据处理系统包括数据读出及宽带频谱处理单元和窄带高分辨频谱处理单元，分别将超导SIS探测器的输出进行傅立叶变换，以提供宽带频谱和窄带高分辨频谱分析结果。换句话说，本发明的系统由宽带信号快速扫描子系统和高分辨频谱处理子系统组成，宽带信号快速扫描子系统由Michelson干涉仪、宽带波束分 离器、超导SIS探测器和数据读出及宽带频谱处理单元组成，通过直接检 波方式实现宽带信号检测。而高分辨频镨处理子系统由Michelson千涉仪、 锁相本振信号源、宽带波束分离器、超导SIS探测器、低噪声中频放大和 窄带高分辨频谱处理单元组成，通过超外差混频方式实现窄带高分辨信号 检测。两个子系统中，共用Michelson干涉仪、宽带波束分离器和超导SIS、 探测器。超导SIS探测器既可用于非相干探测(直接检波)实现宽带信号 检测，又可用于相干探测(超外差混频)实现窄带高分辨信号检测，超导 SIS探测器工作在直接检波方式时，作为检波器实现对毫米波亚毫米波信号 进行;险测，超导SIS ^:测器工作在超外差混频方式时，作为混频器，实现 对本振信号和待测信号进行混频，得到低频段的中频信号。而宽带波束分离器对Michelson干涉仪的输出信号具有高透过率，对锁相本振信号源具有
低反射率的特点，且超导SIS探测器具有低本振信号功率需求的特点，这 使得在检测系统中两个子系统共用一个宽带波束分离器和单一超导SIS探测器即可实现宽带快速扫描的同时，对信号进行窄带高分辨频谱分析。本发明有益的效果是，在同一系统中，采用单一的高灵敏度超导SIS 探测器，超导SIS探测器在超外差混频方法里用作混频器，而在直接检波方法里作为直接检波器，实现毫米波亚毫米波波段信号两种探测方式(相干 探测和非相干探测)相结合的宽带快速扫描和窄带高分辨频谱检测。
图1是本发明实施例的系统框2是本发明实施例的Michelson干涉仪结构示意图具体实施方式
实施例1，如图1所示，宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号检测系统，由分光系 统l、探测器2、电路系统3和数据处理系统4组成。分光系统l，用于将信号转换成两个具有光程差的波束，再将两波束汇 聚提供给探测器2，以及用于将信号转换成两个光程差为零(很小)的波束，、 与设定好所需频率和功率的锁相本振信号12, —同汇集到探测器2。分光系 统l由Michelson干涉仪ll、宽带波束分离器13和锁相本振信号源12组成。宽 带波束分离器13对傅立叶单元12输出信号具有很高的透射率，对本振源信 号ll信号具有较低的反射率。探测器2采用高灵敏度超导SIS探测器，用于通过直接检波方式提供 宽带检测信号，以及用于通过超外差混频方式提供窄带高分辨检测信号。
电路系统3包括直流偏置源31和低噪声中频放大单元32。直流偏置源 31为超导SIS探测器提供偏置电源。低噪声中频放大单元32接探测器2 混频输出端和窄带高分辨频谱处理单元42之间，对超导SIS探测器作为混 频器输出的中频进行低噪声处理和放大。数据处理系统4包括数据读出及宽带频i普处理单元41和窄带高分辨频、谱处理单元42,分别l是供宽带频错和窄带高分辨频谱分析结果。宽带快速扫描和窄带高分辨频谱4企测的实现在本^r测系统中可以单一完成宽带信号快速扫描或窄带高分辨率频谱分析。当对信号的频谱特征未知的情况下，检测系统可以先进行宽带低分辨的快速扫描，获取粗略的信号频谱，再通过窄带的高分辨频谱分析，进一步详细确认信号的频谱特征，下面的描述就是这样的一个过程。通过这样的一个实施例，概括描述了检测系统的三个实用功能。 '首先，进行宽带快速扫描。信号进入Michdson干涉仪11，在波束分离 器53处，被分成两个波束，两个波束经过可动平面镜52和固定平面镜51 的反射后，又在波束分离器53处汇合，超导SIS探测器2检测经过汇聚以 后的汇合波束。改变Michelson干涉仪11中的可动平面镜52的位置，使得 可动平面镜52和固定平面镜51与波束分离器53的距离不相等，两个波束 之间产生光程差，从而两个波束发生干涉。通过不断改变可动平面镜52的 位置，超导SIS探测器2就可以探测到两个波束干涉强度与光程差之间对 应关系的干涉波紋。干涉条紋的读出是这样来实现的首先改变可动平面镜52位置，数据
紋强度，根据荻取干涉条紋强度与对应的光程差(移动可动平面镜的位置， 可获取不同的光程差)，即干涉图之后，再对之进行宽带频谱处理获取信号、和超导SIS探测器的频语响应，在已知超导SIS频率响应情况下，可进一步得到宽带信号的频谱特性，实现直接;险波方式的宽带信号分析。 其次，在获取宽带信号频镨之后，对感兴趣的频点进行窄带高分辨信号频谱分析。信号经过Michelson干涉仪11,为了得到较好的检测强度，调整可动平面镜52，使得信号经过Michelson干涉仪后两个波束的光程差仍为零，再经宽带波束分离器13透射，与设定好所需频率和功率的锁相本振信号源12经宽带波束分离器13反射， 一同汇集到超导SIS探测器2，待检、测信号和本振信号通过超导SIS混频器2混频，得到待;险测信号和本振信号之间的差值一中频信号，先经过低噪声中频放大单元32进行放大，再通过窄带高分辨频谱处理单元42进行频谱处理，实现了超外差混频方式的窄 带高分辨信号频镨分析。本发明技术中，采用单一的超导SIS探测器，既有非相干探测功能(直 接检波特性)，也有相干探测功能(外差混频特性)，因此，可以通过直接检 波方式实现宽带信号检测，在此基础上，结合超外差混频方式再对感兴趣、 频点实现高分辨信号频语分析。在同一系统中完成宽带信号快速扫描，并 通过设定本振信号的频率，对感兴趣频点的信号进行高分辨谱分析。
权利要求
1、宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号检测系统，其特征是，该检测系统中设有超导SIS探测器，用于混频和检波，通过直接检波方式提供宽带检测信号，和通过超外差混频方式提供窄带高分辨检测信号；该检测系统通过直接检波方式实现宽带信号检测频谱分析和通过超外差混频方式实现窄带高分辨信号检测频谱分析。
2、 根据权利要求l所述的信号检测系统，其特征是，所述检测系统还包 括分光系统、电路系统和数据处理系统组成，进入所述分光系统的信号依 次进入所述超导SIS探测器和数据处理系统，并从数据处理系统输出频谱分、 析信息，所述电路系统与所述超导SIS探测器连接；所述分光系统，用于将 信号转换成两个具有光程差的波束，再将两波束汇聚提供给超导SIS探测 器，为超导SIS探测器直接检波提供所需待测信号的干涉条紋，以及用于将 信号转换成两个光程差为零的波束，与设定好所需频率和功率的本振信号 源，一同汇集到^:测器，为超导SIS:f冢测器超外差混频提供所需的待测信号和 本振信号。
3、根据权利要求2所述的信号检测系统，其特征是，所述分光系统包、 括Michelson干涉仪、宽带波束分离器和本振信号源；所述Michelson干涉仪用于为超导SIS探测器提供直接;险波时所需待 测信号的干涉条紋；所述宽带波束分离器用于为超导SIS探测器提供超外差混频时所需 待测信号和本振信号，包括透射待测信号和反射本振信号；所述本振信号源接入所述宽带波束分离器，提供超外差混频的本振信号。
4、根据权利要求2所述的信号检测系统，其特征是，所述电路系统包 括直流偏置源和低噪声中频放大单元；所述直流偏置源为超导SIS混频器提供偏置源；所述低噪声中频放大单元接混频输出端和窄带高分辨频谱处理单元之、 间，对超导SIS探测器作为混频器输出的中频进行低噪声处理和放大。
5、 根据权利要求2所述的信号检测系统，其特征是，所述数据处理系 统包括数据读出及宽带频镨处理单元和窄带高分辨频谱处理单元，分别提 供宽带频i普和窄带高分辨频镨分析结果。
6、 根据权利要求3所述的信号检测系统，其特征是，所述Michelson 干涉仪由固定平面镜、波束分离器和可动平面镜组成。
7、 根据权利要求3所述的信号检测系统，其特征是，所述本振信号源、 采用锁相本振信号源。
全文摘要
本发明涉及一种宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号检测系统，目的在于提供一种同时实现宽带和高频率分辨率的信号检测的检测系统。完成上述发明任务的技术方案是宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号检测系统，该检测系统中设有超导SIS探测器，用于通过直接检波方式提供宽带信号检测，以及通过超外差混频方式提供窄带高分辨信号检测；该检测系统通过直接检波方式实现宽带信号检测频谱分析和通过超外差混频方式实现窄带高分辨信号检测频谱分析。本发明采用超导SIS探测器，超导SIS探测器在超外差混频方法里用作混频器，而在直接检波方法里作为直接检波器，实现毫米波亚毫米波波段信号两种探测方式相结合的宽带快速扫描和窄带高分辨频谱检测。
文档编号G01R23/17GK101126775SQ200710130929
公开日2008年2月20日 申请日期2007年8月24日 优先权日2007年8月24日
发明者史生才, 姚骑均, 文 张, 婧 李, 戟 杨, 林镇辉 申请人:中国科学院紫金山天文台