专利名称：提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于信号检测领域，具体涉及一种提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统。
背景技术：
THz波是指频率在0. 1-lOTHz，波长在3000-30 μ m范围内的电磁波。它的频带介于微波和可见光之间，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外线相重合。THz频带有着非常重要的学术和应用价值。首先，物质的THz光谱包含有丰富的物理和化学信息，如分子的振动及转动光谱，特别是大分子的振动光谱在THz波段有很多特征峰，研究材料在这一波段的光谱特性对于探索物质的结构具有重要意义。其次，THz波的光子的能量只有毫电子伏特的量级，与X射线相比，不会因为电离而破坏被探测的物质。这些特点决定了 THz 技术的存在价值，可以预见其在材料分析测试，光谱探测，环境探测，医疗诊断，宽带移动通讯，卫星通讯和军用雷达等方面具有极大的应用潜能。对THz信号的探测，主要有直接探测和混频探测两种方法。和直接探测相比，混频探测具有很高的频率分辨率，可以反映出信号频谱的细节。在太赫兹频段最常用的三种混频器是肖特基二极管混频器，超导隧道结(SIQ混频器和超导热电子测辐射热仪(HEB)混频器。肖特基二极管以半导体-金属结为依托，和低频率下使用的经典pn结二极管相比，有很小的结电容。利用它非线性的电压电流特性，可以用作在微波和太赫兹频段的混频
ο超导遂道结混频器是利用当偏置在能隙电压附近时，光子参与的准粒子遂道效应来混频。对于超导材料，当温度降低到一定程度后，材料的电阻为零，此时为超导态。电阻从不为零的正常态到超导态，是在一个有限的温度间隔内完成的。通常把样品电阻降至1/2 正常态电阻的温度定义为超导体的临界温度。当超导体处于临界温度附近时，电阻对温度的变化十分敏感，而外界的电磁辐射经过耦合路径，可以被超导薄膜吸收，从而改变超导体的温度，利用此原理可以制成超导测辐射热仪。对于氮化铌(NbN)材料的超导薄膜，在有太赫兹辐射的情况下，Cooper对破坏形成准粒子，在很低的工作温度下，电子和声子在一定程度上是退耦的。电子可以有一个比晶格(声子)高的均衡温度，因此它们被称为“热电子”。 基于此原理，实用新型了超导热电子测辐射热仪混频器(HEB)。肖特基二极管混频器的缺点是需要很大的本振功率，约数毫瓦量级。而且噪声温度很高，尤其是在高频的情况下。SIS结混频器的缺点是有较大的结电容，需要调谐电路，而且在高频的情况下，光子能量超过2倍能隙时性能下降。所以在ITHz频率以上，目前噪声温度最低的是HEB混频器。HEB混频器有工作频率不受超导能隙限制的优点，而且电抗小， 没有内部的分流电容，不需要调谐电路。需要的本振功率极小，在几十纳瓦的量级。为了探测微弱的信号，要求混频器的温度分辨率越小越好。混频器的温度分辨率由噪声温度和稳定性决定。探测一个微弱的信号，为达到一定的信噪比，一个简单的方法是增加积分时间。但是实际系统中不仅仅有白噪声，还存在漂移噪声等，所以随着积分时间的增加，存在一个时间值使得温度分辨率最低。这个时间称为艾伦时间，积分时间超过艾伦时间不会提高温度分辨率。艾伦时间越长，则系统的稳定性越好。HEB混频器的稳定性差于SIS结混频器。HEB混频器的不稳定主要是由本振信号功率的漂移引起的。在SIS结混频器的工作点，本振信号通常为饱和状态，所以中频输出对本振功率的漂移不敏感。而在HEB混频器的最佳工作点，中频输出对本振功率的漂移很敏感。所以高灵敏HEB混频器的稳定性是一个需要解决的问题。以往的研究集中在使高灵敏太赫兹混频器降低噪声温度，从而提高温度分辨率， 但没有考虑到本振信号功率不稳定，和其他相关的一些因素，这些因素使混频器的工作点不稳定，从而对混频器性能带来影响，使得混频器的温度分辨率变差。而在实际使用混频器的过程当中，是肯定会遇到这些情况的。
实用新型内容实用新型目的针对上述现有存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供一种提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统和检测方法，大为提高高灵敏太赫兹混频器在最佳工作点的稳定性，从而提高温度分辨率。技术方案为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为一种提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统，包括太赫兹频段本振信号源、光束分离器、硅透镜、 混频器、同轴三通接头、直流阻断器、隔离器、低温低噪声放大器、常温中频放大器、带通滤波器、用于将中频功率转化为直流电压的装置、计算机、直流偏置电源、偏置器、微波源、低温杜瓦，所述硅透镜、混频器、同轴三通接头、直流阻断器、隔离器、低温低噪声放大器设于低温杜瓦内，太赫兹频段本振信号源接入光束分离器，提供超外差混频的太赫兹频段本振信号，光束分离器为硅透镜透射所需信号和反射太赫兹频段本振信号，混频器设于硅透镜的中心位置，混频器输出低频信号到同轴三通接头，同轴三通接头输出中频信号依次通过直流阻断器、隔离器、低温低噪声放大器、常温中频放大器、带通滤波器、用于将中频功率转化为直流电压的装置；计算机分别连接用于将中频功率转化为直流电压的装置、直流偏置电源和微波源，获取采样后的直流电压信号，控制微波源输出的微波信号功率；微波源发出的微波信号和直流偏置电源输出的直流信号分别通过偏置器的射频端口和直流端口接到同轴三通接头，加到混频器上。低温杜瓦是低温的容器的统称，放入液氮或/和液氦等低温媒质，既能保持这些媒质的低蒸发，又同时能提供样品需要的低温环境所述所需信号和太赫兹频段本振信号入射方向与光束分离器平面法线可成45°还可设有电磁吸波材料，用于吸收所述光束分离器反射的所需信号及其透射的太赫兹频段本振信号。所述光束分离器可为直径大于2厘米的Mylar薄膜。所述混频器可用低温胶粘在硅透镜中心，硅透镜安装在低温杜瓦内的冷板上，且硅透镜和冷板有良好的热接触。所述微波源和偏置器之间还可设有衰减器，微波源发出的微波信号经过衰减器进入偏置器。衰减器的作用是减小微波源的噪声。本实用新型还提供了一种提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测方法，由计算机控制的微波源发出微波信号，通过偏置器的射频端口接到同轴三通接头，加到混频器上，构成反馈回路；通过调节微波信号的功率，补偿由于太赫兹频段本振信号功率不稳定而带来的混频器工作点不稳定。所述微波信号的频率可远低于太赫兹频段本振信号的频率，且远高于中频截止频率；所述微波信号的功率可不高于混频器吸收的总射频功率的20%。所述微波信号在t时刻的微波功率P(t)的计算方法可为首先初始化微波信号的功率，然后在长度为t-τ的一段时间内，以时间间隔At采样，At由采样速率决定，t为不加反馈回路的系统的艾伦时间的1. 5-2. 5倍，经过长度为t的时间后，按下式计算微波功率 P(t)[0021]
权利要求1.一种提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统，其特征在于，包括太赫兹频段本振信号源、光束分离器、硅透镜、混频器、同轴三通接头、直流阻断器、隔离器、低温低噪声放大器、常温中频放大器、带通滤波器、用于将中频功率转化为直流电压的装置、计算机、直流偏置电源、偏置器、微波源、低温杜瓦，所述硅透镜、混频器、同轴三通接头、直流阻断器、隔离器、低温低噪声放大器设于低温杜瓦内，太赫兹频段本振信号源接入光束分离器，提供超外差混频的太赫兹频段本振信号，光束分离器为硅透镜透射所需信号和反射太赫兹频段本振信号，混频器设于硅透镜的中心位置，混频器输出低频信号到同轴三通接头，同轴三通接头输出中频信号依次通过直流阻断器、隔离器、低温低噪声放大器、常温中频放大器、带通滤波器、用于将中频功率转化为直流电压的装置；计算机分别连接用于将中频功率转化为直流电压的装置、直流偏置电源和微波源；微波源发出的微波信号和直流偏置电源输出的直流信号分别通过偏置器的射频端口和直流端口接到同轴三通接头，加到混频器上。
2.根据权利要求1所述提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统，其特征在于所述所需信号和太赫兹频段本振信号入射方向与光束分离器平面法线成45°角。
3.根据权利要求1所述提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统，其特征在于还设有电磁吸波材料，用于吸收所述光束分离器反射的所需信号及其透射的太赫兹频段本振信号。
4.根据权利要求1所述提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统，其特征在于所述光束分离器为直径大于2厘米的Mylar薄膜。
5.根据权利要求1所述提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统，其特征在于所述混频器用低温胶粘在硅透镜中心，硅透镜安装在低温杜瓦内的冷板上，且硅透镜和冷板有良好的热接触。
6.根据权利要求1所述提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统，其特征在于所述微波源和偏置器之间还设有衰减器，微波源发出的微波信号经过衰减器进入偏置器。
专利摘要本实用新型公开了一种提高高灵敏太赫兹混频器稳定性的检测系统，包括太赫兹频段本振信号源、光束分离器、硅透镜、混频器、同轴三通接头、直流阻断器、隔离器、低温低噪声放大器、常温中频放大器、带通滤波器、用于将中频功率转化为直流电压的装置、计算机、直流偏置电源、偏置器、微波源、低温杜瓦。本实用新型使用一个反馈回路控制远低于太赫兹频率的微波功率以补偿太赫兹本振功率的不稳定，以HEB混频器为例，可以将混频器的艾伦时间从约1秒提高到约10秒，温度分辨率提高30％。
文档编号G01N22/00GK202092971SQ20112018196
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者吴培亨, 姜奕, 康琳, 许伟伟, 陈健 申请人:南京大学