一种超导动态电感探测器KID的噪声功率谱密度测量方法及系统

本发明涉及太赫兹信号探测，尤其涉及一种超导动态电感探测器kid的噪声功率谱密度测量方法及系统。

背景技术：

1、超导动态电感探测器kinetic inductor detector，kid是基于超导薄膜制备的平面电感及电容构成的微波谐振器，核心电路主要由光子信号接收器和微波谐振器两个部分组成，根据kid工作原理，当外部足够能量的信号入射到kid，超导薄膜表面的库珀对被拆散，将导致微波谐振器的动态电阻和动态电感的变化，从而引起了谐振器特性(q因子、幅度、相位等)变化。通过读出电路获取微波谐振器的幅度或相位(可通过s21参数表征)变化信息，即可完成入射信号的间接测量。

2、另一方面，kid的谐振点频率、幅度和相位随其温度、入射功率功率、时间的变化，反映了其本身灵敏度信息。kid的噪声功率谱power spectral density，psd(包括幅度和相位)表征，一般通过零差混频(homodyne)方式实现。这种测量硬件系统一般多采用正交iq混频器，由信号发生器输出被定向耦合器分成两个通道，一通道经常温可调衰减器、低温kid、低温低噪声放大器、常温衰减器、常温放大器等，与另一直通通道分别作为常温正交iq混频器输入端的rf信号和lo信号后，差频输出i、q信号，经低通滤波器滤波和阻抗变换器输入到ad采样，将两路时域信号转换为频域的幅度或相位噪声功率谱密度。测量系统框图如图1所示。

3、该方法的主要缺点是：由于正交混频器的中频i、q输出端一般存在幅度和相位不平衡现象，且随频率发生变化。这不仅使得数据采集不准确，导致后处理的噪声功率谱密度不准确，还限制了整个homodyne系统的输入功率测量范围故需要对iq混频器的i、q两路输出不平衡进行自校准。而对iq混频器的校准过程复杂，且需要两个信号源，增加硬件成本。

技术实现思路

1、发明目的：提出一种超导动态电感探测器kid的噪声功率谱密度测量方法，并进一步提出一种实现上述测量方法的系统，以解决现有技术存在的上述问题。

2、第一方面，提出一种基于矢量网络分析仪(vector network analyzer,vna)超导动态电感探测器kid的噪声功率谱密度测量方法(以下简称vna方法)，步骤如下：

3、s1、搭建基于矢量网络分析仪的噪声功率谱密度测量系统，使用矢量网络分析仪测试整个测量系统在超导动态电感探测器kid谐振点附近的传输系数频率响应曲线；

4、s2、在所述传输系数频率响应曲线中拟合如下参数：系统链路增益、相位旋转角、同轴电缆延迟时间、谐振器品质因子、耦合器品质因子、谐振器谐振频率、相位角，得到单个超导动态电感探测器的频率响应曲线和谐振圆；

5、s3、利用矢量网络分析仪采集一段时间内整个测量系统在谐振点频率处和非谐振点频率处的传输系数随时间的扰动，利用步骤s2中拟合的七个参数对所述扰动的传输系数进行校准，并将校准后的结果标注在步骤s2中所述谐振圆上；

6、s4、计算得出当前谐振点和非谐振点频率处的噪声功率谱密度和噪声等效功率。

7、在第一方面进一步的实施例中，步骤s1中所述整个测量系统在超导动态电感探测器谐振点附近的传输系数频率响应曲线s21通过所述矢量网络分析仪第二端口的测试接收机b2功率与第一端口的参考接收机a1功率的比值测得：

8、s21＝b2/a1；

9、式中，b2表示测试接收机功率；a1表示参考接收机功率；

10、所述测试接收机和参考接收机共用同一个本振，每个接收机都包含i、q信号；s21是复数，具有实部与虚部信息，经过换算得到幅度与相位信息。

11、在第一方面进一步的实施例中，在所述传输系数频率响应曲线中拟合七个参数后得到单个超导动态电感探测器的频率响应曲线s21(f)的函数表达式如下：

12、

13、式中，a表示系统链路增益；eiα表示相位旋转角；τ表示同轴电缆延迟时间；qr表示谐振器品质因子；qc表示耦合器品质因子；fr表示谐振器谐振频率；φ表示相位角；

14、利用上述参数对所述传输系数频率响应曲线拟合，消除系统增益、相移、链路时延、初始相位角的影响，得到单个超导动态电感探测器的特性参数。

15、在第一方面进一步的实施例中，步骤s3进一步包括：

16、在谐振频点和非谐振频点频率上，将矢量网络分析仪设置为单频点随时间采集模式，采集频率设置为谐振点频率或者非谐振点频率；

17、设置输出功率、采样点数、中频带宽、驻留时间，利用矢量网络分析仪对s21的实部和虚部进行采集；

18、利用步骤s2中系统链路增益、相位旋转角、同轴电缆延迟时间、谐振器品质因子、耦合器品质因子、谐振器谐振频率、相位角，对当前谐振点噪声和非谐振点噪声处扰动的传输系数进行校准，并将将校准后的结果画在步骤s2中所述谐振圆上。

19、在第一方面进一步的实施例中，步骤s4中利用所述噪声点计算得出当前噪声功率谱密度psd(x)的表达式如下：

20、psd(x)＝2·(fs·n)|x|2；

21、式中，fs为采样频率，n为采集总点数，|x|为校准后传输系数幅度值的傅里叶变换幅度值。

22、在第一方面进一步的实施例中，步骤s4中利用所述噪声点计算得出当前噪声等效功率(noise equivalent power,nep)的表达式如下：

23、

24、式中，sx表示超导动态电感探测器传输系数幅度值的噪声功率谱密度，表示传输系数幅度值对于辐射功率的响应率，ω表示角频率；τqp表示准粒子产生复合时间；τres表示谐振器响应时间。

25、第二方面，提出一种超导动态电感探测器kid的噪声功率谱密度测量系统，该系统包括：

26、矢量网络分析仪；

27、低温杜瓦；所述矢量网络分析仪的port1端口经过第一可调衰减器、dc隔直器与所述低温杜瓦的输入端相连；

28、所述低温杜瓦内部包含与所述dc隔直器电性连接的第二固定衰减器，与所述第二固定衰减器电性连接的kid，以及与所述kid电性连接的第一低温低噪声放大器；

29、所述第一低温低噪声放大器通过绝热电缆与温杜瓦的输出端相连；所述低温杜瓦的输出端通过第二常温衰减器与第二常温低噪声放大器等组合后进入所述矢量网络分析仪的port2端口。

30、在第二方面进一步的实施例中，所述矢量网络分析仪内置测量扫频单元，被驱动为测试整个测量系统在超导动态电感探测器谐振点频率附近的传输系数频率响应曲线。

31、在第二方面进一步的实施例中，噪声功率谱密度测量系统还包括计算kid-psd的测量程序计算模块；所述测量程序计算模块包括拟合单元、采集单元、计算单元；

32、拟合单元，被驱动为在传输系数频率响应曲线中拟合如下参数：系统链路增益、相位旋转角、同轴电缆延迟时间、谐振器品质因子、耦合器品质因子、谐振器谐振频率、相位角，得到单个超导动态电感探测器的传输系数频率响应曲线和谐振圆；

33、采集单元，被驱动为采集一段时间内整个测量系统的谐振点频率处和非谐振点频率处的传输系数随时间的扰动，利用所述拟合单元拟合的七个参数对所述扰动的传输系数进行校准，并标注在谐振圆上；

34、计算单元，被驱动为计算得出当前噪声功率谱密度和噪声等效功率。

35、第三方面，提出一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序使计算机执行如第一方面所述的噪声功率谱密度测量方法。

36、有益效果：本发明提出的超导动态电感探测器kid的噪声功率谱密度测量方法相较于现有的homodyne方法，在达到同等功能的前提下，无需因为i-q混频器的输出两路不平衡而做额外的iq校准，因此测试方法流程比homodyne方法简单，涉及仪器少，易于实施。此外，本方法因为使用矢量网络分析仪，具有高集成性与可靠性，功率噪声谱测试结果无杂波干扰，硬件良好的抗电磁干扰性保证更好的数据结果可读性。。