一种超导隧道结平衡混频器

本发明涉及天文探测仪，尤其是涉及一种超导隧道结平衡混频器。

背景技术：

1、亚毫米波(submm)也称太赫兹(thz)波。由于宇宙大爆炸产生的约一半的光子、星际分子及冷暗天体的许多特征谱线都在亚毫米范围，且星际介质在该波段消光远低于可见光/近红外，因此亚毫米波段的观测与研究对宇宙的整体结构演化、星系形成和演化、星系和气体动力学等均具有非常重要的意义，亚毫米波段探测及相关技术研究已成为当代天文学最前沿研究领域之一。对于物理学而言，由于thz频段位于传统的无线电和光学频段之间，即既有显著的波动性，又具有明显的粒子性，涵盖了电子学和光电子学两个领域；对该波段的探测和研究需要兼顾电磁波的波动与量子效应，是当前物理学研究中的重大基础前沿之一。不仅如此，亚毫米波还具有大带宽、能量适中、环境穿透性好、对应丰富的分子特征谱线等特性，因此thz探测技术在日常生活、雷达通讯、大气与环境监测、材料科学、国土安全、生命科学等多个领域也具有广阔的应用前景。

2、虽然人们早已认识到亚毫米波段在科学上的重要性以及应用上的广泛前景，但其仍然是目前唯一的有待全面研究和开发的“电磁”探测空窗，制约其发展的主要因素有：(1)信号源产生技术的严重缺乏，包括源的频率范围和输出信号功率等；(2)探测技术的缺乏，包括探测灵敏度、带宽、响应时间、以及探测器阵列规模等；(3)大气衰减的限制等。

3、单从天文学角度而言，亚毫米波段的重要性早已引起天文学家的重视，近年来亚毫米波接收设备研制快速发展，科研人员在基于超导隧道结(sis)混频器，超导热电子(heb)混频器，以及超导微波动态电感探测器(mkids)和超导相变边缘探测器(tes)等方面进行了卓有成效的研究。其中超导隧道结混频器技术经过多年来的研究与发展，已成为亚毫米波段灵敏度最高的相干探测技术，主要用于高分辨率分子原子谱线的观测，以及高空间分辨率的天线干涉阵列。

4、未来亚毫米波超导隧道结探测技术的发展趋势主要是灵敏度、工作频率、带宽、以及仪器稳定性等性能指标的进一步提升。传统的单端型超导隧道结混频器由于浪费了一半的本振信号功率，增大了隧道结泵浦的难度，因此其工作频率受本振信号功率影响很难提高。另一方面，传统的超导隧道结混频器采用单个sis结，器件本身的散粒噪声、环境的噪声等是无法通过改进器件制作工艺和材料得到消除的，这些噪声一定程度上降低了探测灵敏度；同时，这些噪声影响系统的稳定性，缩小了系统allan方差时间，因此探测有效积分时间也会减小，最终影响探测灵敏度极限。本发明针对现有技术的不足，提供一种超导隧道结平衡混频器，可以充分利用本振功率，有效抑制幅度噪声，提升探测系统的稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种超导隧道结平衡混频器，可以充分利用本振功率，有效抑制幅度噪声，提升探测系统的稳定性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明给出了一种超导隧道结平衡混频器，包括用于接收天文探测信号的馈源、用于提供混频器本振输入信号的本振源，正交耦合电桥，威尔金森同相合成器，以及两路的射频匹配电路、超导隧道结芯片、第一中频匹配电路、隔直电路和第二中频匹配电路；

4、天文探测信号经光学传输汇聚至馈源，与本振源经正交耦合电桥分为正交的两路信号；两路信号均依次经过射频匹配电路、超导隧道结芯片、第一中频匹配电路、隔直电路和第二中频匹配电路后，经过威尔金森同相合成器合成输出平衡的中频信号；所述第一中频匹配电路和隔直电路的连接线路上还接入有偏置滤波电路。

5、优选地，所述超导隧道结芯片包括波导探针天线、阻抗变换电路、调谐电路、超导隧道结和射频滤波器，用于进行高频信号输入、信号混频、中频信号输出及滤波。

6、优选地，所述偏置滤波电路包括超导隧道结偏置电路和电磁干扰滤波器；两个超导隧道结反向偏置。

7、优选地，所述隔直电路采用平行耦合微带线结构。

8、优选地，所述第一中频匹配电路、第二中频匹配电路均为微带线结构，用于实现中频信号的滤波和阻抗匹配。

9、优选地，所述射频匹配电路为波导-微带转换结构，用于实现本振源与射频信号从波导到微带的耦合。

10、优选地，所述威尔金森同相合成器包括微带线和薄膜电阻。

11、优选地，所述馈源为亚毫米波的波纹喇叭天线。

12、优选地，所述混频器的主体为拼合的金属模块，其内部设置有亚毫米波传输的波导结构、超导隧道结芯片卡槽、中频电路板卡槽和超导隧道结偏置电路板卡槽，分别用于安装超导隧道结芯片、中频匹配电路板和超导隧道结偏置电路板；

13、金属模块外部包含位于侧面的两个mdm连接器、sma连接器、馈源天线、以及位于背面的两个电磁线圈；其中，两个mdm连接器与超导隧道结偏置电路板连接，用于为超导隧道结提供偏置并获取超导隧道结电流；sma连接器与中频电路板输出端连接，用于输出混频后的中频信号；馈源天线与波导结构的输入端连接，用于接收被探测信号；两个电磁线圈分别为两个超导隧道结提供磁场；

14、优选地，各电路模块之间通过超声波点焊连接。

15、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

16、1)本发明的超导隧道结平衡混频器可以充分利用本振功率，有效抑制幅度噪声，提升探测系统的稳定性；

17、2)威尔金森同相合成器实现两路信号的高效合成，由微带线和通过激光修剪的薄膜电阻构成，其两支路隔离度高，平滑度好，有高的安全系数和可靠性；

18、3)隔直电路实现直流信号的隔离和中频信号的传输，采用平行耦合微带线结构代替串联隔直电容的方式，避免了高频传输时的干扰共振和重复冷热过程导致的器件应力破坏

19、4)中频匹配电路包含带通滤波器、阻抗匹配电路等，可实现中频信号的滤波和有效传输；

20、5)滤波电路由扇形微带线构成，将中频信号与直流信号隔离，避免其影响超导隧道结的直流偏置；

21、6)采用卡槽式电路板结构，便于装配，同时减少后检修的复杂度；

22、7)两个电磁线圈分别为两个超导隧道结提供磁场，可抑制其超导约瑟夫森电流；

23、8)各电路模块之间通过超声波点焊连接，减小连接损耗。

技术特征：

1.一种超导隧道结平衡混频器，其特征在于，包括用于接收天文探测信号的馈源、用于提供混频器本振输入信号的本振源，正交耦合电桥，威尔金森同相合成器，以及两路的射频匹配电路、超导隧道结芯片、第一中频匹配电路、隔直电路和第二中频匹配电路；

2.根据权利要求1所述的一种超导隧道结平衡混频器，其特征在于，所述超导隧道结芯片包括波导探针天线、阻抗变换电路、调谐电路、超导隧道结和射频滤波器，用于进行高频信号输入、信号混频、中频信号输出及滤波。

3.根据权利要求2所述的一种超导隧道结平衡混频器，其特征在于，所述偏置滤波电路包括超导隧道结偏置电路和电磁干扰滤波器；两个超导隧道结反向偏置。

4.根据权利要求1所述的一种超导隧道结平衡混频器，其特征在于，所述隔直电路采用平行耦合微带线结构。

5.根据权利要求1所述的一种超导隧道结平衡混频器，其特征在于，所述第一中频匹配电路、第二中频匹配电路均为微带线结构，用于实现中频信号的滤波和阻抗匹配。

6.根据权利要求1所述的一种超导隧道结平衡混频器，其特征在于，所述射频匹配电路为波导-微带转换结构，用于实现本振源与射频信号从波导到微带的耦合。

7.根据权利要求1所述的一种超导隧道结平衡混频器，其特征在于，所述威尔金森同相合成器包括微带线和薄膜电阻。

8.根据权利要求1所述的一种超导隧道结平衡混频器，其特征在于，所述馈源为亚毫米波的波纹喇叭天线。

9.根据权利要求1所述的一种超导隧道结平衡混频器，其特征在于，所述混频器的主体为拼合的金属模块，其内部设置有亚毫米波传输的波导结构、超导隧道结芯片卡槽、中频电路板卡槽和超导隧道结偏置电路板卡槽，分别用于安装超导隧道结芯片、中频匹配电路板和超导隧道结偏置电路板；

10.根据权利要求9所述的一种超导隧道结平衡混频器，其特征在于，各电路模块之间通过超声波点焊连接。

技术总结
本发明涉及一种超导隧道结平衡混频器，包括用于接收天文探测信号的馈源、用于提供混频器本振输入信号的本振源，正交耦合电桥，威尔金森同相合成器，以及两路的射频匹配电路、超导隧道结芯片、第一中频匹配电路、隔直电路和第二中频匹配电路；天文探测信号经光学传输汇聚至馈源，与本振源经正交耦合电桥分为正交的两路信号；两路信号均依次经过射频匹配电路、超导隧道结芯片、第一中频匹配电路、隔直电路和第二中频匹配电路后，经过威尔金森同相合成器合成输出平衡的中频信号。与现有技术相比，本发明充分利用本振功率，有效抑制幅度噪声，提升探测系统的稳定性。

技术研发人员：曹铎,王博勋,陈敏然,汪树勤,张毅,刘德君,刘锋,石旺舟
受保护的技术使用者：上海师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13