專利名稱：提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)和檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信號檢測領(lǐng)域，具體涉及一種提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)和檢測方法。
背景技術(shù)：
THz波是指頻率在0. 1-lOTHz，波長在3000-30 μ m范圍內(nèi)的電磁波。它的頻帶介于微波和可見光之間，在長波段與毫米波相重合，在短波段與紅外線相重合。THz頻帶有著非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。首先，物質(zhì)的THz光譜包含有豐富的物理和化學(xué)信息，如分子的振動及轉(zhuǎn)動光譜，特別是大分子的振動光譜在THz波段有很多特征峰，研究材料在這一波段的光譜特性對于探索物質(zhì)的結(jié)構(gòu)具有重要意義。其次，THz波的光子的能量只有毫電子伏特的量級，與X射線相比，不會因為電離而破壞被探測的物質(zhì)。這些特點決定了 THz 技術(shù)的存在價值，可以預(yù)見其在材料分析測試，光譜探測，環(huán)境探測，醫(yī)療診斷，寬帶移動通訊，衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)等方面具有極大的應(yīng)用潛能。對THz信號的探測，主要有直接探測和混頻探測兩種方法。和直接探測相比，混頻探測具有很高的頻率分辨率，可以反映出信號頻譜的細(xì)節(jié)。在太赫茲頻段最常用的三種混頻器是肖特基二極管混頻器，超導(dǎo)隧道結(jié)(SIQ混頻器和超導(dǎo)熱電子測輻射熱儀(HEB)混頻器。肖特基二極管以半導(dǎo)體-金屬結(jié)為依托，和低頻率下使用的經(jīng)典pn結(jié)二極管相比，有很小的結(jié)電容。利用它非線性的電壓電流特性，可以用作在微波和太赫茲頻段的混頻
ο超導(dǎo)遂道結(jié)混頻器是利用當(dāng)偏置在能隙電壓附近時，光子參與的準(zhǔn)粒子遂道效應(yīng)來混頻。對于超導(dǎo)材料，當(dāng)溫度降低到一定程度后，材料的電阻為零，此時為超導(dǎo)態(tài)。電阻從不為零的正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)，是在一個有限的溫度間隔內(nèi)完成的。通常把樣品電阻降至1/2 正常態(tài)電阻的溫度定義為超導(dǎo)體的臨界溫度。當(dāng)超導(dǎo)體處于臨界溫度附近時，電阻對溫度的變化十分敏感，而外界的電磁輻射經(jīng)過耦合路徑，可以被超導(dǎo)薄膜吸收，從而改變超導(dǎo)體的溫度，利用此原理可以制成超導(dǎo)測輻射熱儀。對于氮化鈮(NbN)材料的超導(dǎo)薄膜，在有太赫茲輻射的情況下，Cooper對破壞形成準(zhǔn)粒子，在很低的工作溫度下，電子和聲子在一定程度上是退耦的。電子可以有一個比晶格(聲子)高的均衡溫度，因此它們被稱為“熱電子”。 基于此原理，發(fā)明了超導(dǎo)熱電子測輻射熱儀混頻器(HEB)。肖特基二極管混頻器的缺點是需要很大的本振功率，約數(shù)毫瓦量級。而且噪聲溫度很高，尤其是在高頻的情況下。SIS結(jié)混頻器的缺點是有較大的結(jié)電容，需要調(diào)諧電路，而且在高頻的情況下，光子能量超過2倍能隙時性能下降。所以在ITHz頻率以上，目前噪聲溫度最低的是HEB混頻器。HEB混頻器有工作頻率不受超導(dǎo)能隙限制的優(yōu)點，而且電抗小， 沒有內(nèi)部的分流電容，不需要調(diào)諧電路。需要的本振功率極小，在幾十納瓦的量級。為了探測微弱的信號，要求混頻器的溫度分辨率越小越好?；祛l器的溫度分辨率由噪聲溫度和穩(wěn)定性決定。探測一個微弱的信號，為達(dá)到一定的信噪比，一個簡單的方法是增加積分時間。但是實際系統(tǒng)中不僅僅有白噪聲，還存在漂移噪聲等，所以隨著積分時間的增加，存在一個時間值使得溫度分辨率最低。這個時間稱為艾倫時間，積分時間超過艾倫時間不會提高溫度分辨率。艾倫時間越長，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。HEB混頻器的穩(wěn)定性差于SIS結(jié)混頻器。HEB混頻器的不穩(wěn)定主要是由本振信號功率的漂移引起的。在SIS結(jié)混頻器的工作點，本振信號通常為飽和狀態(tài)，所以中頻輸出對本振功率的漂移不敏感。而在HEB混頻器的最佳工作點，中頻輸出對本振功率的漂移很敏感。所以高靈敏HEB混頻器的穩(wěn)定性是一個需要解決的問題。以往的研究集中在使高靈敏太赫茲混頻器降低噪聲溫度，從而提高溫度分辨率， 但沒有考慮到本振信號功率不穩(wěn)定，和其他相關(guān)的一些因素，這些因素使混頻器的工作點不穩(wěn)定，從而對混頻器性能帶來影響，使得混頻器的溫度分辨率變差。而在實際使用混頻器的過程當(dāng)中，是肯定會遇到這些情況的。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)和檢測方法，大為提高高靈敏太赫茲混頻器在最佳工作點的穩(wěn)定性，從而提高溫度分辨率。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)，包括太赫茲頻段本振信號源、光束分離器、硅透鏡、混頻器、同軸三通接頭、直流阻斷器、隔離器、低溫低噪聲放大器、常溫中頻放大器、帶通濾波器、用于將中頻功率轉(zhuǎn)化為直流電壓的裝置、計算機、直流偏置電源、偏置器、微波源、低溫杜瓦，所述硅透鏡、混頻器、同軸三通接頭、直流阻斷器、隔離器、低溫低噪聲放大器設(shè)于低溫杜瓦內(nèi)，太赫茲頻段本振信號源接入光束分離器，提供超外差混頻的太赫茲頻段本振信號，光束分離器為硅透鏡透射所需信號和反射太赫茲頻段本振信號，混頻器設(shè)于硅透鏡的中心位置，混頻器輸出低頻信號到同軸三通接頭，同軸三通接頭輸出中頻信號依次通過直流阻斷器、隔離器、低溫低噪聲放大器、常溫中頻放大器、帶通濾波器、用于將中頻功率轉(zhuǎn)化為直流電壓的裝置；計算機分別連接用于將中頻功率轉(zhuǎn)化為直流電壓的裝置、直流偏置電源和微波源，獲取采樣后的直流電壓信號，控制微波源輸出的微波信號功率；微波源發(fā)出的微波信號和直流偏置電源輸出的直流信號分別通過偏置器的射頻端口和直流端口接到同軸三通接頭，加到混頻器上。低溫杜瓦是低溫的容器的統(tǒng)稱，放入液氮或/和液氦等低溫媒質(zhì)，既能保持這些媒質(zhì)的低蒸發(fā)，又同時能提供樣品需要的低溫環(huán)境所述所需信號和太赫茲頻段本振信號入射方向與光束分離器平面法線可成45°還可設(shè)有電磁吸波材料，用于吸收所述光束分離器反射的所需信號及其透射的太赫茲頻段本振信號。所述光束分離器可為直徑大于2厘米的Mylar薄膜。所述混頻器可用低溫膠粘在硅透鏡中心，硅透鏡安裝在低溫杜瓦內(nèi)的冷板上，且硅透鏡和冷板有良好的熱接觸。所述微波源和偏置器之間還可設(shè)有衰減器，微波源發(fā)出的微波信號經(jīng)過衰減器進(jìn)入偏置器。衰減器的作用是減小微波源的噪聲。本發(fā)明還提供了一種提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測方法，由計算機控制的微波源發(fā)出微波信號，通過偏置器的射頻端口接到同軸三通接頭，加到混頻器上，構(gòu)成反饋回路；通過調(diào)節(jié)微波信號的功率，補償由于太赫茲頻段本振信號功率不穩(wěn)定而帶來的混頻器工作點不穩(wěn)定。所述微波信號的頻率可遠(yuǎn)低于太赫茲頻段本振信號的頻率，且遠(yuǎn)高于中頻截止頻率；所述微波信號的功率可不高于混頻器吸收的總射頻功率的20%。所述微波信號在t時刻的微波功率P(t)的計算方法可為首先初始化微波信號的功率，然后在長度為t-τ的一段時間內(nèi)，以時間間隔At采樣，At由采樣速率決定，t為不加反饋回路的系統(tǒng)的艾倫時間的1. 5-2. 5倍，經(jīng)過長度為t的時間后，按下式計算微波功率 P(t)
權(quán)利要求
1.一種提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括太赫茲頻段本振信號源、光束分離器、硅透鏡、混頻器、同軸三通接頭、直流阻斷器、隔離器、低溫低噪聲放大器、常溫中頻放大器、帶通濾波器、用于將中頻功率轉(zhuǎn)化為直流電壓的裝置、計算機、直流偏置電源、偏置器、微波源、低溫杜瓦，所述硅透鏡、混頻器、同軸三通接頭、直流阻斷器、隔離器、低溫低噪聲放大器設(shè)于低溫杜瓦內(nèi)，太赫茲頻段本振信號源接入光束分離器，提供超外差混頻的太赫茲頻段本振信號，光束分離器為硅透鏡透射所需信號和反射太赫茲頻段本振信號，混頻器設(shè)于硅透鏡的中心位置，混頻器輸出低頻信號到同軸三通接頭，同軸三通接頭輸出中頻信號依次通過直流阻斷器、隔離器、低溫低噪聲放大器、常溫中頻放大器、帶通濾波器、用于將中頻功率轉(zhuǎn)化為直流電壓的裝置；計算機分別連接用于將中頻功率轉(zhuǎn)化為直流電壓的裝置、直流偏置電源和微波源，獲取采樣后的直流電壓信號，控制微波源輸出的微波信號功率；微波源發(fā)出的微波信號和直流偏置電源輸出的直流信號分別通過偏置器的射頻端口和直流端口接到同軸三通接頭，加到混頻器上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述所需信號和太赫茲頻段本振信號入射方向與光束分離器平面法線成45°角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)，其特征在于還設(shè)有電磁吸波材料，用于吸收所述光束分離器反射的所需信號及其透射的太赫茲頻段本振信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述光束分離器為直徑大于2厘米的Mylar薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述混頻器用低溫膠粘在硅透鏡中心，硅透鏡安裝在低溫杜瓦內(nèi)的冷板上，且硅透鏡和冷板有良好的熱接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)，其特征在于所述微波源和偏置器之間還設(shè)有衰減器，微波源發(fā)出的微波信號經(jīng)過衰減器進(jìn)入偏置器。
7.一種利用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測方法，其特征在于，由計算機控制的微波源發(fā)出微波信號，通過偏置器的射頻端口接到同軸三通接頭，加到混頻器上，構(gòu)成反饋回路；通過調(diào)節(jié)微波信號的功率，補償由于太赫茲頻段本振信號功率不穩(wěn)定而帶來的混頻器工作點不穩(wěn)定。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測方法，其特征在于，所述微波信號的頻率遠(yuǎn)低于太赫茲頻段本振信號的頻率，且遠(yuǎn)高于中頻截止頻率；所述微波信號的功率不高于混頻器吸收的總射頻功率的20%。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測方法，其特征在于，所述微波信號在t時刻的微波功率P (t)的計算方法如下首先初始化微波信號的功率，然后在長度為t-τ的一段時間內(nèi)，以時間間隔At采樣，At由采樣速率決定，t為不加反饋回路的系統(tǒng)的艾倫時間的1. 5-2. 5倍，經(jīng)過長度為t的時間后，按下式計算微波功率P (t)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)，包括太赫茲頻段本振信號源、光束分離器、硅透鏡、混頻器、同軸三通接頭、直流阻斷器、隔離器、低溫低噪聲放大器、常溫中頻放大器、帶通濾波器、用于將中頻功率轉(zhuǎn)化為直流電壓的裝置、計算機、直流偏置電源、偏置器、微波源、低溫杜瓦。本發(fā)明還公開了一種提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測方法。本發(fā)明使用一個反饋回路控制遠(yuǎn)低于太赫茲頻率的微波功率以補償太赫茲本振功率的不穩(wěn)定，以HEB混頻器為例，可以將混頻器的艾倫時間從約1秒提高到約10秒，溫度分辨率提高30％。
文檔編號G01N22/00GK102323220SQ201110143538
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者吳培亨, 姜奕, 康琳, 許偉偉, 陳健 申請人:南京大學(xué)