[實(shí)用新型]提高高靈敏太赫茲混頻器穩(wěn)定性的檢測(cè)系統(tǒng)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201120181962.3
• 申請(qǐng)日: 2011-05-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN202092971U
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜奕;陳健;康琳;許偉偉;吳培亨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N22/00
• 分類號(hào): G01N22/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于信號(hào)檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

THz波是指頻率在0.1-10THz，波長(zhǎng)在3000-30μm范圍內(nèi)的電磁波。它的頻帶介于微波和可見(jiàn)光之間，在長(zhǎng)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(jià)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(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，特別是大分子的振動(dòng)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(duì)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(jí)，與X射線相比，不會(huì)因?yàn)殡婋x而破壞被探測(cè)的物質(zhì)。這些特點(diǎn)決定了THz技術(shù)的存在價(jià)值，可以預(yù)見(jiàn)其在材料分析測(cè)試，光譜探測(cè)，環(huán)境探測(cè)，醫(yī)療診斷，寬帶移動(dòng)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(duì)THz信號(hào)的探測(cè)，主要有直接探測(cè)和混頻探測(cè)兩種方法。和直接探測(cè)相比，混頻探測(cè)具有很高的頻率分辨率，可以反映出信號(hào)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)(SIS)混頻器和超導(dǎo)熱電子測(cè)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器。

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(shí)，光子參與的準(zhǔn)粒子遂道效應(yīng)來(lái)混頻。

對(duì)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(shí)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(gè)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(shí)，電阻對(duì)溫度的變化十分敏感，而外界的電磁輻射經(jīng)過(guò)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(cè)輻射熱儀。對(duì)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(duì)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(gè)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，實(shí)用新型了超導(dǎo)熱電子測(cè)輻射熱儀混頻器(HEB)。

肖特基二極管混頻器的缺點(diǎn)是需要很大的本振功率，約數(shù)毫瓦量級(jí)。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(diǎn)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(guò)2倍能隙時(shí)性能下降。所以在1THz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(diǎn)，而且電抗小，沒(méi)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(jí)。

為了探測(cè)微弱的信號(hào)，要求混頻器的溫度分辨率越小越好。混頻器的溫度分辨率由噪聲溫度和穩(wěn)定性決定。探測(cè)一個(gè)微弱的信號(hào)，為達(dá)到一定的信噪比，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是增加積分時(shí)間。但是實(shí)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(shí)間的增加，存在一個(gè)時(shí)間值使得溫度分辨率最低。這個(gè)時(shí)間稱為艾倫時(shí)間，積分時(shí)間超過(guò)艾倫時(shí)間不會(huì)提高溫度分辨率。艾倫時(shí)間越長(zhǎng)，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(hào)功率的漂移引起的。在SIS結(jié)混頻器的工作點(diǎn)，本振信號(hào)通常為飽和狀態(tài)，所以中頻輸出對(duì)本振功率的漂移不敏感。而在HEB混頻器的最佳工作點(diǎn)，中頻輸出對(duì)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(gè)需要解決的問(wèn)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(méi)有考慮到本振信號(hào)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(diǎn)不穩(wěn)定，從而對(duì)混頻器性能帶來(lái)影響，使得混頻器的溫度分辨率變差。而在實(shí)際使用混頻器的過(guò)程當(dāng)中，是肯定會(huì)遇到這些情況的。

實(shí)用新型內(nèi)容

實(shí)用新型目的：針對(duì)上述現(xiàn)有存在的問(wèn)題和不足，本實(shí)用新型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(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)方法，大為提高高靈敏太赫茲混頻器在最佳工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，從而提高溫度分辨率。