[發明專利]毫米波、亞毫米波段集成型外差式陣列接收機

有效

• 申請號: 201210355636.9
• 申請日: 2012-09-24
• 公開（公告）號: CN102868416A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 單文磊;楊戟
• 申請（專利權）人: 中國科學院紫金山天文臺
• 主分類號: H04B1/26
• 分類號: H04B1/26
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明屬于一種無線電接收系統，特別是一種工作在毫米波、亞毫米波頻段的大規模、高集成度陣列接收機系統。

背景技術

具有空間成像能力的多像元探測技術廣泛應用于光學、紅外波段（比如CCD相機）。隨著天文觀測、航天遙感等領域迅速增長的成像需求，微波、毫米波、亞毫米波等波段的陣列接收機技術的重要性日益突出。

根據接收機的頻譜分辨能力，陣列接收機分為兩種基本類型：具有高頻譜分辨能力的外差型接收機和成像但缺乏頻譜分辨能力的非相干接收機。后者僅接收信號的強度而丟失了信號中精確的“顏色”（或頻譜）信息（好處是系統簡單且靈敏度高），更接近于光學和紅外的相機。外差型接收機借助于已知的參考信號（本振），不但可以獲得信號的總強度，而且還能獲得信號的頻譜。由于頻譜信息包含了被測量對象（射電源）的物理化學信息，是天體物理、大氣探測、安全檢測等應用中的關鍵信息，所以外差型陣列接收機具有非相干陣列接收機無法提供的探測能力。由于所探測的目標很多具有延展的分布，為了得到它們的影像必須通過逐點掃描的方式來實現。陣列接收機具有多個像元同時成像的能力，能夠成倍提高成像的速度，成為天體物理、大氣探測、安全檢測等應用中的必須設備。

外差型陣列接收機需要參考信號，因此結構上比較復雜。受到射電天文學發展的驅動，毫米波、亞毫米波外差式陣列接收機首先在射電天文望遠鏡上獲得應用。目前國際范圍內已經建成的外差式陣列接收機總結于表1。這些已經建成的外差式陣列接收機的共同特點是它們都由獨立接收單元拼合構成。一個典型的例子就是（Neal?R.?Erickson,?etc.,?“A?15?Element?Focal?Plane?Array?For?100GHz,”?IEEE?Transactions?on?Microwave?Theory?and?Techniques,?vol.?40,?1992,?pp.?1-11.）。除了共用參考信號外，像元之間不論從機械結構還是電氣連接都是獨立的，可以看成是多個單像元接收機的拼合。我們稱這種陣列接收機為“拼接型”陣列接收機。正因為采用了這種簡單的拼接技術，陣列接收機的結構復雜、機械連接和電氣連接點繁多、可靠性低，因此難以實現更大規模的陣列。

表1、國際上已有的毫米波、太赫茲超導混頻陣列接收機，包括我國13.7米毫米波望遠鏡上裝備的SSAR外差式陣列接收機。

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?無論是射電天文觀測還是對于安全檢測成像等應用，現有的陣列規模遠遠不能滿足需求。以我國德令哈13.7m毫米波射電望遠鏡上使用的9波束接收機-超導成像頻譜儀（SSAR）系統為例，雖然它的觀測效率已經比原來單波束接收機提高了20多倍，但要完成銀河系銀道面附近的全覆蓋成像仍需要數十年的時間。因此，顯著增加陣列規模成為這個技術領域的一個重要方向。

用已有的拼接技術構成陣列接收機的方法只能實現小規模的陣列，像元數量在25以內。隨著像元數量的增加，一個主要的技術限制是拼接集成的難度上升，造成像元間的機械連接和電氣連接困難，性能的均勻性和整體的可靠性下降。另一個原因是公共參考信號（本振）分配的難度增加。在毫米波頻段，尚可以實現復雜的波導型分配網絡來實現本振的配布，比如SSAR上所采用的本振分配網絡（J.?Yang,?etc.,?“The?Superconducting?Spectroscopic?Array?Receiver?for?Millimeter-Wave?Radio?Astronomy,”?in?Proc.?2008?Global?Symposium?on?Millimeter?Waves,?Eds.?Wei?Hong?&?Guangqi?Yang,?pp.?177-179,?2008.）；在亞毫米波頻段只能使用體積較大的準光學分配方式，難以實現系統的小型化，比如（K.?F.?Schuster,?etc.,?“A?230?GHz?heterodyne?receiver?array?for?the?IRAM?30m?telescope,”?Astronomy?and?Astrophysics,?423,?2004,?pp.?1171-1177.）。這些限制仍然來源于拼接技術的單像元集成本質。因此，為了實現大規模的陣列，技術上就要改變原有的拼接模式，采用新的“集成型”相干陣列接收機的設計。