[發(fā)明專利]鑒頻式KIDs探測器相位噪聲測量電路系統(tǒng)及測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811148697.1
• 申請日: 2018-09-29
• 公開（公告）號: CN109270375B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊瑾屏;史生才;林鎮(zhèn)輝;段文英;李婧;李升;胡潔;石晴;呂偉濤;李陟
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院紫金山天文臺
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00;G01J1/42
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮;金子娟

本發(fā)明公開了一種鑒頻式KIDs探測器相位噪聲測量電路系統(tǒng)及測量方法，所述電路系統(tǒng)包括頻綜源、定向耦合器、KIDs讀出電路探測器讀出電路模塊、混頻器模塊、低通濾波器、直流放大器、數(shù)據(jù)采集卡和控制計算機(jī)。相較于傳統(tǒng)的同差混頻式相位噪聲測量方法，本發(fā)明鑒頻式KIDs探測器相位噪聲測量電路系統(tǒng)及測量方法，以單個寬帶雙平衡混頻器和可調(diào)移相器為核心部件，對相位噪聲測量和校準(zhǔn)過程進(jìn)行了明顯簡化，且測量結(jié)果精確，不低于現(xiàn)有技術(shù)，同時降低了所使用的頻綜源的功率電平，中頻輸出的寄生直流偏壓也被顯著減弱，并降低了數(shù)據(jù)處理量和硬件成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于對超導(dǎo)KIDs探測器相位噪聲測量的電路系統(tǒng)及操作方法，屬于太赫茲/光學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)

超導(dǎo)動態(tài)電感探測器(Kinetic Inductance Detectors,KIDs)是一種新型低溫高靈敏度探測器，可用于從毫米波到太赫茲、光學(xué)/紫外、X射線、γ頻段的目標(biāo)成像觀測。KIDs探測器核心電路主要由光子信號接收器和微波諧振器兩個部分組成，根據(jù)KIDs工作原理，當(dāng)外部射頻信號輻照KIDs探測器，接收器接受光子能量后發(fā)生超導(dǎo)庫珀對破裂的現(xiàn)象，將導(dǎo)致微波諧振器的動態(tài)電阻和動態(tài)電感的變化，從而引起了微波諧振器特性(Q因子、幅度、相位等)變化。通過讀出電路獲取微波諧振器的(幅度或相位)變化信息，即可間接探測到入射光子信號的信息特征。由于KIDs探測器微波諧振器可實(shí)現(xiàn)超過10⁴以上的高Q值設(shè)計，使得在一根單一的傳輸線上有可能耦合多個(1000)具有不同諧振頻率的KIDs探測器成為可能。若采用梳狀信號發(fā)生器在傳輸線上外加與KIDs探測器陣列單元的諧振頻率一一對應(yīng)的激勵信號，通過頻分復(fù)用FDM(Frequency Division Multiplexing)技術(shù)，即可同時讀取KIDs探測器陣列所有輸出信號。

相位噪聲是表征KIDs探測器性能，并進(jìn)而直接影響太赫茲成像系統(tǒng)整體靈敏度的主要參數(shù)之一，其重要性毋庸置疑。目前KIDs相位噪聲測量硬件系統(tǒng)一般多采用微波正交混頻器，結(jié)合低噪聲放大器、功分器、可調(diào)衰減器、固定衰減器、帶通濾波器、低通濾波器等輔助電路模塊，通過同差混頻(Homodyne)方式實(shí)現(xiàn)對相位噪聲的測量。通過對I、Q兩路正交中頻輸出信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可同時獲得KIDs探測器的相位噪聲θ(f)和幅度噪聲A(f)，其計算公式可如下式：

理論和實(shí)測結(jié)果都證實(shí)，在這兩種噪聲中相位噪聲占據(jù)主導(dǎo)作用，其量級通常比幅度噪聲高一到兩個數(shù)量級。寬帶正交混頻器的一般性原理框圖可如圖1所示，主要由兩個雙平衡混頻器、一個3dB等相位等功分器和一個具有正交(90°)相位差的3dB等功分定向耦合器組成。具有等相位的射頻信號與具有90°相位差的本振信號分別在兩個雙平衡混頻器中進(jìn)行下混頻后，將輸出兩路具有正交相位差的中頻信號I和Q。由于現(xiàn)有電路設(shè)計方法和加工工藝還很難在寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)具有完美的等功分、90°相位差以及高隔離度的功分器和定向耦合器，因而正交混頻器微波的兩路正交中頻輸出端I、Q一般存在幅度和相位不平衡現(xiàn)象，且具體數(shù)值隨頻率發(fā)生變化的問題。這使得在對超導(dǎo)KIDs探測器相位噪聲測量中，對正交混頻器的校準(zhǔn)成為一個繁復(fù)而且要求頗高的過程。此外，正交混頻器需要同時激勵兩個雙平衡混頻器，本振激勵電平較大，一方面對頻綜源的功率提出了較高要求，另一方面也使得中頻輸出端存在寄生較大的直流偏壓，限制了直流放大的倍數(shù)和模-數(shù)采樣電路的動態(tài)范圍。

在同差混頻式相位噪聲測量方法中，必須同時使用I、Q兩路中頻輸出的測量結(jié)果才能準(zhǔn)確的獲得KIDs探測器相位信息并計算其相位噪聲，這主要是因?yàn)楦黝怟IDs探測器芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接線長度的不同所導(dǎo)致無法預(yù)知整個系統(tǒng)鏈路的相位。如果我們在系統(tǒng)鏈路中的適當(dāng)位置串入一個可調(diào)移相器，就可以總是將鏈路的相位調(diào)整到一個固定值(譬如0°)。此時，僅采用單路中頻輸出的結(jié)果也可以對相位噪聲進(jìn)行測量，所使用的混頻器(又稱之為鑒頻器)個數(shù)也精簡到單個，這種方法被稱之為鑒頻相位噪聲測量方法。

發(fā)明內(nèi)容