[发明专利]基于里德堡原子跃迁的超低噪声射频接收机的设计方法

权利要求书

1.基于里德堡原子跃迁的超低噪声射频接收机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据里德堡原子跃迁来接收信号的机理，在传统射频天线前端设置里德堡蒸汽池；确定接收机的射频信号的类型及角频率；具体过程为：

首先，根据里德堡原子跃迁来接收信号的机理：要求放大的射频信号的频率需是两个里德堡原子能级跃迁的玻尔频率，而线性调频信号其频率随时间是变化的，不满足能级之间的跃迁规则，因此，接收机的射频信号的类型为相位编码载频；

然后，里德堡接收机接收的相位编码形式的射频信号的表达式为：

其中，E₀是相位编码信号的幅度，N₀是码元个数，是第k个码元的相位，T_p是码元宽度，ω_RF是射频信号的角频率，则ω_RF应满足：

其中，为约化普朗克常数，其值为1.0546×10^-34J·s；E_m和E_n分别为里德堡能级；

步骤2，建立接收机中基于里德堡原子跃迁的能级系统，确定系统中各能级的种类和能量关系，并根据耦合能级，确定耦合激光的角频率；

步骤3，根据各能级确定对应的激光束，激光束照射里德堡蒸汽池以使各能级上的粒子被激光激励，并计算蒸汽池的输出微波功率；具体为：

首先，当系统处于稳态时，各个能级上的粒子数不随时间变化，设定系统有五个能级，各能级是非简并的，则各能级上的粒子数为：

其中，n₁表示E₁能级上的粒子数，n₃和n₄分别为里德堡能级E₃、E₄上的粒子数；n₂和n₅分别为中间能级E₂、E₅上的粒子数；τ₂为E₂能级的寿命，W_ij表示从E_i能级到E_j能级的受激跃迁几率，N为总粒子数；

然后，设定入射射频电场的功率为P_in，照射到长为l，宽为w的里德堡蒸汽池上时，输出的微波功率为：

当失谐很小时，每个码元产生的受激跃迁的平均几率为：

其中，表示从E₃到E₄的跃迁偶极矩，Z₀为自由空间阻抗，为120πΩ；T_p为码元宽度；为约化普朗克常数，其值为1.0546×10^-34J·s；

每个码元产生的受激跃迁的平均几率由两部分组成：

W₃₄＝B₃₄·I_sig(ω)

其中，为爱因斯坦B系数，为射频电场的能量密度；

步骤4，根据蒸汽池的输出微波功率，计算粒子经过里德堡蒸汽池后的信号增益；根据里德堡蒸汽池的最小增益要求，确定系统所需的最小总粒子数；至此得到超低噪声射频接收机的所有设计参数，完成超低噪声射频接收机的设计；所述里德堡蒸汽池的最小增益要求为：经里德堡蒸汽池放大后的信号功率应大于热噪声功率；

即满足：

P_out＞kTB

其中，k是玻尔兹曼常数1.380649×10^-23J/K，T是工作时的开尔文温度，kT表示热噪声；B为接收机带宽；

所以里德堡蒸汽池的最小增益要求为：

其中，P_in为输入的信号功率。