[发明专利]超宽带准光型2×2像元超导热电子混频器阵列接收机

说明书

超宽带准光型2×2像元超导热电子混频器阵列接收机，由太赫兹波段本振信号源、聚焦透镜、波束分离器、超导热电子混频器阵列、低温低噪声放大器、常温中频放大器、功率计、多通道直流偏置电源及控制电脑组成。超导热电子混频器阵列由一体化的透镜阵列和一体化的超导热电子混频器芯片阵列构成，工作带宽可达0.15‑5THz，在全频带内的耦合效率高于90%。本发明无需本振信号分束结构，太赫兹波段本振信号源输出的本振信号经过特殊设计的透镜汇聚后接入超导热电子混频器阵列的焦平面并为所有像元提供本振信号功率，本振信号波束由透镜调节其束腰位置和大小，使其恰好覆盖超导热电子混频器阵列中的所有像元，从而摒弃额外的本振信号分束结构，简化了系统。

技术领域

本发明属于超导热电子混频器阵列接收机领域，具体涉及一种超宽带准光型2×2像元超导热电子混频器阵列接收机和基于该接收机的太赫兹波信号探测方法。

背景技术

太赫兹波段介于微波和红外之间，是研究星际介质、星系形成和演化、地外行星大气、以及宇宙生命起源的独特波段。这些前沿科学问题的研究是通过对观测目标中“探针”分子的高频率分辨率观测，从而理解气体的成分、丰度、密度、温度等信息。恒星形成过程涉及到多种物理过程之间非常复杂的相互作用，通过太赫兹、太赫兹波和射电波段的联合观测可以促进我们对恒星形成机制的理解。太赫兹波段天文观测对于研究星际介质的生命演化周期、原行星盘中的行星形成及黑洞同样具有非常重要的科学意义。事实上，国际上一系列重要天文观测发现，如宇宙微波背景辐射、系外行星、引力波等都与观测设备的技术进步息息相关，尤其是高灵敏度探测器技术。国际上已经提出并建立了一系列地面和空间太赫兹天文计划，如地面最大干涉阵列ALMA、Herschel空间天文卫星、APEX地面太赫兹望远镜、SOFIA机载平流层天文台、地面最大单口径毫米波望远镜LMT、下一代空间远红外望远镜OST、中国南极天文台等。这些计划所需的高灵敏度、高频率分辨率探测器是超导隧道结混频器和超导热电子混频器。太赫兹混频器在本振参考信号作用下将待测太赫兹信号变换到较低的中频（～GHz）以便于后端设备分析处理，保留了原始信号的幅度和相位信息。超导隧道结混频器利用准粒子隧穿效应实现混频，灵敏度已经达到3-5倍量子噪声极限，但是其工作频率受到超导材料的能隙限制，通常只能工作在1THz频率以下。超过1THz，目前已知唯一的候选者是超导热电子混频器。超导热电子混频器的灵敏度在整个太赫兹频段已经达到10倍量子噪声极限，个别频率点甚至突破5倍量子噪声极限。与超导隧道结混频器不同，超导热电子混频器没有能隙频率的限制，理论上可以工作到其等离子频率（高达100THz）。超导热电子混频器根据其耦合射频信号的方式不同，可分为波导型和准光型两种类型。波导型超导热电子混频器具有更好的波束特性，但是其射频带宽有限且加工成本过高。准光型超导热电子混频器通过精确的天线设计可以实现良好的波束特性和较大的射频带宽，同时加工简单，是目前主要的应用类型。

目前大部分太赫兹外差接收机采用单像元的超导混频器，观测分子谱线的两个线极化信号。为了进一步提高观测效率，从上世纪80年代开始已从单个接收单元向多个接收单元（即多像元焦平面阵列，或称焦面阵）发展。与单像元接收机相比较，多像元接收机在提高观测效率方面具有极大的优势，主要表现为：其一，成图（mapping）速率提高，一个n×m像元的多像元接收机，其成图速率可提高至单像元的n×m倍；其二，成图（mapping）数据质量（一致性）提高，我们知道在太赫兹波波段信号检测时，一般在几十秒内的天气变化对接收系统获取的观测数据都可能有显著的影响，n×m接收单元同时获取不同空间位置数据，较单接收单元在不同时刻通过扫描获取n×m的数据，其质量显然要好得多。总之，比较单像元接收系统，多像元超导接收系统获取的观测数据时，在“量”和“质”两个方面都有显著的提高，特别在接收系统受其他因素（如天气或使用周期）严重限制的应用场合就显得尤为重要。所以基于多像元超导接收系统的检测技术将会成为未来主要的太赫兹波信号检测手段。