[发明专利]毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机

说明书

技术领域

本发明属于一种无线电接收系统，特别是一种工作在毫米波、亚毫米波频段的大规模、高集成度阵列接收机系统。

背景技术

具有空间成像能力的多像元探测技术广泛应用于光学、红外波段（比如CCD相机）。随着天文观测、航天遥感等领域迅速增长的成像需求，微波、毫米波、亚毫米波等波段的阵列接收机技术的重要性日益突出。

根据接收机的频谱分辨能力，阵列接收机分为两种基本类型：具有高频谱分辨能力的外差型接收机和成像但缺乏频谱分辨能力的非相干接收机。后者仅接收信号的强度而丢失了信号中精确的“颜色”（或频谱）信息（好处是系统简单且灵敏度高），更接近于光学和红外的相机。外差型接收机借助于已知的参考信号（本振），不但可以获得信号的总强度，而且还能获得信号的频谱。由于频谱信息包含了被测量对象（射电源）的物理化学信息，是天体物理、大气探测、安全检测等应用中的关键信息，所以外差型阵列接收机具有非相干阵列接收机无法提供的探测能力。由于所探测的目标很多具有延展的分布，为了得到它们的影像必须通过逐点扫描的方式来实现。阵列接收机具有多个像元同时成像的能力，能够成倍提高成像的速度，成为天体物理、大气探测、安全检测等应用中的必须设备。

外差型阵列接收机需要参考信号，因此结构上比较复杂。受到射电天文学发展的驱动，毫米波、亚毫米波外差式阵列接收机首先在射电天文望远镜上获得应用。目前国际范围内已经建成的外差式阵列接收机总结于表1。这些已经建成的外差式阵列接收机的共同特点是它们都由独立接收单元拼合构成。一个典型的例子就是（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.）。除了共用参考信号外，像元之间不论从机械结构还是电气连接都是独立的，可以看成是多个单像元接收机的拼合。我们称这种阵列接收机为“拼接型”阵列接收机。正因为采用了这种简单的拼接技术，阵列接收机的结构复杂、机械连接和电气连接点繁多、可靠性低，因此难以实现更大规模的阵列。

表1、国际上已有的毫米波、太赫兹超导混频阵列接收机，包括我国13.7米毫米波望远镜上装备的SSAR外差式阵列接收机。

 

 无论是射电天文观测还是对于安全检测成像等应用，现有的阵列规模远远不能满足需求。以我国德令哈13.7m毫米波射电望远镜上使用的9波束接收机-超导成像频谱仪（SSAR）系统为例，虽然它的观测效率已经比原来单波束接收机提高了20多倍，但要完成银河系银道面附近的全覆盖成像仍需要数十年的时间。因此，显著增加阵列规模成为这个技术领域的一个重要方向。

用已有的拼接技术构成阵列接收机的方法只能实现小规模的阵列，像元数量在25以内。随着像元数量的增加，一个主要的技术限制是拼接集成的难度上升，造成像元间的机械连接和电气连接困难，性能的均匀性和整体的可靠性下降。另一个原因是公共参考信号（本振）分配的难度增加。在毫米波频段，尚可以实现复杂的波导型分配网络来实现本振的配布，比如SSAR上所采用的本振分配网络（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.）；在亚毫米波频段只能使用体积较大的准光学分配方式，难以实现系统的小型化，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.）。这些限制仍然来源于拼接技术的单像元集成本质。因此，为了实现大规模的阵列，技术上就要改变原有的拼接模式，采用新的“集成型”相干阵列接收机的设计。