[发明专利]太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置及其分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹测量的技术领域，尤其涉及一种外差接收机本振参考信号功率分配技术，具体的说，是一种太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置及其分配方法。

背景技术

自从上世纪70年代CO分子谱线发现以来，太赫兹技术在星系、恒星形成和星际介质研究中起着重要的作用。分子云覆盖较大的天区面积，范围从几十平方角分到上百平方度。分子云的主要成分为分子气体，在所处的温度和密度下辐射的分子谱线恰好落于太赫兹波段。通过对太赫兹分子谱线的高角分辨率巡天观测，可以研究分子云的组成以及相应的演化进程。单像元外差接收机扫描如此大面积的天区，需要耗时很长时间，甚至无法完成，而外差阵列接收机的扫描速度与其像元素成正比，因此高灵敏度外差阵列接收机是研究大天区分子云的理想工具。

构建外差阵列接收机的一大关键挑战就是本振功率的分配。外差接收机是利用高灵敏度混频器的强非线性特性，将待观测的信号与本振参考信号进行混频，产生的差频（即中频)信号保留了待观测信号的幅度和相位信息，利用现有的电子学技术对其进行放大、滤波、检波等后续处理。对于单像元外差接收机，可以通过波导定向耦合器或者准光学方法实现待观测信号与本振参考信号的组合，但是外差阵列接收机具有很多个像元，实现本振参考信号的高效均匀分配具有较大的挑战。欧美国家前期建立了多套毫米波和亚毫米波段的外差阵列接收机。如基于肖特基混频器的15像元阵列接收机QUARRY，其本振参考信号的分配通过波导定向耦合器（cross-guide waveguide coupler)逐级分配到每个混频器。德国开发的基于超导隧道结混频器的16像元阵列接收机CHAMP，其本振功率分配通过傅立叶珊网(transmissive Fourier grating)将一个本振波束变换为12个波束， 然后由Martin-Puplett干涉仪实现与待测信号的耦合。最近，中国紫金山天文台研制的毫米波超导频谱阵列接收机，利用波导功分器首先将本振信号分为三路，再将每一路分为三路实现九像元本振功率分配。这些本振功率分配方案对于低频率的阵列接收机比较适合（毫米波段阵列接收机)，对于太赫兹波段阵列接收机，波导定向耦合器的尺寸与波长成正比，仅为几十微米，加工极其困难，既耗时成本也高。傅立叶珊网的加工同样要求微米极的精度，其工作带宽有限，而且多个波束之间不再平行，需要额外的光学部件，增加了结构复杂性。随着太赫兹信号源技术的发展，其输出功率越来越大，在1 THz达到100微瓦量级。如果采用量子级联激光器，在2-5 THz频段甚至达到毫瓦级。同时高灵敏度超导混频器（如超导热电子混频器)需求的本振功率为100 nW量级。这二者的发展大大降低了外差阵列接收机本振功率分配的效率要求。另外，由于受到地球大气对太赫兹辐射强吸收的影响，太赫兹外差阵列接收机通常应用于一些特殊环境（如空间应用和南极极端环境)，本振功率分配方案的简单和可靠性更加重要。因此发现简单可靠的本振功率分配技术对于实现太赫兹外差阵列接收机具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，而提供一种简单可靠的本振参考信号分配装置及其分配方法，通过多个波束分离器组合实现本振参考信号的分配。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

太赫兹外差阵列接收机本振参考信号功率分配装置，包括有本振参考信号源，其中：还包括呈阵列布设的波束分离器、与波束分离器数量相应的混频器以及负载吸收装置，波束分离器上装配有具有一定反射率和透射率的介质膜，介质膜与输出波束呈45°夹角，输出波束依次透射各个波束分离器上的介质膜，每个介质膜均反射部分输出波束与待测信号耦合后射至与之相应的混频器中，本振参考信号功率分配装置通过调整不同位置的波束分离器上的介质膜厚度改变介质膜反射率和透射率或调整混频器的最佳功率需求，使混频器接收到的本振参考信号功率与该混频器的最佳功率需求相匹配。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

上述的介质膜为低损耗高强度介质膜。

上述的介质膜为迈拉膜片。

上述的本振参考信号源的输出端放置有抛物镜，抛物镜对输出波束进行准直。

上述的本振参考信号功率分配装置通过调整每一个波束分离器的介质膜厚度，使每个介质膜反射的输出波束功率相等。

上述的本振参考信号功率分配装置通过调整混频器的微桥体积改变混频器的最佳功率需求。

上述的将介质膜紧绷到金属边框上形成波束分离器。

上述的透射过介质膜的待测信号与经介质膜反射的本振参考信号进行耦合，共同射入混频器。