[发明专利]鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统及测量方法

说明书

本发明公开了一种鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统及测量方法，所述电路系统包括频综源、定向耦合器、KIDs读出电路探测器读出电路模块、混频器模块、低通滤波器、直流放大器、数据采集卡和控制计算机。相较于传统的同差混频式相位噪声测量方法，本发明鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统及测量方法，以单个宽带双平衡混频器和可调移相器为核心部件，对相位噪声测量和校准过程进行了明显简化，且测量结果精确，不低于现有技术，同时降低了所使用的频综源的功率电平，中频输出的寄生直流偏压也被显著减弱，并降低了数据处理量和硬件成本。

技术领域

本发明涉及一种用于对超导KIDs探测器相位噪声测量的电路系统及操作方法，属于太赫兹/光学技术研究领域。

背景技术

超导动态电感探测器(Kinetic Inductance Detectors,KIDs)是一种新型低温高灵敏度探测器，可用于从毫米波到太赫兹、光学/紫外、X射线、γ频段的目标成像观测。KIDs探测器核心电路主要由光子信号接收器和微波谐振器两个部分组成，根据KIDs工作原理，当外部射频信号辐照KIDs探测器，接收器接受光子能量后发生超导库珀对破裂的现象，将导致微波谐振器的动态电阻和动态电感的变化，从而引起了微波谐振器特性(Q因子、幅度、相位等)变化。通过读出电路获取微波谐振器的(幅度或相位)变化信息，即可间接探测到入射光子信号的信息特征。由于KIDs探测器微波谐振器可实现超过10⁴以上的高Q值设计，使得在一根单一的传输线上有可能耦合多个(1000)具有不同谐振频率的KIDs探测器成为可能。若采用梳状信号发生器在传输线上外加与KIDs探测器阵列单元的谐振频率一一对应的激励信号，通过频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)技术，即可同时读取KIDs探测器阵列所有输出信号。

相位噪声是表征KIDs探测器性能，并进而直接影响太赫兹成像系统整体灵敏度的主要参数之一，其重要性毋庸置疑。目前KIDs相位噪声测量硬件系统一般多采用微波正交混频器，结合低噪声放大器、功分器、可调衰减器、固定衰减器、带通滤波器、低通滤波器等辅助电路模块，通过同差混频(Homodyne)方式实现对相位噪声的测量。通过对I、Q两路正交中频输出信号的数据进行处理即可同时获得KIDs探测器的相位噪声θ(f)和幅度噪声A(f)，其计算公式可如下式：

理论和实测结果都证实，在这两种噪声中相位噪声占据主导作用，其量级通常比幅度噪声高一到两个数量级。宽带正交混频器的一般性原理框图可如图1所示，主要由两个双平衡混频器、一个3dB等相位等功分器和一个具有正交(90°)相位差的3dB等功分定向耦合器组成。具有等相位的射频信号与具有90°相位差的本振信号分别在两个双平衡混频器中进行下混频后，将输出两路具有正交相位差的中频信号I和Q。由于现有电路设计方法和加工工艺还很难在宽带内实现具有完美的等功分、90°相位差以及高隔离度的功分器和定向耦合器，因而正交混频器微波的两路正交中频输出端I、Q一般存在幅度和相位不平衡现象，且具体数值随频率发生变化的问题。这使得在对超导KIDs探测器相位噪声测量中，对正交混频器的校准成为一个繁复而且要求颇高的过程。此外，正交混频器需要同时激励两个双平衡混频器，本振激励电平较大，一方面对频综源的功率提出了较高要求，另一方面也使得中频输出端存在寄生较大的直流偏压，限制了直流放大的倍数和模-数采样电路的动态范围。

在同差混频式相位噪声测量方法中，必须同时使用I、Q两路中频输出的测量结果才能准确的获得KIDs探测器相位信息并计算其相位噪声，这主要是因为各类KIDs探测器芯片的内部结构和连接线长度的不同所导致无法预知整个系统链路的相位。如果我们在系统链路中的适当位置串入一个可调移相器，就可以总是将链路的相位调整到一个固定值(譬如0°)。此时，仅采用单路中频输出的结果也可以对相位噪声进行测量，所使用的混频器(又称之为鉴频器)个数也精简到单个，这种方法被称之为鉴频相位噪声测量方法。

发明内容