基于单一混频器的太赫兹相干检测系统和方法

摘要

本发明涉及基于单一混频器的太赫兹相干检测系统和方法，基于单一混频器的太赫兹相干检测系统，由第一波束分离器、第二波束分离器、太赫兹混频器、中频放大单元、太赫兹参考源、太赫兹信号源、锁相单元、频谱处理单元和偏置单元组成，第一波束分离器、第二波束分离器、太赫兹混频器和中频放大单元依次连接，中频放大单元输出端分别和锁相单元和频谱处理单元输入端连接，锁相单元输出信号依次至太赫兹信号源、第一波束分离器，太赫兹参考源输出信号至第二波束分离器，偏置单元包括第一偏置单元和第二偏置单元，第一偏置单元和太赫兹混频器连接，第二偏置单元和中频放大单元连接。本发明基于单一混频器就实现太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测。

说明书

技术领域

本发明涉及信号源锁相和信号相干检测技术，特别是一种基于单一混频器同时实现太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测的系统和方法。

背景技术

相干检测（超外差混频）是通过被检测信号与本振参考信号之间差频实现信号检测。相干检测可同时获取被检测信号的幅度和相位信息，并可实现高分辨率信号检测（如分子谱线信号检测）。目前相干检测已经被广泛应用于射电天文等领域。

太赫兹相干检测系统由太赫兹信号源、太赫兹混频器以及中频信号处理系统等组成。目前常用太赫兹信号源主要包括固体半导体源、气体激光器和量子级联激光器等。然而当射电天文越来越向高频段发展，有些太赫兹信号源将难以满足实际应用需求，如固体半导体源，其受寄生电抗效应限制，在1.5 THz以上频段信号输出功率急剧降低, 已难以满足太赫兹混频器（包括超导混频器）本振需求。而红外气体激光器由于输出功率稳定性不高，并且体积较大，也难以适合实际天文应用。近年来，量子级联激光器在输出功率，输出频率和工作温度等各个方面均取得显著突破，已成为太赫兹高频段（如1.5 THz以上频段）本振信号源的重要选择之一。但是，此类太赫兹信号源自由振荡时的工作频率通常会受外在因素（如工作温度和偏置源电流噪声等）影响，在实际天文应用中需要对其进行锁相处理来稳定其输出频率。为此，欧美等发达国家正积极开展高频段太赫兹信号源锁相技术研究。

对信号源的锁相通常可以利用谐波混频器实现，例如利用肖特基谐波混频器实现固体半导体源（如耿式振荡器和倍频器组合）的锁相。在太赫兹高频段（如1.5 THz以上频段），谐波混频器(如肖特基谐波混频器)的谐波混频效率急剧降低，利用谐波混频器实现太赫兹高频段信号源锁相将变得非常困难。目前太赫兹高频段信号源的锁相通常是基于混频器基波混频实现，例如德国KOSMA小组和荷兰SRON小组基于超导热电子混频器基波混频分别实现了1.5 THz和2.7 THz量子级联激光器锁相。

如图1所示，现有的太赫兹相干检测系统由太赫兹相干检测子系统1和太赫兹信号锁相子系统2组成，太赫兹相干检测单元1由被检信号、波束分离器、太赫兹混频器、中频放大单元和频谱处理单元组成，太赫兹信号锁相单元2由太赫兹参考源、波束分离器、太赫兹混频器、中频放大单元、锁相单元和太赫兹信号源组成。在这个太赫兹相干检测系统中设有两个太赫兹混频器，其中一个混频器用于太赫兹信号源锁相，另一个混频器用于太赫兹信号相干检测，这将使太赫兹相干检测系统结构变得复杂，特别是使用超导混频器（如超导热电子混频器，其工作温度通常为4 K），需要额外辅助制冷设备。另外，使用两个太赫兹混频器也相应需要两套中频放大单元，复杂结构将给太赫兹相干检测系统的可靠工作带来不确定性。

发明内容

为了简化现有太赫兹相干检测（使用两个太赫兹混频器）系统，本发明将提供一种基于单一混频器同时实现太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测系统和方法。本发明在信号源锁相和信号相干检测中共用太赫兹混频器及相应中频放大单元，可以简化太赫兹相干检测系统结构，提高检测系统工作稳定性和可靠性，为实现太赫兹信号稳定相干检测打下重要基础。

为了完成上述发明任务，即基于单一混频器同时实现太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测，本发明的一个技术方案如下：

基于单一混频器的太赫兹相干检测系统，由第一波束分离器、第二波束分离器、太赫兹混频器、中频放大单元、太赫兹参考源、太赫兹信号源、锁相单元、频谱处理单元和偏置单元组成，第一波束分离器、第二波束分离器、太赫兹混频器和中频放大单元依次连接，中频放大单元输出端分别和锁相单元和频谱处理单元输入端连接，锁相单元输出信号至太赫兹信号源，太赫兹信号源输出信号至第一波束分离器，太赫兹参考源输出信号至第二波束分离器，偏置单元包括第一偏置单元和第二偏置单元，第一偏置单元和太赫兹混频器连接，第二偏置单元和中频放大单元连接；

其中，第一波束分离器、第二波束分离器、太赫兹信号源、太赫兹参考源、太赫兹混频器、第一和第二偏置单元及锁相单元构成太赫兹信号源锁相子系统，实现太赫兹信号源锁相；第一波束分离器、太赫兹信号源、太赫兹参考源、太赫兹混频器、第一和第二偏置单元及锁相单元构成太赫兹信号相干检测子系统，实现太赫兹信号相干检测。

本发明中太赫兹信号源锁相子系统和太赫兹信号相干检测子系统共用太赫兹混频器、中频放大单元以及相应的偏置单元。本发明利用第一波束分离器将太赫兹信号源输出信号和被检测信号耦合至太赫兹混频器，同时利用第二波束分离器将太赫兹信号源锁相所需太赫兹参考源输出信号耦合至太赫兹混频器。这里选择波束分离器的反射方式将太赫兹信号源锁相所需太赫兹参考源输出信号耦合至太赫兹混频器，是因为波束分离器的传输效率通常较高（大于95%），在被检测信号的传输路径中增加一个波束分离器将不会对相干检测系统的性能产生明显影响。在此系统中，太赫兹混频器同时实现太赫兹信号源输出信号和被检测信号混频，以及太赫兹信号源输出信号与信号源锁相所需太赫兹参考源输出信号混频，混频后的中频信号先经过中频放大单元，然后利用功分器分为两路，一路连接频谱处理单元，另一路连接锁相单元。对于太赫兹混频器，常用的中频放大单元主要包括低温低噪声放大器和常温中频放大器。

所述频谱处理单元包括L/S波段混频器、L/S波段信号源、中频放大器和滤波器和频谱仪（如数字FFT频谱仪），L/S波段混频器接收中频放大单元信号和L/S波段信号源输出信号依次输出至L/S波段中频放大器、滤波器和频谱仪。

所述锁相单元通常由L/S波段混频器、L/S波段信号源、锁相环路模块和微波参考信号源（如100 MHz参考信号源）构成，L/S波段混频器接受中频放大单元信号和L/S波段信号源信号，输出信号至锁相环路模块，微波参考信号源输出信号至锁相环路模块。太赫兹信号源锁相过程中，信号源输出信号和与其输出频率相近的参考源输出信号经过太赫兹混频器混频，混频后的中频信号先经过中频放大单元放大，然后经过功分器分为两路，其中一路下变频至微波频段（如100 MHz附近）进行锁相处理从而实现太赫兹信号源锁相。同时，太赫兹信号源输出信号与被检测信号也经过太赫兹混频器混频，混频后的中频信号先经过中频放大单元放大，然后经过功分器送至频谱处理单元进行频谱处理从而实现太赫兹信号的相干检测。

对于太赫兹信号源锁相中所需参考源的选择，可以利用固态半导体源的高次谐波, 例如对于2.7 THz太赫兹信号源的锁相，可以利用900 GHz频段固态半导体源(如频率综合器和倍频链组合)的三次谐波。固态半导体源在太赫兹频段使用广泛，其输出功率稳定，输出频率可调(通常有10%调谐带宽)，并且固态半导体源通常都存在高次谐波，可作为太赫兹信号源锁相中所需参考源。另外，太赫兹相干检测系统中通常会在检测信号传输路径中（如太赫兹混频器之前）加带通滤波器来抑制太赫兹混频器（如超导热电子混频器）的直接检波效应，固态半导体源的基波信号频率一般在此滤波器的带通频带之外，所以利用固态半导体源的高次谐波作为太赫兹参考源，其基波信号不会对太赫兹混频器的工作状态产生影响。

实现本发明目的的另一技术方案是：基于单一混频器的太赫兹相干检测方法，包括锁相步骤和相干检测步骤，其中，

锁相步骤如下：

1). 第一和第二波束分离器分别将太赫兹信号源输出信号和与信号源输出频率相近的太赫兹参考源输出信号耦合至超导热电子混频器；

2). 中频放大单元将超导热电子混频器差频后的中频信号放大；

3). 功分器将放大后的中频信号送至锁相单元；

4). 锁相单元中L/S波段的混频器将中频信号与L/S波段信号源输出信号混频，混频后的信号与锁相模块中参考源信号（如100 MHz微波信号）共同进入PLL锁相环路模块；

5). PLL锁相环路模块中的鉴相器将下变频后的信号和微波参考信号（如100 MHz 微波信号）进行频率和相位的比较，产生一个误差信号；

6). PLL锁相环路模块中环路滤波器将误差信号滤除高频成分，然后作为调谐电压反馈给太赫兹信号源，修正太赫兹信号源的直流偏置电流，稳定太赫兹信号源的输出频率，从而实现太赫兹信号源锁相；

相干检测步骤如下：

1）第一波束分离器将被检测信号和太赫兹信号源输出信号耦合至太赫兹混频器；

2）中频放大单元将太赫兹混频器差频后的中频信号放大；

3）功分器将放大后的中频信号送至频谱处理单元；

4）频谱处理单元中L/S波段的混频器将中频信号下变频；

5）频谱处理单元中L/S波段的放大器将下变频后的信号进行放大处理，最终将合适的信号送至后端频谱分析系统(如FFT频谱仪)进行谱线分析处理，从而实现太赫兹频段信号相干检测。

本发明有益的效果是基于单一混频器同时实现太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测。与包含两个太赫兹混频器（特别是对于使用超导混频器）的相干检测系统相比，本发明因为在太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测过程中，只使用单一太赫兹混频器并共用中频放大单元（对于超导混频器，中频放大单元通常包含低温低噪声放大器和常温中频放大器）及相应的直流偏置单元，其简化了太赫兹相干检测系统结构，提高了检测系统的可靠性和稳定性。另外，本发明还提供了太赫兹信号源锁相中所需参考信号源的选择，即利用固态半导体源（如频率综合器和倍频链组合)的高次谐波作为锁相参考信号源。

附图说明

图1是传统太赫兹相干检测系统框图；

图2是本发明实施例系统框图。

具体实施方式

现结合附图2与实施例作进一步说明。

如图2所示，基于单一混频器的太赫兹相干检测系统，由第一波束分离器2、第二波束分离器3、太赫兹混频器5、中频放大单元8、太赫兹参考源6、太赫兹信号源7、锁相单元10、频谱处理单元11、第一偏置单元4和第二偏置单元9组成，第一波束分离器2、第二波束分离器3、太赫兹混频器5和中频放大单元8依次连接，中频放大单元8输出端分别和锁相单元10和频谱处理单元11输入端连接，锁相单元10输出信号至太赫兹信号源7，太赫兹信号源7输出信号至第一波束分离器2，太赫兹参考源6输出信号至第二波束分离器3，第一偏置单元4和太赫兹混频器5连接，第二偏置单元9和中频放大单元8连接。太赫兹信号源7采用2.7 THz量子级联激光器，太赫兹参考源6采用900 GHz频段固态半导体源，太赫兹混频器5采用超导热电子混频器。

本实施例中，由第一波束分离器2、第二波束分离器3、太赫兹信号源7、太赫兹参考源6、太赫兹混频器5、中频放大单元8，第一和偏置单元4第二偏置单元9和锁相单元10构成太赫兹信号源锁相系统，实现太赫兹信号源锁相。由第一波束分离器2、太赫兹信号源7、太赫兹参考源6、太赫兹混频器5、第一偏置单元4、第二偏置单元9及锁相单元10构成太赫兹信号相干检测子系统，实现太赫兹信号相干检测。两个子系统共用太赫兹混频器5（超导热电子混频器），中频放大单元8以及第一偏置单元4、第二偏置单元9。

其中，基于单一混频器的太赫兹相干检测系统实现2.7 THz 量子级联激光器锁相步骤如下：

1). 第一波束分离器2和第二波束分离器3分别将2.7 THz 量子级联激光器7输出信号和与信号源输出频率相近的太赫兹参考源（900 GHz频段固态半导体源6的三次谐波）输出信号耦合至超导热电子混频器5。

2). 中频放大单元8将超导热电子混频器5差频后的中频信号放大。

3). 功分器将放大后的中频信号送至锁相单元10。

4). 锁相单元10中L/S波段的混频器将中频信号与L/S波段信号源输出信号混频，混频后的信号与锁相模块中参考源信号（如100 MHz微波信号）共同进入PLL锁相环路模块。

5). PLL锁相环路模块中的鉴相器将下变频后的信号和微波参考信号（如100 MHz 微波信号）进行频率和相位的比较，产生一个误差信号。

6). PLL锁相环路模块中环路滤波器将误差信号滤除高频成分，然后作为调谐电压反馈给量子级联激光器7，修正量子级联激光器7的直流偏置电流，稳定量子级联激光器7的输出频率，从而实现2.7 THz 量子级联激光器7锁相。

基于单一混频器的太赫兹相干检测系统实现2.7 THz频段信号相干检测步骤如下：

1）第一波束分离器2将2.7 THz频段被检测信号1和2.7 THz 量子级联激光器7输出信号耦合至超导热电子混频器5。

2）中频放大单元8将超导热电子混频器5差频后的中频信号放大。

3）功分器将放大后的中频信号送至频谱处理单元11。

4）频谱处理单元11中L/S波段的混频器将中频信号下变频。

5）频谱处理单元11中L/S波段的放大器将下变频后的信号进行放大处理，最终将合适的信号送至后端频谱分析系统(如FFT频谱仪)进行谱线分析处理，从而实现2.7 THz频段信号相干检测。