一種kid探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)。所述KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)包括控制計(jì)算機(jī)、產(chǎn)生KID探測(cè)器陣列的激勵(lì)信號(hào)的波形發(fā)生器、為各電路提供時(shí)鐘電路同步信號(hào)的同步時(shí)鐘電路、以幅度檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)所述KID探測(cè)器陣列探測(cè)信號(hào)讀出的數(shù)字信號(hào)處理電路和直接與所述KID探測(cè)器陣列連接的中頻信號(hào)處理電路，所述波形發(fā)生器、所述同步時(shí)鐘電路和所述數(shù)字信號(hào)處理電路分別與所述控制計(jì)算機(jī)連接，所述中頻信號(hào)處理電路還分別與所述波形發(fā)生器、所述同步時(shí)鐘電路和所述數(shù)字信號(hào)處理電路連接。本發(fā)明的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)具備KID探測(cè)器陣列諧振器諧振頻率標(biāo)定和性能表征、以及探測(cè)信號(hào)讀出等功能。
【專利說(shuō)明】一種κ ID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng) 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 太赫茲超導(dǎo)KID(Kinetic Inductance Detector)探測(cè)器陣列是一種新型的太赫 茲高靈敏度探測(cè)器，可用于太赫茲頻段天文目標(biāo)成像觀測(cè)。KID探測(cè)器主要由太赫茲信號(hào)接 收器和微波諧振器兩個(gè)部分組成，根據(jù)KID探測(cè)器工作原理，當(dāng)外部太赫茲信號(hào)輻照KID探 測(cè)器，接收器接受太赫茲能量后，將導(dǎo)致微波諧振器的動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電感的變化，從而引 起了微波諧振器特性(Q因子參數(shù)、幅頻特性和相位等)變化。通過(guò)獲取微波諧振器特性(幅 度或相位)變化信息，可間接獲取探測(cè)信號(hào)信息。
[0003] 當(dāng)前，KID探測(cè)器陣列讀出電路系統(tǒng)中的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器采用了 FPGA和DAC數(shù)模電 路的方案，產(chǎn)生梳狀信號(hào)（多音信號(hào)），以作為KID探測(cè)器陣列的激勵(lì)信號(hào)源。該方案僅產(chǎn)生 多音信號(hào)，功能單一，且受限于采用DAC電路的帶寬和干擾信號(hào)抑制性能，使得輸出激勵(lì)信 號(hào)的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍有效(帶寬小于1GHz )，這直接限制了激勵(lì)的KID探測(cè)器陣列規(guī)模。
[0004] 而且，中頻信號(hào)調(diào)理電路采用上變頻和下變頻器多數(shù)是IQ混頻器對(duì)，或是一般雙 邊帶混頻器，并結(jié)合一些放大器、衰減器、濾波器等方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶激勵(lì)信號(hào)的頻率變換 和功率調(diào)節(jié)，以匹配KID探測(cè)器陣列的工作頻率和輸入功率電平的要求。目前中頻信號(hào)調(diào)理 電路的功能僅為實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)探測(cè)用，或?qū)崿F(xiàn)KID探測(cè)器陣列的特性表征(諧振頻率，Q因 子、靈敏度等測(cè)量），功能相對(duì)單一，這將給KID探測(cè)器陣列信號(hào)探測(cè)實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)不便。
[0005] 同樣地，在數(shù)字信號(hào)處理電路，主要采用ADC和FPGA相結(jié)合的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)方 案，或是實(shí)現(xiàn)頻譜處理，或是用于零差混頻獲得KID幅頻或相頻信息的直流I、Q信號(hào)采集。特 別是在頻譜處理方面，目前由于受ADC處理帶寬和FPGA數(shù)字信號(hào)處理能力限制，并未達(dá)成超 寬帶寬處理，這也限制了數(shù)字信號(hào)處理電路在大規(guī)模（1000像元量級(jí))KID探測(cè)器陣列的信 號(hào)讀出方面的應(yīng)用（同樣地，數(shù)字信號(hào)處理電路工作帶寬越寬，可接受KID探測(cè)器陣列規(guī)模 也越大）。
[0006] 此外，由于KID探測(cè)器陣列的每一像元的微波諧振器的諧振頻率在不同工作溫度 下或其他條件的變化情況下，容易發(fā)生微小的改變。為了實(shí)現(xiàn)高靈敏寬動(dòng)態(tài)的太赫茲信號(hào) 探測(cè)，需要將所有激勵(lì)的多音信號(hào)頻率準(zhǔn)確設(shè)置在對(duì)應(yīng)的KID探測(cè)器陣列的諧振頻率點(diǎn)上。 目前由于KID探測(cè)器陣列讀出電路功能較為單一，獲取KID探測(cè)器陣列每一像元微波諧振器 的諧振頻率需要借助額外的輔助設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)分析儀。采用額外輔助設(shè)備難免增加額外硬 件開(kāi)銷，同時(shí)可能存在的測(cè)量系統(tǒng)誤差將影響讀出電路性能，從而可能降低KID探測(cè)器陣列 探測(cè)性能。采用額外輔助設(shè)備也對(duì)實(shí)際操作帶來(lái)不便。
[0007] 針對(duì)上述問(wèn)題，本專利提出了 KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)，即在同一系 統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)KID探測(cè)器陣列的微波諧振器諧振頻率標(biāo)定、KID探測(cè)器陣列特性表征、以及KID 探測(cè)器陣列的太赫茲?rùn)z測(cè)信號(hào)的讀出，該讀出電路系統(tǒng)具備多種性能，避免了外圍輔助手 段切入，提高讀出電路系統(tǒng)性能的同時(shí)，也簡(jiǎn)化了整體讀出電路。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)包括:控制計(jì) 算機(jī)、產(chǎn)生KID探測(cè)器陣列的激勵(lì)信號(hào)的波形發(fā)生器、為各電路提供時(shí)鐘電路同步信號(hào)的同 步時(shí)鐘電路、以幅度檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)所述KID探測(cè)器陣列探測(cè)信號(hào)讀出的數(shù)字信號(hào)處理電路 和直接與所述KID探測(cè)器陣列連接的中頻信號(hào)處理電路，所述波形發(fā)生器、所述同步時(shí)鐘電 路和所述數(shù)字信號(hào)處理電路分別與所述控制計(jì)算機(jī)連接，所述中頻信號(hào)處理電路還分別與 所述波形發(fā)生器、所述同步時(shí)鐘電路和所述數(shù)字信號(hào)處理電路連接。
[0010] 在本發(fā)明實(shí)施例提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)中，所述波形發(fā)生 器是任意波形發(fā)生器。
[0011] 在本發(fā)明實(shí)施例提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)中，所述數(shù)字信號(hào) 處理電路包括對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜處理的FFT頻譜儀和與所述FFT頻譜儀連接的數(shù)據(jù) 采集卡，所述FFT頻譜儀和所述數(shù)據(jù)采集卡分別與所述控制計(jì)算機(jī)連接。
[0012] 在本發(fā)明實(shí)施例提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)中，所述中頻信號(hào) 處理電路包括實(shí)現(xiàn)單邊帶信號(hào)的上變頻電路、為激勵(lì)信號(hào)上下變頻提供本振信號(hào)源的本振 信號(hào)產(chǎn)生電路、完成基帶信號(hào)和直流信號(hào)的分流的下變頻電路、完成基帶信號(hào)的功率電平 調(diào)整和帶寬限制的基帶信號(hào)調(diào)理電路、以及完成零差混頻并保證直流信號(hào)電平調(diào)整的直流 信號(hào)調(diào)理電路，所述上變頻電路、所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路和所述下變頻電路依次連接，且所 述下變頻電路還分別與所述基帶信號(hào)調(diào)理電路和所述直流信號(hào)調(diào)理電路連接。
[0013] 在本發(fā)明實(shí)施例提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)中，所述上變頻電 路包括上變頻器和分別與所述上變頻器連接的第一低通濾波器、第二低通濾波器和第一可 調(diào)衰減器，所述第一低通濾波器和第二低通濾波器還分別與所述波形發(fā)生器連接，所述第 一可調(diào)衰減器直接與所述KID探測(cè)器陣列連接。
[0014] 在本發(fā)明實(shí)施例提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)中，所述本振信號(hào) 產(chǎn)生電路包括依次連接的頻率綜合器、功率分配器、微波開(kāi)關(guān)和第二可調(diào)衰減器，所述頻率 綜合器與所述同步時(shí)鐘電路連接，所述第二可調(diào)衰減器直接與所述KID探測(cè)器陣列連接。
[0015] 在本發(fā)明實(shí)施例提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)中，所述下變頻電 路包括依次連接的下變頻器、第三可調(diào)衰減器和第一低噪聲放大器、以及分別與所述下變 頻器連接的第一 T型偏置器和第二T型偏置器，所述第一低噪聲放大器直接與所述KID探測(cè) 器陣列連接，所述第一 T型偏置器和所述第二T型偏置器均與所述基帶信號(hào)調(diào)理電路和所述 直流信號(hào)調(diào)理電路連接。
[0016] 在本發(fā)明實(shí)施例提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)中，所述基帶信號(hào) 調(diào)理電路包括依次連接的第三低通濾波器和第二低噪聲放大器、以及依次連接的第四低通 濾波器和第三低噪聲放大器，所述第三低通濾波器和所述第四低通濾波器均與所述數(shù)字信 號(hào)處理電路連接，所述第二低噪聲放大器和所述第三低噪聲放大器均與所述下變頻電路連 接。
[0017] 在本發(fā)明實(shí)施例提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)中，所述直流信號(hào) 調(diào)理電路包括依次連接的第一直流放大器和第五低通濾波器、以及依次連接的第二直流放 大器和第六低通濾波器，所述第一直流放大器和所述第二直流放大器均與所述數(shù)字信號(hào)處 理電路連接，所述第五低通濾波器和所述第六低通濾波器均與所述下變頻電路連接。
[0018] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)可 以在在同一讀出電路系統(tǒng)中，完成KID探測(cè)器陣列的微波諧振器諧振頻率標(biāo)定，并根據(jù)標(biāo)定 頻率設(shè)置任意波形發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)多音信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)KID探測(cè)器陣列的太赫茲?rùn)z測(cè)信號(hào)。因 此，所述多功能讀出電路系統(tǒng)具備KID探測(cè)器陣列諧振器諧振頻率標(biāo)定、KID探測(cè)器陣列性 能表征、以及KID探測(cè)器陣列探測(cè)信號(hào)讀出等功能。 【【附圖說(shuō)明】】
[0019] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0020] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0021] 除非上下文另有特定清楚的描述，本發(fā)明中的元件和組件，數(shù)量既可以單個(gè)的形 式存在，也可以多個(gè)的形式存在，本發(fā)明并不對(duì)此進(jìn)行限定。本發(fā)明中的步驟雖然用標(biāo)號(hào)進(jìn) 行了排列，但并不用于限定步驟的先后次序，除非明確說(shuō)明了步驟的次序或者某步驟的執(zhí) 行需要其他步驟作為基礎(chǔ)，否則步驟的相對(duì)次序是可以調(diào)整的?？梢岳斫?，本文中所使用的 術(shù)語(yǔ)"和/或"涉及且涵蓋相關(guān)聯(lián)的所列項(xiàng)目中的一者或一者以上的任何和所有可能的組 合。
[0022] 請(qǐng)參閱圖1，是本發(fā)明實(shí)施例提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 框圖。本發(fā)明提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)100包括產(chǎn)生KID探測(cè)器陣列的 激勵(lì)信號(hào)的波形發(fā)生器1、直接與所述KID探測(cè)器陣列連接的中頻信號(hào)處理電路2、以幅度檢 測(cè)方式實(shí)現(xiàn)所述KID探測(cè)器陣列探測(cè)信號(hào)讀出的數(shù)字信號(hào)處理電路3、為各電路提供時(shí)鐘電 路同步信號(hào)的同步時(shí)鐘電路4、以及分別與所述波形發(fā)生器1、所述數(shù)字信號(hào)處理電路3和所 述同步時(shí)鐘電路4連接的控制計(jì)算機(jī)5。其中，所述中頻信號(hào)處理電路2還分別與所述波形發(fā) 生器1、所述數(shù)字信號(hào)處理電路3和所述同步時(shí)鐘電路4連接。
[0023] 所述波形發(fā)生器1作為所述多功能讀出電路系統(tǒng)100的激勵(lì)信號(hào)源，是實(shí)現(xiàn)所述多 功能讀出電路系統(tǒng)1〇〇多功能性的基礎(chǔ)?？蛇x擇地，所述波形發(fā)生器1可以是商用集成寬帶 (例如:3.2GHz)高動(dòng)態(tài)(例如:大于50dB)的激勵(lì)信號(hào)源，因此可以克服傳統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電 路功能單一、性能較弱的缺點(diǎn)。優(yōu)選地，所述波形發(fā)生器1是任意波形發(fā)生器，例如型號(hào)為 M8190A的任意波形發(fā)生器。
[0024]所述中頻信號(hào)處理電路2包括實(shí)現(xiàn)單邊帶信號(hào)的上變頻電路21、完成基帶信號(hào)和 直流信號(hào)的分流的下變頻電路22、為激勵(lì)信號(hào)上下變頻提供本振信號(hào)源的本振信號(hào)產(chǎn)生電 路23、完成基帶信號(hào)的功率電平調(diào)整和帶寬限制的基帶信號(hào)調(diào)理電路24、以及完成零差混 頻并保證直流信號(hào)電平調(diào)整的直流信號(hào)調(diào)理電路25。其中，所述上變頻電路21、所述本振信 號(hào)產(chǎn)生電路23和所述下變頻電路22依次連接，且所述下變頻電路22還分別與所述基帶信號(hào) 調(diào)理電路24和所述直流信號(hào)調(diào)理電路25連接。
[0025] 所述上變頻電路21包括上變頻器21C和分別與所述上變頻器21C連接的第一低通 濾波器21A、第二低通濾波器21B和第一可調(diào)衰減器21D，所述第一低通濾波器21A和第二低 通濾波器21B還分別與所述波形發(fā)生器1連接，所述第一可調(diào)衰減器21D直接與所述KID探測(cè) 器陣列連接。
[0026] 其中，所述第一低通濾波器21A用于導(dǎo)通I路信號(hào)，所述第二低通濾波器21B用于導(dǎo) 通Q路信號(hào)，所述上變頻器21C為IQ變頻器。
[0027]所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路23包括依次連接的頻率綜合器23A、功率分配器23B、微波 開(kāi)關(guān)23C和第二可調(diào)衰減器23D，所述頻率綜合器23A與所述同步時(shí)鐘電路4連接，所述第二 可調(diào)衰減器23D直接與所述KID探測(cè)器陣列連接。而且，在本振信號(hào)產(chǎn)生電路23和所述上變 頻電路21之間，所述上變頻器21C直接與所述微波開(kāi)關(guān)23C連接。
[0028]在本實(shí)施例中，所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路23不僅可以為激勵(lì)信號(hào)上下變頻提供本振 信號(hào)源，還可以為零差混頻時(shí)提供掃頻信號(hào)源。而且，所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路23采用頻率可 變(例如:工作頻率范圍為3-8GHz)的高精度頻率信號(hào)作為本振信號(hào)源，用以實(shí)現(xiàn)固定頻點(diǎn) 工作時(shí)的信號(hào)探測(cè)和KID探測(cè)器噪聲性能的測(cè)量、以及掃頻工作時(shí)的KID探測(cè)器陣列頻率的 表征。
[0029] 所述下變頻電路22包括依次連接的下變頻器22C、第三可調(diào)衰減器22B和第一低噪 聲放大器22A、以及分別與所述下變頻器22C連接的第一T型偏置器22D和第二T型偏置器 22E，所述第一低噪聲放大器22A直接與所述KID探測(cè)器陣列連接，所述第一 T型偏置器22D和 所述第二T型偏置器22E均與所述基帶信號(hào)調(diào)理電路24和所述直流信號(hào)調(diào)理電路25連接。而 且，在所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路23和所述下變頻電路22之間，所述微波開(kāi)關(guān)23C直接與所述下 變頻器22C連接。
[0030] 其中，所述第一T型偏置器22D用于導(dǎo)通I路信號(hào)，所述第二T型偏置器22E用于導(dǎo)通 Q路信號(hào)，所述下變頻器22C為IQ變頻器。
[0031] 在本實(shí)施例中，所述下變頻電路22采用了IQ混頻器作為所述下變頻器22C，不僅實(shí) 現(xiàn)了單邊帶信號(hào)的上變頻，還可以以有效抑制鏡像邊帶信號(hào)的干擾，從而提高激勵(lì)信號(hào)的 動(dòng)態(tài)范圍和信噪比。而且，采用所述IQ混頻器與T型偏置器相結(jié)合的方式完成基帶信號(hào)和直 流信號(hào)的分流，從而實(shí)現(xiàn)所述KID探測(cè)器陣列探測(cè)信號(hào)讀出和所述KID探測(cè)器陣列性能表 征、以及所述KID探測(cè)器陣列的諧振器諧振頻率標(biāo)定的多功能性。優(yōu)選地，所述IQ混頻器是 具有寬帶特性的混頻器，例如3~8GHz的混頻器。
[0032]所述基帶信號(hào)調(diào)理電路24包括依次連接的第三低通濾波器24B和第二低噪聲放大 器24A、以及依次連接的第四低通濾波器24D和第三低噪聲放大器24C，所述第三低通濾波器 24B和所述第四低通濾波器24D均與所述數(shù)字信號(hào)處理電路3連接，所述第二低噪聲放大器 24A和所述第三低噪聲放大器24C均與所述下變頻電路22連接。具體地，所述第二低噪聲放 大器24A與所述第一 T型偏置器22D連接，所述第三低噪聲放大器24C與所述第二T型偏置器 22E連接。
[0033]在本實(shí)施例中，所述基帶信號(hào)調(diào)理電路24主要完成基帶信號(hào)的功率電平調(diào)整以及 帶寬限制，以防止后續(xù)信號(hào)數(shù)據(jù)采集的混疊效應(yīng)。具體地，所述基帶信號(hào)調(diào)理電路24完成DC 至2GHz或2.5GHz帶寬基帶信號(hào)調(diào)理。
[0034] 所述直流信號(hào)調(diào)理電路25包括依次連接的第一直流放大器25B和第五低通濾波器 25A、以及依次連接的第二直流放大器25D和第六低通濾波器25C，所述第一直流放大器25B 和所述第二直流放大器25D均與所述數(shù)字信號(hào)處理電路3連接，所述第五低通濾波器25A和 所述第六低通濾波器25C均與所述下變頻電路22連接。具體地，所述第五低通濾波器25A與 所述第一 T型偏置器22D連接，所述第六低通濾波器25C與所述第二T型偏置器22E連接。 [0035]在本實(shí)施例中，所述直流信號(hào)調(diào)理電路25主要完成零差混頻時(shí)，第一T型偏置器 22D和所述第二T型偏置器22E輸出直流信號(hào)的低通濾波(例如:對(duì)10kHz量級(jí)以上的干擾信 號(hào)抑制)和信號(hào)電平的放大，以保證直流信號(hào)電平落在后續(xù)高精度數(shù)據(jù)采集卡的ADC的有效 量程內(nèi)。
[0036]所述數(shù)字信號(hào)處理電路3的主要功能是對(duì)基帶信號(hào)的寬帶高分辨實(shí)時(shí)頻譜處理、 以幅度檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)KID探測(cè)器陣列探測(cè)信號(hào)讀出、以及對(duì)直流兩路I、Q信號(hào)進(jìn)行高精度數(shù) 據(jù)采集，從而以實(shí)現(xiàn)KID探測(cè)器陣列諧振器頻率標(biāo)定和特性表征。
[0037]其中，所述數(shù)字信號(hào)處理電路3包括對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜處理的FFT頻譜儀31 和與所述FFT頻譜儀連接的數(shù)據(jù)采集卡32,所述FFT頻譜儀31和所述數(shù)據(jù)采集卡32分別與所 述控制計(jì)算機(jī)5連接。其中，在所述數(shù)字信號(hào)處理電路3和所述中頻信號(hào)處理電路2之間，所 述基帶信號(hào)調(diào)理電路24與所述FFT頻譜儀31連接，所述直流信號(hào)調(diào)理電路25與所述數(shù)據(jù)采 集卡32連接。
[0038]而且，所述FFT頻譜儀31可以以全速數(shù)據(jù)采集對(duì)單路的基帶信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜處 理，或以兩路并行方式對(duì)I、Q兩路基帶信號(hào)進(jìn)行降速數(shù)據(jù)采集和頻譜處理。
[0039]在本實(shí)施例中，為了滿足1000像元量級(jí)的大規(guī)模KID探測(cè)器陣列信號(hào)檢測(cè)讀出的 需求，所述FFT頻譜儀31的工作帶寬為2.0-2.5GHz，實(shí)時(shí)頻譜分辨率為76kHz;為了在數(shù)據(jù)采 集過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高信噪比的數(shù)字信號(hào)，以及提高KID探測(cè)器陣列諧振器頻率標(biāo)定精度，所述數(shù) 據(jù)采集卡32具有100kHz采集數(shù)據(jù)速率、高精度(例如：16bit以上)和高動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)。
[0040] 所述同步時(shí)鐘電路4主要為所述多功能讀出電路系統(tǒng)的各電路提供時(shí)鐘電路同步 信號(hào)。優(yōu)選地，所述同步時(shí)鐘電路4提供10MHz或100MHz的同步信號(hào)。其中，在所述數(shù)字信號(hào) 處理電路3和所述同步時(shí)鐘電路4之間，所述同步時(shí)鐘電路4直接與所述FFT頻譜儀31。
[0041] 所述控制計(jì)算機(jī)5可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述波形發(fā)生器1、所述數(shù)字信號(hào)處理電路3和所述 同步時(shí)鐘電路4的控制、對(duì)后續(xù)讀出的探測(cè)信號(hào)處理，以及對(duì)所述KID探測(cè)器陣列性能表征 的數(shù)據(jù)處理等。
[0042]在本實(shí)施例中，所述控制計(jì)算機(jī)5通過(guò)內(nèi)置軟件完成KID探測(cè)器諧振器信號(hào)標(biāo)定， 并根據(jù)標(biāo)定頻率設(shè)置任意波形發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)多音信號(hào)，對(duì)所述FFT頻譜儀31的輸 出頻譜進(jìn)行激勵(lì)信號(hào)頻譜幅度讀取和處理以提取有效探測(cè)信號(hào)信息。
[0043] 此外，所述控制計(jì)算機(jī)5通過(guò)內(nèi)置軟件讀取所述數(shù)據(jù)采集卡32的IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行幅頻 特性和相頻特性處理，以及對(duì)KID探測(cè)器陣列每一像元諧振頻率、Q因子、噪聲性能參數(shù)提 取。
[0044] 而且，當(dāng)采用所述多功能讀出電路系統(tǒng)100對(duì)所述KID探測(cè)器陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出 時(shí)，其包括如下兩種情況：
[0045] 一、對(duì)KID探測(cè)器陣列諧振器諧振頻率標(biāo)定以及KID探測(cè)器陣列性能表征，并具體 包括如下實(shí)施步驟：
[0046]將所述中頻信號(hào)處理電路2中的本振信號(hào)產(chǎn)生電路23的微波開(kāi)關(guān)23C撥至B端口 路，與所述KID探測(cè)器陣列連接；
[0047]將所述同步時(shí)鐘電路4與所述中頻信號(hào)處理電路2、所述數(shù)字處理電路3連接，并調(diào) 整好所述中頻信號(hào)處理電路2各個(gè)部件工作點(diǎn)；
[0048]通過(guò)所述控制計(jì)算機(jī)5啟動(dòng)所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路23中的頻率綜合器23A頻率掃 描模式，所述頻率綜合器23A信號(hào)輸出經(jīng)過(guò)所述功率分配器23B分成兩路，其中一路經(jīng)過(guò)所 述第二可調(diào)衰減器23D進(jìn)行必要的功率電平調(diào)節(jié)后，再經(jīng)過(guò)B端口送至所述KID探測(cè)器陣列， 另一路送至所述下變頻電路22中的下變頻器22C;
[0049] 所述KID探測(cè)器陣列輸出信號(hào)通過(guò)C端口進(jìn)入所述下變頻電路22中，經(jīng)過(guò)所述第一 低噪聲放大器22A放大和所述第三可調(diào)衰減器22B進(jìn)行必要的功率電平調(diào)整后，進(jìn)入所述下 變頻器22C，與來(lái)自所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路3的本振信號(hào)源進(jìn)行零差混頻，產(chǎn)生I、Q兩路直流 信號(hào)；
[0050] 由所述下變頻器輸出的I、Q直流信號(hào)分別通過(guò)所述第一 T型偏置器22D和所述第二 T型偏置器22E，所述第一 T型偏置器22D和所述第二T型偏置器22E將對(duì)應(yīng)的I、Q直流信號(hào)分 別分流至所述第一 T型偏置器22D和所述第二T型偏置器22E直流信號(hào)調(diào)理電路25;
[0051 ]所述直流信號(hào)調(diào)理電路25接受來(lái)自所述下變頻電路22輸出的I、Q直流信號(hào)，并分 別通過(guò)所述第五低通濾波器25A和第一直流放大器25B，以及第六低通濾波器25C和第二直 流放大器25D進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)濾波和直流放大后送至所述數(shù)字信號(hào)處理電路3中的數(shù)據(jù) 采集卡32進(jìn)行同時(shí)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；
[0052]所述數(shù)字信號(hào)處理電路3中的數(shù)據(jù)采集卡32將I、Q兩路信號(hào)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送至所述 控制計(jì)算機(jī)5;
[0053]所述控制計(jì)算機(jī)5獲取所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路23中的頻率綜合器23A頻率，以及對(duì) 應(yīng)頻率下的I、Q數(shù)據(jù)。將I、Q信號(hào)根據(jù)公式1和公式2進(jìn)行處理，即可獲得所述KID探測(cè)器陣列 的傳輸參數(shù)S21的幅頻特性A (f)和相頻Θ (f)特性，
[0056]公式(1)和公式(2)中的f為本振信號(hào)源頻率；
[0057]通過(guò)所述控制計(jì)算機(jī)5內(nèi)置軟件對(duì)傳輸參數(shù)S21幅頻特性數(shù)據(jù)進(jìn)行基線擬、峰值查 找等一步數(shù)據(jù)處理，即可獲得KID探測(cè)器陣列諧振器諧振頻譜的標(biāo)定;及 [0058]根據(jù)獲得的I、Q數(shù)據(jù)，擬合每一 KID像元的諧振器的S21參數(shù)，通過(guò)所述S21參數(shù)的 數(shù)據(jù)擬合可實(shí)現(xiàn)所述KID探測(cè)器陣列的特性表征(Q因子，諧振頻率等參數(shù)）。
[0059]進(jìn)一步地，所述控制計(jì)算機(jī)5逐步設(shè)置所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路23中的頻率綜合器 23A的信號(hào)源頻率為每一路KID探測(cè)器的諧振頻率，在KID探測(cè)器輸入端加入穩(wěn)定的黑體信 號(hào)源后，連續(xù)獲取所述數(shù)字信號(hào)處理電路3中的采集卡32輸出的I、Q數(shù)據(jù)序列，并進(jìn)行對(duì)應(yīng) 的噪聲頻譜處理和分析，可獲得每一 KID探測(cè)器(含讀出電路系統(tǒng)）的噪聲性能，實(shí)現(xiàn)KID探 測(cè)器陣列的噪聲性能表征。
[0060] 二、根據(jù)獲取的KID探測(cè)器陣列諧振器諧振頻率，進(jìn)行KID探測(cè)器陣列探測(cè)信號(hào)讀 出，并具體包括如下實(shí)施步驟：
[0061] 將所述中頻信號(hào)處理電路2中的本振信號(hào)產(chǎn)生電路23的微波開(kāi)關(guān)23C撥至所述上 變頻電路21，并與所述上變頻器21C相連接；
[0062] 將所述同步時(shí)鐘電路4與所述波形發(fā)生器1、所述中頻信號(hào)處理電路2、所述數(shù)字處 理電路3連接，并調(diào)整好所述中頻信號(hào)處理電路2各個(gè)部件工作點(diǎn)；
[0063] 通過(guò)所述控制計(jì)算機(jī)5將獲取的KID探測(cè)器陣列諧振器諧振頻率，借助內(nèi)置軟件形 成多音信號(hào)波形數(shù)據(jù)，發(fā)送至所述波形發(fā)生器1中；
[0064]所述波形發(fā)生器1根據(jù)多音信號(hào)波形數(shù)據(jù)，輸出基帶的多音模擬I、Q正交信號(hào)至所 述中頻信號(hào)處理電路2的上變頻電路21中；
[0065] 所述上變頻電路21通過(guò)所述第一低通濾波器21A和所述第二低通濾波器21B分別 對(duì)所述波形發(fā)生器輸出的I、Q路信號(hào)進(jìn)行低通濾波以濾除不必要的干擾信號(hào)，并送至所述 變頻器21C進(jìn)行單邊帶上變頻；
[0066] 調(diào)節(jié)所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路3的頻率綜合器23A的頻率，使得上變頻后的多音激勵(lì) 信號(hào)與KID探測(cè)器陣列微波諧振器諧振頻率一一匹配；
[0067] 所述變頻器21C輸出的中頻信號(hào)通過(guò)可調(diào)衰減器21D進(jìn)行必要的功率電平調(diào)整后， 經(jīng)過(guò)端口 A送至KID探測(cè)器陣列中；
[0068]所述KID探測(cè)器陣列將輸出多音信號(hào)經(jīng)過(guò)端口 C輸入至所述中頻信號(hào)處理電路2的 下變頻電路22中，所述下變頻電路22對(duì)輸入的多音信號(hào)經(jīng)過(guò)所述第一低噪聲放大器22A和 所述第三可調(diào)衰減器22B進(jìn)行必要的功率電平的調(diào)整后，送入所述下變頻22C進(jìn)行下變頻處 理；
[0069] 所述下變頻器22C同時(shí)接受來(lái)自所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路23輸出的本振信號(hào)，將來(lái) 自KID探測(cè)器陣列輸出的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻后變?yōu)镮、Q兩路基帶信號(hào)（由于本振信號(hào)頻率 與上變頻時(shí)相同），并分別經(jīng)過(guò)所述第一 T型偏置器22D和所述第二T型偏置器22E進(jìn)行分流 之輸入至后續(xù)的所述基帶信號(hào)調(diào)理電路24中；
[0070] 所述基帶信號(hào)調(diào)理電路24通過(guò)所述第二低噪聲放大器24A和低通濾波器24B，以及 所述第三低噪聲放大器24C和所述第四低通濾波器24D進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)放大和低通濾波 后，送至所述數(shù)字信號(hào)處理電路3中的FFT頻譜儀31中進(jìn)行高分辨實(shí)時(shí)頻譜處理；
[0071] 根據(jù)實(shí)際需要，所述FFT頻譜儀31可以選擇I或Q路任意一路基帶信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻 譜處理，并將頻譜處理結(jié)果送至所述控制計(jì)算機(jī)5;及
[0072]所述控制計(jì)算機(jī)5獲取所述FFT頻譜儀31輸出的頻譜數(shù)據(jù)，并結(jié)合先前獲取的KID 探測(cè)器陣列諧振器諧振頻率，讀出對(duì)應(yīng)KID探測(cè)器陣列檢測(cè)信號(hào)信息，若有必要，可根據(jù)一 定標(biāo)定過(guò)程，進(jìn)一步獲取定標(biāo)后的探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。
[0073]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)100可以在 在同一讀出電路系統(tǒng)中，完成KID探測(cè)器陣列的微波諧振器諧振頻率標(biāo)定，并根據(jù)標(biāo)定頻率 設(shè)置任意波形發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)多音信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)KID探測(cè)器陣列的太赫茲?rùn)z測(cè)信號(hào)。因此， 所述多功能讀出電路系統(tǒng)100具備KID探測(cè)器陣列諧振器諧振頻率標(biāo)定、KID探測(cè)器陣列性 能表征、以及KID探測(cè)器陣列探測(cè)信號(hào)讀出等功能。
[0074]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在 不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論 從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán) 利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有 變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
[0075]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書(shū)按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包 含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書(shū)的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 將說(shuō)明書(shū)作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以理解的其他實(shí)施方式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)，其特征在于，包括:控制計(jì)算機(jī)、產(chǎn)生 KID探測(cè)器陣列的激勵(lì)信號(hào)的波形發(fā)生器、為各電路提供時(shí)鐘電路同步信號(hào)的同步時(shí)鐘電 路、以幅度檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)所述KID探測(cè)器陣列探測(cè)信號(hào)讀出的數(shù)字信號(hào)處理電路和直接與 所述KID探測(cè)器陣列連接的中頻信號(hào)處理電路，所述波形發(fā)生器、所述同步時(shí)鐘電路和所述 數(shù)字信號(hào)處理電路分別與所述控制計(jì)算機(jī)連接，所述中頻信號(hào)處理電路還分別與所述波形 發(fā)生器、所述同步時(shí)鐘電路和所述數(shù)字信號(hào)處理電路連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)，其特征在于:所述波 形發(fā)生器是任意波形發(fā)生器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù) 字信號(hào)處理電路包括對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜處理的FFT頻譜儀和與所述FFT頻譜儀連接 的數(shù)據(jù)采集卡，所述FFT頻譜儀和所述數(shù)據(jù)采集卡分別與所述控制計(jì)算機(jī)連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)，其特征在于:所述中 頻信號(hào)處理電路包括實(shí)現(xiàn)單邊帶信號(hào)的上變頻電路、為激勵(lì)信號(hào)上下變頻提供本振信號(hào)源 的本振信號(hào)產(chǎn)生電路、完成基帶信號(hào)和直流信號(hào)的分流的下變頻電路、完成基帶信號(hào)的功 率電平調(diào)整和帶寬限制的基帶信號(hào)調(diào)理電路、以及完成零差混頻并保證直流信號(hào)電平調(diào)整 的直流信號(hào)調(diào)理電路，所述上變頻電路、所述本振信號(hào)產(chǎn)生電路和所述下變頻電路依次連 接，且所述下變頻電路還分別與所述基帶信號(hào)調(diào)理電路和所述直流信號(hào)調(diào)理電路連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求4述的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)，其特征在于:所述上變 頻電路包括上變頻器和分別與所述上變頻器連接的第一低通濾波器、第二低通濾波器和第 一可調(diào)衰減器，所述第一低通濾波器和第二低通濾波器還分別與所述波形發(fā)生器連接，所 述第一可調(diào)衰減器直接與所述KID探測(cè)器陣列連接。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)，其特征在于:所述本 振信號(hào)產(chǎn)生電路包括依次連接的頻率綜合器、功率分配器、微波開(kāi)關(guān)和第二可調(diào)衰減器，所 述頻率綜合器與所述同步時(shí)鐘電路連接，所述第二可調(diào)衰減器直接與所述KID探測(cè)器陣列 連接。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)，其特征在于:所述下 變頻電路包括依次連接的下變頻器、第三可調(diào)衰減器和第一低噪聲放大器、以及分別與所 述下變頻器連接的第一 T型偏置器和第二T型偏置器，所述第一低噪聲放大器直接與所述 KID探測(cè)器陣列連接，所述第一 T型偏置器和所述第二T型偏置器均與所述基帶信號(hào)調(diào)理電 路和所述直流信號(hào)調(diào)理電路連接。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)，其特征在于:所述基 帶信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的第三低通濾波器和第二低噪聲放大器、以及依次連接的第 四低通濾波器和第三低噪聲放大器，所述第三低通濾波器和所述第四低通濾波器均與所述 數(shù)字信號(hào)處理電路連接，所述第二低噪聲放大器和所述第三低噪聲放大器均與所述下變頻 電路連接。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的KID探測(cè)器陣列的多功能讀出電路系統(tǒng)，其特征在于:所述直 流信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的第一直流放大器和第五低通濾波器、以及依次連接的第二 直流放大器和第六低通濾波器，所述第一直流放大器和所述第二直流放大器均與所述數(shù)字 信號(hào)處理電路連接，所述第五低通濾波器和所述第六低通濾波器均與所述下變頻電路連 so
【文檔編號(hào)】G01J1/44GK106017669SQ201610319948
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】林鎮(zhèn)輝, 楊瑾屏, 史生才, 李升
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)