一种超导动态电感探测器制造技术

本发明专利技术提供了一种超导动态电感探测器

【技术实现步骤摘要】
一种超导动态电感探测器KID的噪声功率谱密度测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及太赫兹信号探测
，尤其涉及一种超导动态电感探测器
KID
的噪声功率谱密度测量方法及系统
。

技术介绍

[0002]超导动态电感探测器
Kinetic Inductor Detector
，
KID
是基于超导薄膜制备的平面电感及电容构成的微波谐振器，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
KID
工作原理，当外部足够能量的信号入射到
KID
，超导薄膜表面的库珀对被拆散，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
(
可通过
S
21
参数表征
)
变化信息，即可完成入射信号的间接测量
。
[0003]另一方面，
KID
的谐振点频率
、
幅度和相位随其温度
、
入射功率功率
、
时间的变化，反映了其本身灵敏度信息
。KID
的噪声功率谱
Power Spectral Density
，
PSD(
包括幅度和相位
)
表征，一般通过零差混频
(Homodyne)
方式实现
。
这种测量硬件系统一般多采用正交
IQ
混频器，由信号发生器输出被定向耦合器分成两个通道，一通道经常温可调衰减器
、
低温
KID、
低温低噪声放大器
、
常温衰减器
、
常温放大器等，与另一直通通道分别作为常温正交
IQ
混频器输入端的
RF
信号和
LO
信号后，差频输出
I、Q
信号，经低通滤波器滤波和阻抗变换器输入到
AD
采样，将两路时域信号转换为频域的幅度或相位噪声功率谱密度
。
测量系统框图如图1所示
。
[0004]该方法的主要缺点是：由于正交混频器的中频
I、Q
输出端一般存在幅度和相位不平衡现象，且随频率发生变化
。
这不仅使得数据采集不准确，导致后处理的噪声功率谱密度不准确，还限制了整个
Homodyne
系统的输入功率测量范围故需要对
IQ
混频器的
I、Q
两路输出不平衡进行自校准
。
而对
IQ
混频器的校准过程复杂，且需要两个信号源，增加硬件成本
。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：提出一种超导动态电感探测器
KID
的噪声功率谱密度测量方法，并进一步提出一种实现上述测量方法的系统，以解决现有技术存在的上述问题
。
[0006]第一方面，提出一种基于矢量网络分析仪
(Vector network analyzer,VNA)
超导动态电感探测器
KID
的噪声功率谱密度测量方法
(
以下简称
VNA
方法
)
，步骤如下：
[0007]S1、
搭建基于矢量网络分析仪的噪声功率谱密度测量系统，使用矢量网络分析仪测试整个测量系统在超导动态电感探测器
KID
谐振点附近的传输系数频率响应曲线；
[0008]S2、
在所述传输系数频率响应曲线中拟合如下参数：系统链路增益
、
相位旋转角
、
同轴电缆延迟时间
、
谐振器品质因子
、
耦合器品质因子
、
谐振器谐振频率
、
相位角，得到单个超导动态电感探测器的频率响应曲线和谐振圆；
[0009]S3、
利用矢量网络分析仪采集一段时间内整个测量系统在谐振点频率处和非谐振
点频率处的传输系数随时间的扰动，利用步骤
S2
中拟合的七个参数对所述扰动的传输系数进行校准，并将校准后的结果标注在步骤
S2
中所述谐振圆上；
[0010]S4、
计算得出当前谐振点和非谐振点频率处的噪声功率谱密度和噪声等效功率
。
[0011]在第一方面进一步的实施例中，步骤
S1
中所述整个测量系统在超导动态电感探测器谐振点附近的传输系数频率响应曲线
S
21
通过所述矢量网络分析仪第二端口的测试接收机
b2功率与第一端口的参考接收机
a1
功率的比值测得：
[0012]S
21
＝
b2/a1；
[0013]式中，
b2表示测试接收机功率；
a1表示参考接收机功率；
[0014]所述测试接收机和参考接收机共用同一个本振，每个接收机都包含
I、Q
信号；
S
21
是复数，具有实部与虚部信息，经过换算得到幅度与相位信息
。
[0015]在第一方面进一步的实施例中，在所述传输系数频率响应曲线中拟合七个参数后得到单个超导动态电感探测器的频率响应曲线
S
21
(f)
的函数表达式如下：
[0016][0017]式中，
a
表示系统链路增益；
e
i
α
表示相位旋转角；
τ
表示同轴电缆延迟时间；
Q
r
表示谐振器品质因子；
Q
c
表示耦合器品质因子；
f
r
表示谐振器谐振频率；
φ
表示相位角；
[0018]利用上述参数对所述传输系数频率响应曲线拟合，消除系统增益
、
相移
、
链路时延
、
初始相位角的影响，得到单个超导动态电感探测器的特性参数
。
[0019]在第一方面进一步的实施例中，步骤
S3
进一步包括：
[0020]在谐振频点和非谐振频点频率上，将矢量网络分析仪设置为单频点随时间采集模式，采集频率设置为谐振点频率或者非谐振点频率；
[0021]设置输出功率
、
采样点数
、
中频带宽
、
驻留时间，利用矢量网络分析仪对
S
21
的实部和虚部进行采集；
[0022]利用步骤
S2
中系统链本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
超导动态电感探测器
KID
的噪声功率谱密度测量方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、
搭建基于矢量网络分析仪的噪声功率谱密度测量系统，使用矢量网络分析仪测试整个测量系统在超导动态电感探测器谐振点附近的传输系数频率响应曲线；
S2、
在所述传输系数频率响应曲线中拟合如下参数：系统链路增益
、
相位旋转角
、
同轴电缆延迟时间
、
谐振器品质因子
、
耦合器品质因子
、
谐振器谐振频率
、
相位角，得到单个超导动态电感探测器的频率响应曲线和谐振圆；
S3、
利用矢量网络分析仪采集一段时间内整个测量系统在谐振点频率处和非谐振点频率处的传输系数随时间的扰动，利用步骤
S2
中拟合的七个参数对所述扰动的传输系数进行校准，并将校准后的结果标注在步骤
S2
中所述谐振圆上；
S4、
计算得出当前谐振点和非谐振点频率处的噪声功率谱密度和噪声等效功率
。2.
根据权利要求1所述的噪声功率谱密度测量方法，其特征在于，步骤
S1
中所述整个测量系统在超导动态电感探测器谐振点附近的传输系数频率响应曲线
S
21
通过所述矢量网络分析仪第二端口的测试接收机
b2功率与第一端口的参考接收机
a1功率的比值测得：
S
21
＝
b2/a1；式中，
b2表示测试接收机功率；
a1表示参考接收机功率；所述测试接收机和参考接收机共用同一个本振，每个接收机都包含
I、Q
信号；
S
21
是复数，具有实部与虚部信息，经过换算得到幅度与相位信息
。3.
根据权利要求2所述的噪声功率谱密度测量方法，其特征在于，步骤
S3
进一步包括：在谐振频点和非谐振频点频率上，将矢量网络分析仪设置为单频点随时间采集模式，采集频率设置为谐振点频率或者非谐振点频率；设置输出功率
、
采样点数
、
中频带宽
、
驻留时间，利用矢量网络分析仪对
S
21
的实部和虚部进行采集；利用步骤
S2
中系统链路增益
、
相位旋转角
、
同轴电缆延迟时间
、
谐振器品质因子
、
耦合器品质因子
、
谐振器谐振频率
、
相位角，对当前谐振点噪声和非谐振点噪声处扰动的传输系数进行校准，并将将校准后的结果画在步骤
S2
中所述谐振圆上
。4.
根据权利要求1所述的噪声功率谱密度测量方法，其特征在于，步骤
S4
中利用所述噪声点计算得出当前噪声功率谱密度
psd(x)

【专利技术属性】
技术研发人员：金骏达，张嘉文，支强，耿伟，李陟，彭昭航，李婧，史生才，
申请(专利权)人：中国科学院紫金山天文台，
类型：发明
国别省市：