长周期超短脉冲亚毫米波测频方法

摘要

本发明涉及亚毫米波测量技术领域。用现有的亚毫米波段连续波的超导频率测量方法,很难测量到长周期超短脉冲亚毫米波信号的频率。用超导匹配滤波器加权被测信号幅度并通过限幅器只让被测频率作用到约瑟夫森结上测频;用原长周期超短脉冲信号触发接在超导延迟线每个抽头上的约瑟夫森开关,控制原信号按预定的不同延迟时间通过延迟线,得到新的短周期超短脉冲信号,作用在约瑟夫森结上测频。主要用于长周期超短脉冲亚毫米波频率测量。

说明书

本发明属于亚毫米波测量技术领域。

亚毫米波段(300GHz～3000GHz)连续波的频率测量早已有一些方法。用超导交流约瑟夫森效应可以直接测量频率，即 $>>f>=>>>2>e>>h>>V>=>483597.9>V>$>这里，f是照射约瑟夫森结的频率，单位GHz；V是电流—电压特性曲线上感应台阶的电压，单位V。这种方法具有频带宽、灵敏度高和线性度好等优点，所以人们总是希望用超导交流约瑟夫森效应去直接测量长周期超短脉亚毫米波的频率。但是，对于脉冲持续时间很短、重复周期长的亚毫米波的频率，不采取特殊方法用超导交流约瑟夫森效应是很难测到频率的。因为上述亚毫米波信号频谱密度很高，相邻频率之间的频率差很小，各相邻频率幅度差别也很小，不可能直接用交流约瑟夫森结的感应台阶电压去决定其频率。所以，长周期超短脉冲亚毫米波信号的频率测量至今还没有找到一种有效的方法。

本发明的目的是提供一种用超导交流约瑟夫森效应直接测量长周期超短脉冲亚毫米波频率的方法，它能有效地测量出长周期超短脉冲亚毫米段的频率。

本发明的目的是由以下两种技术方案实现的。第一种技术方案：将长周期超短脉冲亚毫米波信号先通过超导匹配滤波器，用超导匹配滤波器将长周期超短脉冲亚毫米波信号频谱中的被测频率幅度加权，使其幅度明显大于相邻其它频率的幅度，再用限幅器只让已经过加权处理的被测信号频率作用在超导约瑟夫森结上测频。对这种信号频谱中的亚毫米波信号频率的幅度加权，得到这种信号频谱中的亚毫米波信号频率的幅度更加大于相邻其它频率的幅度。用限幅器得到只剩下这种亚毫米波信号频率作用在超导约瑟夫森结上，在该结的电流—电压特性曲线上就只剩下被测频率的感应台阶，其它感应台阶看不到(或小得多)。测量感应台阶电压，用定出被测频率。超导滤波器Q值高，可实现窄带滤波。超导体具有低损耗和低色散特性，超导匹配滤波器适合超短脉冲信号传输。用损耗较大和色散特性差的正常金属(例如铜、金等)该方案不适用。

第二种技术方案：保持原长周期超短脉冲亚毫米波信号的脉冲宽度不变，缩短脉冲重复周期，获得变疏的频谱密度。当频谱密度疏到一定程度(即相邻谱线之间的频率差较大)时，将这种相邻谱线之差较大的信号作用在超导约瑟夫森结上，就可以在其电流—电压特性曲线上明显区分出原长周期超短脉冲亚毫米波频率的感应台阶，测量此感应台阶的电压即可由定出被测频率。缩短脉冲重复周期的方法是：用超导约瑟夫森结开关(开关时间约2ps)来控制长周期超短脉冲亚毫米波信号中的单个脉冲的有序传输，即用原长周期超短脉冲信号同步触发接在超导延迟线的每一个抽头上的超导约瑟夫森开关，让t₁时刻接通第一个抽头处的开关传输第一个脉冲并使其延迟时间最长，t₂时刻接通第2个抽头处的开关传输第2个脉冲并使其延迟时间比t₁时刻传输第一个脉冲的延迟时间短一个预定的短脉冲重复周期时间，第三个脉冲延迟比第二个短一个预定的短脉冲重复周期时间，以此类推。

第三种技术方案：

将第二方案中缩短重复周期的信号进行第一方案中的幅度加权处理，再作用在超导约瑟夫森结上实现测频。

本发明的实施例如下：

第一种技术方案：

一个20ps脉宽，770ps周期、600GHz频率的亚毫米波信号，其频谱上相邻频率幅度的相对差值是2.9×10^-5，权重10，就可以用限幅器取出作用在约瑟夫森结上的有用信号。

第二种技术方案：用原长周期超短脉冲信号同步触发超导约瑟夫森开关，让t₁时刻的第一个脉冲经过传输线的延迟时间为T₁，t₂时刻的第二个脉冲经过传输线的延迟时间T₂比t₁时刻的第一个脉冲的延迟时间短一个预定的短重复周期时间T_a，即T₂＝T₁-T_a，以此类推。传输线用超导抽头延迟线来实现，延迟n个超短脉冲，就在超导延迟线上抽n个头，每个抽头上与用上述原信号同步触发的超导约瑟夫森开关连接。

一个20ps脉宽、770ps周期、600GHz频率的亚毫米波信号，其频谱上相邻谱线之间的频差约1.3GHz、相应的约瑟夫森感应台阶电压约2.7μV。将原770ps周期缩短到100ps周期，20ps脉宽不变，相邻谱线之间的频差约12.5GHz，相应的约瑟夫森感应台阶电压约26mV，这样就很容易区分出各感应台阶所对应的频率。

综合技术方案：

将第二方案中相邻谱线之间频差约12.5GHz的100ps期20ps脉宽的信号经过第一方案的幅度加权处理，将得到相邻谱线之间一个幅度差异大、频差大的新的频谱，这个新的频谱的超短脉冲亚毫米波信号作用在约瑟夫森结上可以实现更佳的测频效果。