用于大规模亚毫米波探测器读取系统的中频电路系统

技术领域

本发明涉及射电天文领域，特别是涉及一种用于大规模亚毫米波探测器读取系统的中频电路系统。

背景技术

亚毫米波和远红外(FIR)波长的天文数据中包含大量重要的科学信息，包括有关尘埃星系，星系团和恒星形成的信息。

对于亚毫米波长，一种常用的探测器技术是过渡边缘传感器(TES)，它是一种基于超导相变的温度相关电阻的低温传感器。为了从TES读取信号，将超导量子干扰设备(SQUID)与探测器配对。TES已在许多类型的仪器中用于检测亚毫米/毫米波长。但是，它们复杂的制造过程和读出方法使它们难以扩展到更大的阵列。另一项相对较新的技术是动态电感探测器，它是在2000年代初由加州理工学院/喷气推进实验室(JPL)开发的。动态电感探测器可以很容易地在两层到三层的晶圆上制造并进行频域复用。除一个低温放大器外，所有读数功能均由室温电子设备执行。动态电感探测器是实现大型阵列的理想选择，这对于未来望远镜的开发将是必不可少的。

在2009年之前，探测器读数是使用现成的设备执行的，只能读取少数探测器。在2009年至2010年之间，开发了一种基于FPGA的开源读数。构建了DAC和ADC板的原型，并演示了同时读取126个探测器的方法。从2010年到2012年，我们开发了中频(IF)板，这有助于我们集成电子器件并提高稳定性。其他进步包括第二代DAC-ADC组合板，FPGA上固件的改进版，从1到16个板的扩展规模以及全套DAQ软件的生产。目的是开发一种超导微谐振器阵列开源读数，它可以高度自动化地处理动态电感探测器读取所需的所有任务。

在超导微谐振器阵列开源读数系统中，IF板具有重要的作用，该板的性能直接影响到读数系统的稳定性。需要开发出满足探测和读取要求的IF板。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种射电望远镜超高能粒子探测系统，满足探测亚毫米波过程中所需的高效、高分辨率和抗干扰等读取要求。

本发明提供一种用于大规模亚毫米波探测器读取系统的中频电路系统，所述IF板用于将ADC/DAC板与杜瓦之间的所有硬件组件集成在一起，所述IF板包括：压控振荡器VCO，用于提供FPGA时钟信号和IQ混频器LO信号；IQ混频器，可在基带和谐振器频率范围之间转换；数字衰减器，用于设置传输到杜瓦瓶的功率电平，以及设置IQ混频器接收和ADC接收的功率电平；倍频器，用于将LO频率加倍，以用于更高的谐振频率应用。

进一步，在所述IF板中设置两个压控振荡器VCO、两个IQ混频器、三个数字衰减器，其中两个数字衰减器用于设置传输到杜瓦瓶的功率电平，另一个数字衰减器和五个放大器，用于设置IQ混频器接收和ADC接收的功率电平。

进一步，提供FPGA时钟信号的范围从137.5至4400MHz；IQ混频器LO信号范围从2.2至4.4GHz；每个衰减器的衰减范围为0至31.5dB，以0.5dB的步长。

进一步，还包括九个数字开关，以允许信号在信号链中的各个点环回。

进一步，基带环回绕过整个上变频、下变频和杜瓦瓶，或者射频环回绕过杜瓦瓶。

进一步，还包括四个抗混叠低通滤波器LPF，用于保证信号频谱不产生混叠。

进一步，IF板的功能可以由FPGA板进行数字控制或编程，控制信号从FPGA发送，并通过20针带状电缆连接到IF板上的GPIO连接器。

附图说明

图1示出了根据本发明的用于大规模亚毫米波探测器读取系统的中频电路系统应用原理图；

图2示出了根据本发明的用于大规模亚毫米波探测器读取系统的中频电路系统的工作流程图；

图3显示了根据本发明的用于大规模亚毫米波探测器读取系统的中频电路系统的制造布局。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

根据本发明的用于大规模亚毫米波探测器读取系统的中频电路系统主要适用于天文探测领域，使用动态电感探测器(KID)技术构造的多波长亚毫米电感相机(MUSIC)仪器覆盖0.87、1.04、1.33和1.98毫米的波长。多波长亚毫米电感相机成功地实现了光刻焦平面。此系统中使用四个带通滤波器102(BPF)。图1显示了MUSIC焦平面晶片，该晶片包含用于波束定义的宽带相控阵天线，四个用于频带选择的带通滤波器(BPF)，以及用于功率检测的微波动态电感探测器(MKID)。用于捕获信号的相控阵天线101具有二进制求和树。四个带通滤波器102将来自求和树的信号分成四个不同的频带。图1还示出了动态电感探测器103和探测器晶片的基板104。

多波长亚毫米电感相机包含2304个探测器，并提供大阵列读数。超导微谐振器阵列开源读数(OSR)系统用于实现多波长亚毫米电感相机中数据的读取功能。

本发明的用于大规模亚毫米波探测器读取系统的中频电路系统应用于超导微谐振器阵列开源读数(OSR)系统中，超导微谐振器阵列开源读数系统执行频域多路复用的实时复杂传输测量，以监视动态电感探测器的瞬时谐振频率和消散。系统总共有16个读数单元，可以同时读取3000多个复杂的频段。

图2显示了根据本发明的用于大规模亚毫米波探测器读取系统的中频电路系统的应用结构框图。其示出了整个接收机系统，其中包括，恒温冷却箱1，第一固定阻抗2，可变阻抗3，第二固定阻抗4，功率放大器5、滤波器6、ADC采样板(模数转换板)7、FPGA计算板8、数据采集服务器9、倍频器10、压控频率发生器11、用于获取1PPS信号的GPS信号获取器13、DAC板卡(数模转换板)14。

大约200个信号由数模转换板产生，上变频到微波波段，进入冷却箱，激发探测器，通过低温放大器，出来后通过一系列的室温放大器，下变频到基带，模数电路板采样，然后在FPGA里面处理。

具体地，从DCA板卡7产生探测信号，上变频到微波波段，进入恒温冷却箱1，从冷却箱出来后依次经过第一固定阻抗2、可变阻抗3，第二固定阻抗4，功率放大器5、滤波器6，下变频到基带，通过ADC采样板7，进入FPGA板进行信号处理并通过数据采集服务器9进行信号读取以及储存。

谐振器读数的基本概念是使用镜像抑制(IQ)零差混合，它本质上是一种双相锁定检测技术。通常，信号与FPGA(现场可编程逻辑门阵列)构成一个闭环，作为起点和终点。沿着FPGA中的一条路径，读取的电子设备将频率音发送到低温恒温器中的设备，在图2的下半部分示出，其中包括数模转换器(DAC)，IQ混频器(即镜像抑制混频器)和数字衰减器；沿着另一条路径，图2的上半部，包括放大器，衰减器，IQ混频器和模数转换器(ADC)，读取的电子设备接收来自低温恒温器的输出信号并处理信号。两条信号路径均使用DAQ计算机，图2中显示了信号处理板和低温恒温器。所述信号处理板包括可重构开放式架构计算硬件[ROACH]14-19的FPGA板、ADC/DAC板和中频板。

超导微谐振器阵列开源读数系统可以分为三个部分：硬件、固件和软件。通常，硬件包括定制的ADC/DAC板，IF板，基于FPGA的信号处理板和辅助系统[例如，频率标准或全球定位系统(GPS)]。固件是指在FPGA芯片上运行的程序，而软件包括为控制和自动化读数而实施的所有程序。

IF板的目的是将ADC/DAC板与杜瓦之间的所有硬件组件集成在一起。在IF板上集成了时钟频率生成和本地振荡器(LO)频率生成。频率稳定性源于10MHz参考，该参考被馈入IF板并用于锁定时钟和LO。

图3显示了IF板的制造布局，其中包括：两个DAC芯片的接入端口201，两个ADC芯片的接入端口202，1PPS参考信号的接入端口203，射频信号的输入端,204，射频信号的输出端口205，外部参考本地震源信号的接口206，10MHz参考信号的接入端207，外部参考时钟的接入端口208，为DAC提供时钟的输出端口209，为ADC板提供1pps参考信号的端口210，为ADC提供时钟的输出端211。

两个压控振荡器(VCO)，它们提供FPGA时钟信号(范围从137.5至4400MHz)和IQ混频器LO信号(范围从2.2至4.4GHz，或者加倍器，范围从4.4至5GHz)；

两个IQ混频器，可在基带和谐振器频率范围之间转换；

两个数字衰减器(每个衰减器的衰减范围为0至31.5dB，以0.5dB的步长)来设置传输到杜瓦瓶的功率电平；一个数字衰减器和五个放大器，用于设置IQ混音器接收和ADC接收的功率电平。

九个数字开关，它们允许信号在信号链中的各个点环回(例如，基带环回绕过整个上变频/下变频和杜瓦瓶，以及射频环回，绕过杜瓦瓶)并提供选择外部时钟，外部本振或使本振频率加倍的选项；

一个倍频器将LO频率加倍，以用于更高的谐振频率应用；和四个抗混叠LPF。

IF板的所有这些功能都可以由ROACH板进行数字控制或编程。控制信号从FPGA发送，并通过20针带状电缆连接到IF板上的GPIO连接器。控制固件设计为独立的，可以添加到任何现有固件中。因此，在通道化固件运行时，可以对IF板进行完全控制或重新编程。仔细选择并配置了IF板上的每个组件，以确保到达ADC的噪声水平受HEMT噪声支配，并且系统中的所有其他组件(如放大器和ADC)的噪声量都可以忽略不计。借助IF板和精心设计的DAC缓冲器，到达MKID器件的探测信号针对每个单独的谐振器在频率和幅度的整个读取带宽上进行了优化。