技术领域
[0001] 本
发明属于微波量子技术领域，具体为一种基于极窄带滤波与背越效应的单微波量子放大器。
背景技术
[0002] 探测微波量子是当前量子信息技术研究的重点，由于单微波量子
能量较低，很难用常规探测手段进行测量。现有的实现方式有超导约瑟夫森结技术，微纳机构上转换技术，回音壁上转换技术和调制型微波光学上转换技术。其中，超导约瑟夫森结探测器和微纳机构上转换探测器均需要极低温(10mK)制冷条件，设计加工和实验难度，不利于开展工程应用。回音壁上转换探测器探测效率性能很低，只能达到0.2％
水平。相对以上三种实现方式而言，调制型的上转换探测器技术上更容易实现，性能较好，无需极低温(10mK)制冷条件，但必须使用单微波量子放大器，否则该探测器暗计数等性能会急剧变坏。
[0003] 目前的微波低噪声线性放大器均为小
信号放大器(只能在成千上万个微波量子输入时才能放大)，不能实现单个微波量子的放大。
发明内容
[0004] 为解决
现有技术存在的问题，本发明提出一种基于极窄带滤波与背越效应的单微波量子放大器。首先利用需要放大的单微波量子和宽带噪声源中大量微波量子(每微秒约有上万个微波量子)混合构成低噪声线性放大器的
输入信号，然后利用低噪声线性放大器对该混合输入信号进行放大，然后再进行极窄带滤波，滤除掉
滤波器通带外噪声信号，剩下单微波量子和少量噪声量子放大后的混合信号，当滤波器带宽相对于噪声带宽小很多时，输入混合信号中滤波器通带内噪声出现概率远小于单量子出现概率，所以放大后经过滤波剩余信号主要是对单微波量子放大的信号，也就是实现了单微波量子的放大。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 所述一种基于极窄带滤波与背越效应的单微波量子放大器，其特征在于：包括宽带微波噪声源、微波低噪声线性放大器、微波隔离器和第一极窄带微波滤波器；
[0007] 单微波量子源输出的待放大的单微波量子和宽带微波噪声源输出的热噪声混合输入到微波低噪声线性放大器中；微波低噪声线性放大器对输入的混合信号进行放大；放大后的信号经过微波隔离器后，输入到第一极窄带微波滤波器；第一极窄带微波滤波器输出放大后的单微波量子；所述第一极窄带微波滤波器的带宽在kHz量级。
[0008] 进一步的优选方案，所述一种基于极窄带滤波与背越效应的单微波量子放大器，其特征在于：所述极窄带微波滤波器包括多级下
变频器、多级上变频器、多级滤波器和
声表面波滤波器；
[0009] 接收的微波信号输入到第一级下变频器中；
[0010] 多级下变频器中每一级下变频器后接有滤波器，下变频后的信号经滤波后输出给下一级下变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级下变频器输出的信号波段对应，对从上一级下变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级下变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级下变频器及其中的滤波器最终将输入的微波信号下变频到
视频信号；
[0011] 所述视频信号输入到声表面波滤波器，所述声表面波滤波器为与所述视频信号波段对应的视频
带通滤波器；
[0012] 多级上变频器中每一级上变频器后接有滤波器，上变频后的信号经滤波后输出给下一级上变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级上变频器输出的信号波段对应，对从上一级上变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级上变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级上变频器及其中的滤波器最终将从声表面波滤波器输入的视频信号变频到微波波段信号；
[0013] 将变频得到的微波波段信号输入到微波波段带通滤波器中，实现微波信号的kHz极窄带通滤波。
[0014] 进一步的优选方案，所述一种基于极窄带滤波与背越效应的单微波量子放大器，其特征在于：所述单微波量子源包括冷空、第一低旁瓣波纹喇叭和第二极窄带微波滤波器；
[0015] 所述冷空中具有
宇宙背景噪声和大气热噪声；
[0016] 所述第一低旁瓣波纹喇叭不从地面接收地球的热
辐射，接收冷空的噪声；
[0017] 所述第二极窄带微波滤波器接收第一低旁瓣波纹喇叭的
输出信号，带宽在kHz量级。
[0018] 进一步的优选方案，所述一种基于极窄带滤波与背越效应的单微波量子放大器，其特征在于：所述单微波量子源还包括微波信号源和第二低旁瓣波纹喇叭；
[0019] 微波信号源产生的微波信号经所述第二低旁瓣波纹喇叭对准第一低旁瓣波纹喇叭辐射，第二低旁瓣波纹喇叭与第一低旁瓣波纹喇叭之间的自由空间实现信号和噪声同时衰减。
[0020] 进一步的优选方案，所述一种基于极窄带滤波与背越效应的单微波量子放大器，其特征在于：所述第二极窄带微波滤波器带内实现每微秒0.05～10个微波量子输出。
[0021] 进一步的优选方案，所述一种基于极窄带滤波与背越效应的单微波量子放大器，其特征在于：通过控制所述微波信号源发射功率大小，实现控制第一低旁瓣波纹喇叭输出的微波功率，进而实现不同数率的单微波量子输出。
[0022] 有益效果
[0023] 本发明提出了一种新的单微波量子放大实现方式，即常温条件下(也可以是液氮低温、液氦低温或者更低
温度)，将输入的单微波量子混合到宽带的噪声中，即将弱信号混合到较强噪声中，利用较强噪声信号背越效应，低噪声线性放大器将较强噪声与弱信号一起放大，然后利用极窄带微波滤波器，滤除掉带外较强噪声，剩下带内信号，实现单微波量子放大器放大。
[0024] 本发明所用元器件技术成熟，性能稳定，并且所有器件工作在室温下(也可以是液氮低温、液氦低温或者更低温度条件下)，无需专用的极低温(mK)
制冷设备，实现方便。
[0025] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0026] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对
实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0028] 图2单微波量子放大器具体实施例1；
[0029] 图3单微波量子放大器具体实施例2；
[0030] 图4热噪声单微波量子源的原理框图；
[0031] 图5具有微波输入的单微波量子源的原理框图；
[0032] 图6常温工作的微波波段kHz极窄带微波滤波器原理框图。
具体实施方式
[0033] 在
信号处理领域中存在背越效应，即当微弱信号低于信号处理
阈值时，将弱信号与强信号混合可以实现弱信号检测，该方法称之为背越效应方法。本发明借鉴这一思路，将输入的单微波量子混合到宽带的噪声中，即将弱信号(单微波量子)混合到较强噪声信号中，低噪声线性放大器在常温条件下(液氮低温、液氦低温或者更低温度的效果更好)，利用低噪声线性放大器对成千上万个噪声信号的线性放大作用，即将较强噪声信号与单微波量子一起放大，然后利用极窄带微波滤波器，滤除掉带外较强噪声，保留带内信号，剩下单微波量子和少量噪声量子放大后的混合信号，当滤波器带宽相对于噪声带宽小很多时，输入混合信号中滤波器通带内噪声出现概率远小于单量子出现概率，所以放大后经过滤波剩余信号主要是对单微波量子放大的信号，也就是实现了单微波量子的放大。其中的宽带噪声起到了信号处理当中背越效应的作用。
[0034] 如图1所示，本发明包括宽带微波噪声源、微波低噪声线性放大器、微波隔离器和第一极窄带微波滤波器。首先将单微波量子源输出的待放大的单微波量子和宽带微波噪声源输出的热噪声一起输入到微波低噪声线性放大器中，形成较强的功率输入；该宽带微波噪声源也可以和单微波量子源共源。然后微波低噪声线性放大器对此混合信号一起进行放大；放大后的信号经过微波隔离器，该装置防止后面第一极窄带微波滤波器
阻带反射对微波低噪声线性放大器性能的影响，将滤波器反射信号吸收；第一极窄带微波滤波器只允许微波极窄带通带内信号与噪声通过，滤除掉带外噪声，即通过该极窄带微波滤波器的信号等效为单微波量子源发射的单微波量子信号进行了放大，从而实现了单微波量子信号的放大。
[0035] 本发明中采用的单微波量子源是采用低旁瓣波纹喇叭、极窄带微波滤波器和自由空间噪声衰减相结合而实现的，可以在常温下工作，无需专用的制冷设备。如图4所示，其基本组成为冷空、第一低旁瓣波纹喇叭和第二极窄带微波滤波器。
[0036] 所述冷空中具有宇宙背景噪声加大气热噪声，宇宙背景噪声为2.7K左右，加上大气热噪声后一般为10K左右噪声。
[0037] 所述第一低旁瓣波纹喇叭具有极低的旁瓣电平，不从地面接收地球的热辐射，接收冷空的噪声。
[0038] 所述第二极窄带微波滤波器带宽在kHz量级，滤除掉带外噪声功率和干扰，剩下带内少量噪声和信号实现每微秒0.05～10个微波量子。
[0039] 极窄带微波滤波器是本发明中的一个关键技术特征：
[0040] 现有的微波带通滤波器通常采用
波导滤波器形式实现，带宽只能达到百kHz量级，无法达到kHz水平。本发明中采用的极窄带微波滤波器通过将微波
频率进行多级下变频滤波、声表面波滤波和多级上变频滤波，将通带带宽降低到kHz水平，无需
低温制冷设备和环境，实现微波波段kHz极窄带微波带通滤波。
[0041] 如图6所示，极窄带微波滤波器包括多级下变频器、多级上变频器、多级滤波器
和声表面波滤波器。
[0042] 接收的微波信号输入到第一级下变频器中。
[0043] 多级下变频器中每一级下变频器后接有滤波器，下变频后的信号经滤波后输出给下一级下变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级下变频器输出的信号波段对应，对从上一级下变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级下变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级下变频器及其中的滤波器最终将输入的微波信号下变频到视频信号。
[0044] 所述视频信号输入到声表面波滤波器，所述声表面波滤波器为与所述视频信号波段对应的视频带通滤波器。
[0045] 多级上变频器中每一级上变频器后接有滤波器，上变频后的信号经滤波后输出给下一级上变频器；每一级滤波器的带通波段与所连接的上一级上变频器输出的信号波段对应，对从上一级上变频器输出的信号进行滤波，滤除上一级上变频器产生的边频信号和杂散，保留通带内有用信号；多级上变频器及其中的滤波器最终将从声表面波滤波器输入的视频信号变频到微波波段信号。
[0046] 将变频得到的微波波段信号输入到微波波段带通滤波器中，实现微波信号的kHz极窄带通滤波。
[0047] 例如，当输入微波信号为X波段信号时：
[0048] 第一级下变频器将X波段信号变频为L波段信号，采用L波段带通滤波器对L波段信号进行滤波，第二级下变频器将滤波后的L波段信号变频为中频信号，采用中频带通滤波器对中频信号进行滤波，第三级下变频器将滤波后的中频信号变频为视频信号(100kHz左右)；
[0049] 声表面波滤波器对视频信号进行滤波，第一级上变频器将滤波后的视频信号上变频为中频信号，采用中频带通滤波器对上变频得到的中频信号进行滤波，第二级上变频器将上变频得到的经过滤波的中频信号变频为L波段信号，采用L波段带通滤波器对上变频得到的L波段信号进行滤波，第三级上变频器将上变频得到的经过滤波的L波段信号变频为X波段信号；
[0050] 采用X波段带通滤波器对上变频得到的X波段信号进行滤波，实现X波段微波信号的kHz极窄带通滤波。
[0051] 如图4所示，在常温条件，利用冷空的低温度，使得第一低旁瓣波纹喇叭收到的冷空热噪声等效为端接15K左右的冷负载；第一低旁瓣波纹喇叭输出的噪声通过第二极窄带微波滤波器后，总热噪声功率将降低到-180dBW功率水平，此时对应每20微秒约有一个单微波量子输出，即每微秒输出约0.05个微波量子数，等效为单微波量子源，因而噪声输出本身就构成一个典型热噪声单微波量子源。
[0052] 当使用微波信号时，如图5所示，增加了微波信号源和第二低旁瓣波纹喇叭。所述第二低旁瓣波纹喇叭同样具有极低的旁瓣电平，避免旁瓣辐射到地面后反射到第一低旁瓣波纹喇叭中而引起多径效应，影响发射信号
质量。所述第二低旁瓣波纹喇叭对准第一低旁瓣波纹喇叭辐射，之间的自由空间实现信号和噪声同时衰减，降低了微波信号源热噪声和
相位噪声等对最终信号质量的影响。
[0053] 微波信号源发射一个微弱功率信号(-50dBm～-10dBm，根据第一低旁瓣波纹喇叭与第二低旁瓣波纹喇叭之间相对
位置而改变)，由第二低旁瓣波纹喇叭对准第一低旁瓣波纹喇叭辐射，经过自由空间衰减，将微波信号源发射的微波功率和伴随着的宽带热噪声功率(噪声温度一般超过290K)一并衰减，第一低旁瓣波纹喇叭接收到信号源中辐射的热噪声会衰减到一个远小于1K噪声温度的水平，该部分噪声与低旁瓣波纹喇叭收到的冷空热噪声相比，可以忽略不计。因此，从第一低旁瓣波纹喇叭输出的信号仅包括接收到的信号源发射的微波信号和从冷空接收的热噪声。
[0054] 通过控制微波信号源发射功率大小，控制第一低旁瓣波纹喇叭输出的微波功率，实现不同数率的单微波量子输出，例如使第一低旁瓣波纹喇叭输出的微波功率约为-171.6dBW，则每微秒输出约一个单微波量子。该微波信号经过第二极窄带微波滤波器后微波量子数特性不变，噪声因滤波而量子数显著减少，和信号量子数相比较，占比小于10％，这样在第二极窄带微波滤波器后输出仍为每微秒平均输出约一个微波量子，微波信号输出结果符合微波量子源的定义和要求。
[0055] 下面给出本发明的具体实施例：
[0056] 实施例1：
[0057] 如图2所示，将单微波量子源输出的单微波量子(每微秒输出一个单微波量子)和宽带微波噪声源(宽带1GHz微波噪声源)输出的热噪声微波量子(每微秒输入约1000个单微波量子)一起输出到微波低噪声线性放大器中，形成较强的功率输入；该宽带微波噪声源和单微波量子源不共源。微波低噪声线性放大器对此混合信号一起进行50dB放大；放大后的信号经过微波隔离器，该装置防止第一极窄带微波滤波器反射对微波低噪声线性放大器性能的影响，将滤波器反射信号吸收；第一极窄带微波滤波器只允许微波极窄带通带内信号通过(3kHz通带带宽)，滤除掉(3kHz通带带宽)以外所有频率噪声，剩下信号为单微波量子放大后信号，从而实现了单微波量子的放大。在单微波
量子探测器开展的探测实验中，成功探测到单微波量子。
[0058] 实施例2：
[0059] 如图3所示，在常温条件下，将单微波量子源与宽带噪声源共源装置输出的单微波量子(每微秒输出一个单微波量子)和热噪声微波量子(每微秒输出约1000个单微波量子)一起输入到微波低噪声线性放大器中，形成较强的功率输入，微波低噪声线性放大器对此混合信号一起进行60dB放大；放大后的信号经过微波隔离器，该装置防止第一极窄带微波滤波器反射对微波低噪声线性放大器性能的影响，将第一极窄带微波滤波器反射信号吸收；第一极窄带微波滤波器只允许微波极窄带通带内信号通过(5kHz通带带宽)，滤除掉(5kHz通带带宽)以外所有频率噪声，剩下信号等效为单微波量子进行了单量子放大，从而实现了单微波量子的放大。
[0060] 本发明工作环境可以是常温条件下，也可以是低温环境，或极低温环境。单微波量子源每0.1微秒～20微秒输出一个单微波量子，宽带微波噪声源输出的热噪声要求带宽范围100MHz～2GHz，宽带微波噪声源和单微波量子源可以共源也可以不共源，宽带噪声源装置每微秒输出500～2000个单微波量子，微波低噪声线性放大器放大倍数30～60dB，极窄带微波滤波器装置通带带宽1～10kHz。
[0061] 本发明结构简单、实用性好、可以工作在常温条件下，满足了单微波量子探测器实验所需的单微波量子放大器的需求。
[0062] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、
修改、替换和变型。
