專利名稱：波導(dǎo)型邊帶分離超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器基座的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種微波波導(dǎo)元件，特別是一種利用超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器實(shí)現(xiàn)上下邊帶 分離輸出的微波混頻器基座。
背景技術(shù)：
毫米波和亞毫米波段的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是射電天文觀測(cè)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí) 在大氣環(huán)境、資源遙感等領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用價(jià)值。超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器是這個(gè)頻段最為靈 敏的探測(cè)器之一，因此廣泛應(yīng)用于毫米波段和亞毫米波段的射電望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)作為第一 級(jí)的信號(hào)傳感器。目前所采用的超導(dǎo)混頻電路形式主要有三種雙邊帶混頻、單邊帶混頻、 以及邊帶分離型混頻。雙邊帶混頻將輸入的上下兩個(gè)邊帶的信號(hào)經(jīng)變頻混入同一個(gè)中頻端 口輸出；單邊帶混頻器僅將上邊帶或下邊帶輸入信號(hào)經(jīng)變頻由中頻端口輸出，另一個(gè)邊帶 的信號(hào)被抑制；邊帶分離型混頻器則將兩個(gè)邊帶的信號(hào)變頻后分別由獨(dú)立的兩個(gè)中頻輸出 端口輸出。由于邊帶分離型混頻器可以避免兩個(gè)邊帶的干擾，因此具有譜線接收靈敏度高、 抗頻譜混疊以及校準(zhǔn)精度高等優(yōu)點(diǎn)，在新一代射電望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)中獲得實(shí)際應(yīng)用。邊帶分離型混頻器實(shí)現(xiàn)邊帶分離的基本原理參考R.L. Akeson, etc., "Development of a sideband separation receiver at 100 GHz, ，， Proceedings of the Fourth International Symposium On Space Terahertz Technology, pp. 12—17， March 1993。輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)3dB正交耦合電橋分為功率相同而相位正交的兩路，分別通 過(guò)兩個(gè)同相參考信號(hào)(本振信號(hào))激勵(lì)的隧道結(jié)進(jìn)行混頻。兩個(gè)中頻輸出再次經(jīng)過(guò)一個(gè)中頻 的正交混合電橋后即可實(shí)現(xiàn)邊帶的分離，上下邊帶由兩個(gè)獨(dú)立的中頻輸出端口輸出。邊帶分離型混頻器主體(包括基座和混頻芯片)實(shí)現(xiàn)中頻混合電橋前的混頻過(guò)程。 常見(jiàn)的波導(dǎo)型混頻器主體包含一個(gè)混頻器基座(基座內(nèi)集成了分支線正交耦合器、本振功 率分配器，本振耦合器)以及隧道結(jié)混頻器芯片，例如Shinichiro Asayama, etc., "An Integrated Sideband-Separating SIS mixer Based on Waveguide Split Block for 100 GHz Band,，，ALMA Memo #453。已有的波導(dǎo)型邊帶分離混頻器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能，但仍 存在以下缺點(diǎn)。首先，已有的波導(dǎo)型邊帶分離混頻器尚沒(méi)有磁場(chǎng)偏置。因此超導(dǎo)隧道結(jié)混 頻容易受到Jos印hson效應(yīng)的影響，導(dǎo)致接收機(jī)噪聲溫度增加和穩(wěn)定性下降。即便是在較 低的頻率(比如100GHz頻段)，Josephson電流的影響比較小，外加磁場(chǎng)對(duì)改善接收機(jī)穩(wěn)定 性也是有好處的。這是因?yàn)樵谳^低的頻段，隧道結(jié)本身的增益很高。過(guò)高的增益可能導(dǎo)致 兩個(gè)不良效果一是增益飽和，動(dòng)態(tài)范圍減??；二是隧道結(jié)動(dòng)態(tài)電阻高，直流偏置容易產(chǎn)生 振蕩，造成接收機(jī)不穩(wěn)定。而使用外加磁場(chǎng)可以在不影響隧道結(jié)本身噪聲的前提下減小增 益，因而改善增益的線性性，提高穩(wěn)定性。已有的波導(dǎo)型邊帶分離混頻器設(shè)置磁場(chǎng)偏置較 為困難，主要原因是兩個(gè)混頻器芯片分隔的距離較遠(yuǎn)，使用一個(gè)磁體難以兼顧兩個(gè)混頻器 芯片。第二個(gè)缺點(diǎn)是，由于已有的波導(dǎo)型邊帶分離混頻器的兩個(gè)混頻器芯片的位置靠近混 頻器主體的輸入端，因此中頻輸出難以從混頻器主體的后端引出，因而中頻輸出只能設(shè)置 在輸入端面，如 Shinichiro Asayama, etc.，‘‘An Integrated Sideband-Separating SISmixer Based on Waveguide Split Block for 100 GHz Band, ” ALMA Memo #453，或側(cè)面如 Vessen V. Vassilev, etc., "Performance of a sideband separating SIS mixer for 85-115GHz這樣造成外部引線曲折回繞，較為復(fù)雜。在多像元接收機(jī)的應(yīng)用中，比如焦平 面陣列接收機(jī)的情況，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)難以集成而不能應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是在已有波導(dǎo)型邊帶分離型混頻器的基礎(chǔ)上增加磁場(chǎng) 偏置，解決由于Jos印hson電流引起的混頻器噪聲增加以及由于增益過(guò)高帶來(lái)的增益壓縮 和穩(wěn)定性下降，同時(shí)使得中頻輸出能夠從混頻器主體后部引出，使得新的結(jié)構(gòu)適于混頻器 陣列應(yīng)用的要求。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是波導(dǎo)型邊帶分離混頻器，包括基座和混頻器芯片， 所述基座由上基座和下基座圍成內(nèi)部腔體，構(gòu)成微波混頻電路；
所述內(nèi)部腔體為在基座的中間部，基座的輸入端面的中央部位設(shè)有第一和第二輸入 波導(dǎo)口，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)沿垂直于基座輸入端面的方向，從輸入波導(dǎo)口向前延伸，第一、 第二信號(hào)波導(dǎo)之間設(shè)有混合電橋結(jié)構(gòu)，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)以相反的方向進(jìn)行第一次垂直 彎折，分別向左和向右延伸至基座的左右端部，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)再經(jīng)第二次垂直彎折 后向前延伸，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)再經(jīng)第三次垂直彎折后向基座中心相向延伸，寬度逐漸減 小，延伸至基座縱向軸線附近終止；在基座的上下中間部，基座的輸出端面的中央部位設(shè)有 參考信號(hào)輸入波導(dǎo)口，第一參考信號(hào)波導(dǎo)以垂直于前端面的方向向后延伸，經(jīng)本振分配器 后分為第二、第三參考信號(hào)波導(dǎo)，第二、第三參考信號(hào)波導(dǎo)延伸至向第一次彎折后的第一、 第二信號(hào)波導(dǎo)附近，進(jìn)行垂直彎折，沿與分別向左右延伸的第一、第二信號(hào)波導(dǎo)平行方向延 伸，至所述第一、第二信號(hào)波導(dǎo)第二次垂直彎折部終止；在信號(hào)波導(dǎo)和參考信號(hào)波導(dǎo)的平行 延伸部位，所述第二參考信號(hào)波導(dǎo)和第一信號(hào)波導(dǎo)之間設(shè)有開(kāi)槽耦合器，在所述第三參考 信號(hào)波導(dǎo)和第二信號(hào)波導(dǎo)之間設(shè)有開(kāi)槽耦合器；在下基座，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)的終端分別 設(shè)有安裝槽，混頻器芯片插入安裝槽；在上、下基座的前部設(shè)有左、右電路板空間，下基座的 左、右電路板空間內(nèi)設(shè)有左、右電路板，混頻器芯片的輸出信號(hào)輸入左、右電路板，左、右電 路板的輸出接基座前端面的兩個(gè)信號(hào)輸出口 ；所述第二輸入波導(dǎo)口設(shè)有終端匹配負(fù)載；上 部基座頂面接近混頻器芯片的位置設(shè)有嵌入孔，嵌入孔內(nèi)設(shè)有永磁體。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二、第三參考信號(hào)波導(dǎo)的終端設(shè)有終端匹配負(fù) 載，多余的參考信號(hào)被放置在波導(dǎo)內(nèi)的終端匹配負(fù)載吸收。終端匹配負(fù)載采用磁性顆粒填 充的環(huán)氧樹(shù)脂，加工成楔形，實(shí)現(xiàn)20dB以上的吸收。本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明如下波導(dǎo)型邊帶分離型混頻器基座為前入后出，輸入波導(dǎo)口 所在的端面為輸入端，與之相反的一端為參考信號(hào)的輸入和中頻輸出端。信號(hào)由輸入波導(dǎo) 輸入后經(jīng)過(guò)一個(gè)分支線3dB正交混合電橋分為相位正交的兩路，向與輸入波導(dǎo)相垂直的兩 個(gè)相反的方向延伸。參考信號(hào)由后部輸入，經(jīng)本振分配器后分為同相位的兩路，與之相反的 一端為參考信號(hào)的輸入和中頻輸出端。信號(hào)由輸入波導(dǎo)輸入后經(jīng)過(guò)一個(gè)分支線3dB正交混 合電橋分為相位正交的兩路，向與輸入波導(dǎo)相垂直的兩個(gè)相反的方向延伸。參考信號(hào)由后 部輸入，經(jīng)本振分配器后分為同相位的兩路，與兩個(gè)信號(hào)波導(dǎo)分別平行，并通過(guò)開(kāi)槽的方式 與將參考信號(hào)耦合到信號(hào)波導(dǎo)中。多余的參考信號(hào)被放置在波導(dǎo)內(nèi)的吸收負(fù)載吸收。信號(hào)波導(dǎo)在混頻器主體的兩端附近進(jìn)行彎折，向相反的方向行進(jìn)，同時(shí)減小高度，進(jìn)行必要的阻 抗匹配，并在接近混頻器基座對(duì)稱軸的位置終止。在兩個(gè)波導(dǎo)的終端嵌入混頻器芯片，這樣 實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)混頻芯片在空間上的靠近，有利于進(jìn)行磁場(chǎng)偏置。混頻后的中頻信號(hào)經(jīng)內(nèi)置的 Bias-T電路，從后部的中頻接頭輸出。在混頻器基座的外側(cè)接近混頻器芯片的位置通過(guò)嵌入的方式設(shè)置永磁體，由于永 磁體充分接近兩個(gè)混頻器芯片，兩個(gè)芯片上的隧道結(jié)可以獲得相同的磁場(chǎng)偏置。這正是由 于內(nèi)部向后彎折的波導(dǎo)電路設(shè)計(jì)才得以實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，由于波導(dǎo)向混頻器基座的后端彎折， 使得混頻器芯片可以安排在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)靠后的位置，因而方便地實(shí)現(xiàn)了中頻的后端輸出。本項(xiàng)發(fā)明的有益效果是使用單一永磁體同時(shí)偏置波導(dǎo)型邊帶分離混頻器的兩個(gè) 超導(dǎo)隧道結(jié)，在較高的頻率可以避免由于Jos印hson電流所造成的噪聲，在較低的頻率可 以改善增益的線性性，提高動(dòng)態(tài)范圍，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)由于采用了彎折的波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)，使得中頻輸出得以從混頻器主體的后部引出，這樣的前入后出的結(jié)構(gòu)滿足了陣列應(yīng)用 高密度集成的要求。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例邊基座輸出端結(jié)構(gòu)和永磁體位置示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例下基座結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例下基座結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例基座內(nèi)部匹配負(fù)載結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
圖1是波導(dǎo)型邊帶分離型混頻器的結(jié)構(gòu)圖示意圖。波導(dǎo)型邊帶分離混頻器基座由上下 基座1，2拼接而成。上下基座均由紫銅胚加工，加工完成后鍍金以防止表面氧化造成的微 波損耗上升。上下基座的拼接面為經(jīng)過(guò)矩形波導(dǎo)寬邊中心的平面。信號(hào)由標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)法蘭3 中心的信號(hào)輸入波導(dǎo)口 3a輸入，另一個(gè)波導(dǎo)口 3b填充微波吸收材料。參考信號(hào)由后端的 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)法蘭圖2中波導(dǎo)口 6輸入。兩個(gè)中頻信號(hào)分別由SMA第一接頭5和第二接頭7輸 出。在上基座1的上部中心位置開(kāi)有一圓柱形嵌入孔，內(nèi)嵌永磁體4，用于對(duì)超導(dǎo)隧道結(jié)(位 于超導(dǎo)芯片13、14上)進(jìn)行磁場(chǎng)偏置。磁場(chǎng)的大小可以調(diào)節(jié)磁體嵌入深度或選取磁性適當(dāng) 的磁性材料。該例選取的是釹鐵硼磁體。圖3顯示了下基座2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。信號(hào)輸入后經(jīng)分支線正交電橋8分為相位正交、 功率相等的兩路；參考信號(hào)經(jīng)功率分配器15分為相位相同、功率相等的兩路。信號(hào)路和參 考路分別經(jīng)過(guò)開(kāi)槽耦合器9、10相耦合，將大約1%的參考信號(hào)引入信號(hào)波導(dǎo)。多余的參考 信號(hào)由匹配負(fù)載16和17進(jìn)行吸收。信號(hào)波導(dǎo)在基座的左右兩端11、12處折返，經(jīng)逐漸減 小(用于阻抗匹配)后終止于參考信號(hào)輸入波導(dǎo)的兩側(cè)。在信號(hào)波導(dǎo)的終端嵌入混頻器芯片 13、14完成混頻?；斐龅闹蓄l信號(hào)經(jīng)Bias-T電路板16、17到達(dá)后端的SMA接頭5、7。圖4顯示了上基座1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于上下基座是對(duì)稱設(shè)置，其分割面是也是波導(dǎo) 的對(duì)稱面，因此上基座1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與下基座2幾乎相同。所不同的是(1)由于混頻器芯
5片嵌入下基座2，因此上基座1內(nèi)無(wú)超導(dǎo)混頻芯片的安裝槽；(2)用于吸收多余信號(hào)的吸收 負(fù)載均固定在下基座2內(nèi)，上基座1內(nèi)無(wú)吸收負(fù)載；(3)Bias-T電路板安裝在下基座2內(nèi)， 上基座1內(nèi)與Bias-T電路板對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置了下沉的空間19、20，用于給Bias-T內(nèi)的電路 元件提供放置空間。 終端匹配負(fù)載16、17、18結(jié)構(gòu)相同，采用磁性顆粒填充的環(huán)氧樹(shù)脂，Emerson& Cuming公司生產(chǎn)的ECC0S0RB MF117。該材料有足夠的硬度進(jìn)行機(jī)械加工。將材料加工成 楔形(見(jiàn)圖5)，實(shí)現(xiàn)20dB以上的吸收。楔的底部逐漸過(guò)渡到波導(dǎo)的內(nèi)尺寸，使之能夠完全填 充波導(dǎo)，并輔以環(huán)氧膠，使之固定于波導(dǎo)上。
權(quán)利要求
1.波導(dǎo)型邊帶分離超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器，包括基座和混頻器芯片，其特征是，所述基座由 上基座和下基座圍成內(nèi)部腔體，構(gòu)成波導(dǎo)型混頻電路；所述內(nèi)部腔體為在基座的中間部，基座的輸入端面的中央部位設(shè)有第一和第二輸入 波導(dǎo)口，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)沿垂直于基座輸入端面的方向，從輸入波導(dǎo)口向前延伸，第一、 第二信號(hào)波導(dǎo)之間設(shè)有混合電橋結(jié)構(gòu)，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)以相反的方向進(jìn)行第一次垂直 彎折，分別向左和向右延伸至基座的左右端部，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)再經(jīng)第二次垂直彎折 后向前延伸，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)再經(jīng)第三次垂直彎折后向基座中心相向延伸，寬度逐漸減 小，延伸至基座縱向軸線附近終止；在基座的上下中間部，基座的輸出端面的中央部位設(shè)有 參考信號(hào)輸入波導(dǎo)口，第一參考信號(hào)波導(dǎo)以垂直于前端面的方向向后延伸，經(jīng)本振分配器 后分為第二、第三參考信號(hào)波導(dǎo)，第二、第三參考信號(hào)波導(dǎo)延伸至向第一次彎折后的第一、 第二信號(hào)波導(dǎo)附近，進(jìn)行垂直彎折，沿與分別向左右延伸的第一、第二信號(hào)波導(dǎo)平行方向延 伸，至所述第一、第二信號(hào)波導(dǎo)第二次垂直彎折部終止；在信號(hào)波導(dǎo)和參考信號(hào)波導(dǎo)的平行 延伸部位，所述第二參考信號(hào)波導(dǎo)和第一信號(hào)波導(dǎo)之間設(shè)有開(kāi)槽耦合器，在所述第三參考 信號(hào)波導(dǎo)和第二信號(hào)波導(dǎo)之間設(shè)有開(kāi)槽耦合器；在下基座，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)的終端分別 設(shè)有安裝槽，混頻器芯片插入安裝槽；在上、下基座的前部設(shè)有左、右電路板空間，下基座的 左、右電路板空間內(nèi)設(shè)有左、右電路板，混頻器芯片的輸出信號(hào)輸入左、右電路板，左、右電 路板的輸出接基座前端面的兩個(gè)信號(hào)輸出口 ；所述第二輸入波導(dǎo)口設(shè)有終端匹配負(fù)載；上 部基座頂面接近混頻器芯片的位置設(shè)有嵌入孔，嵌入孔內(nèi)設(shè)有永磁體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)型邊帶分離混頻器基座，其特征是，所述第二、第三參考 信號(hào)波導(dǎo)的終端設(shè)有終端匹配負(fù)載。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波導(dǎo)型邊帶分離型混頻器基座，其特征是，終端匹配負(fù)載采 用磁性顆粒填充的環(huán)氧樹(shù)脂，并被加工成楔形。
全文摘要
波導(dǎo)型邊帶分離超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器，基座的輸入端面的中央部位設(shè)有第一和第二輸入波導(dǎo)口，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)沿垂直于基座輸入端面的方向，從輸入波導(dǎo)口向前延伸，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)以相反的方向進(jìn)行第一次垂直彎折，分別向左和向右延伸至基座的左右端部，第一、第二信號(hào)波導(dǎo)再經(jīng)兩次垂直彎折后，寬度逐漸減小，延伸至基座縱向軸線附近終止；第一參考信號(hào)波導(dǎo)以垂直于前端面的方向向后延伸，經(jīng)本振分配器后分為第二、第三參考信號(hào)波導(dǎo)，第二、第三參考信號(hào)波導(dǎo)延伸至向第一次彎折后的第一、第二信號(hào)波導(dǎo)附近，進(jìn)行垂直彎折，沿與分別向左右延伸的第一、第二信號(hào)波導(dǎo)平行方向延伸，至第一、第二信號(hào)波導(dǎo)第二次垂直彎折部終止。
文檔編號(hào)H01P5/12GK102005631SQ20101050965
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者單文磊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)