CN102005631B - 波导型边带分离超导隧道结混频器基座 - Google Patents

Abstract

波导型边带分离超导隧道结混频器，基座的输入端面的中央部位设有第一和第二输入波导口，第一、第二信号波导沿垂直于基座输入端面的方向，从输入波导口向前延伸，第一、第二信号波导以相反的方向进行第一次垂直弯折，分别向左和向右延伸至基座的左右端部，第一、第二信号波导再经两次垂直弯折后，宽度逐渐减小，延伸至基座纵向轴线附近终止；第一参考信号波导以垂直于前端面的方向向后延伸，经本振分配器后分为第二、第三参考信号波导，第二、第三参考信号波导延伸至向第一次弯折后的第一、第二信号波导附近，进行垂直弯折，沿与分别向左右延伸的第一、第二信号波导平行方向延伸，至第一、第二信号波导第二次垂直弯折部终止。

Description

波导型边带分离超导隧道结混频器基座

技术领域

本发明属于一种微波波导元件，特别是一种利用超导隧道结混频器实现上下边带分离输出的微波混频器基座。 

背景技术

毫米波和亚毫米波段的微弱信号检测技术是射电天文观测的一项关键技术，同时在大气环境、资源遥感等领域也有潜在的应用价值。超导隧道结混频器是这个频段最为灵敏的探测器之一，因此广泛应用于毫米波段和亚毫米波段的射电望远镜接收***作为第一级的信号传感器。目前所采用的超导混频电路形式主要有三种：双边带混频、单边带混频、以及边带分离型混频。双边带混频将输入的上下两个边带的信号经变频混入同一个中频端口输出；单边带混频器仅将上边带或下边带输入信号经变频由中频端口输出，另一个边带的信号被抑制；边带分离型混频器则将两个边带的信号变频后分别由独立的两个中频输出端口输出。由于边带分离型混频器可以避免两个边带的干扰，因此具有谱线接收灵敏度高、抗频谱混叠以及校准精度高等优点，在新一代射电望远镜接收***中获得实际应用。 

边带分离型混频器实现边带分离的基本原理参考：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。输入信号首先经过一个3dB正交耦合电桥分为功率相同而相位正交的两路，分别通过两个同相参考信号（本振信号）激励的隧道结进行混频。两个中频输出再次经过一个中频的正交混合电桥后即可实现边带的分离，上下边带由两个独立的中频输出端口输出。 

边带分离型混频器主体（包括基座和混频芯片）实现中频混合电桥前的混频过程。常见的波导型混频器主体包含一个混频器基座（基座内集成了分支线正交耦合器、本振功率分配器，本振耦合器）以及隧道结混频器芯片，例如：Shinichiro Asayama, etc., “An Integrated Sideband-Separating SIS mixer Based on Waveguide Split Block for 100 GHz Band,” ALMA Memo #453。已有的波导型边带分离混频器虽然能够实现基本功能，但仍存在以下缺点。首先，已有的波导型边带分离混频器尚没有磁场偏置。因此超导隧道结混频容易受到Josephson效应的影响，导致接收机噪声温度增加和稳定性下降。即便是在较低的频率（比如100GHz频段），Josephson电流的影响比较小，外加磁场对改善接收机稳定性也是有好处的。这是因为在较低的频段，隧道结本身的增益很高。过高的增益可能导致两个不良效果：一是增益饱和，动态范围减小；二是隧道结动态电阻高，直流偏置容易产生振荡，造成接收机不稳定。而使用外加磁场可以在不影响隧道结本身噪声的前提下减小增益，因而改善增益的线性性，提高稳定性。已有的波导型边带分离混频器设置磁场偏置较为困难，主要原因是两个混频器芯片分隔的距离较远，使用一个磁体难以兼顾两个混频器芯片。第二个缺点是，由于已有的波导型边带分离混频器的两个混频器芯片的位置靠近混频器主体的输入端，因此中频输出难以从混频器主体的后端引出，因而中频输出只能设置在输入端面，如Shinichiro Asayama, etc., “An Integrated Sideband-Separating SIS mixer Based on Waveguide Split Block for 100 GHz Band,” ALMA Memo #453，或侧面如Vessen V. Vassilev, etc., “Performance of a sideband separating SIS mixer for 85-115GHz”。这样造成外部引线曲折回绕，较为复杂。在多像元接收机的应用中，比如焦平面阵列接收机的情况，现有结构难以集成而不能应用。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在已有波导型边带分离型混频器的基础上增加磁场偏置，解决由于Josephson 电流引起的混频器噪声增加以及由于增益过高带来的增益压缩和稳定性下降，同时使得中频输出能够从混频器主体后部引出，使得新的结构适于混频器阵列应用的要求。 

实现本发明目的的技术方案是：波导型边带分离超导隧道结混频器基座，包括基座和混频器芯片，所述基座由上基座和下基座围成内部腔体，构成微波混频电路； 

所述内部腔体为：在基座的中间部，基座的输入端面的中央部位设有第一和第二输入波导口，第一、第二信号波导沿垂直于基座输入端面的方向，从输入波导口向前延伸，第一、第二信号波导之间设有混合电桥结构， 第一、第二信号波导以相反的方向进行第一次垂直弯折，分别向左和向右延伸至基座的左右端部，第一、第二信号波导再经第二次垂直弯折后向前延伸，第一、第二信号波导再经第三次垂直弯折后向基座中心相向延伸，宽度逐渐减小，延伸至基座纵向轴线附近终止；在基座的上下中间部，基座的输出端面的中央部位设有参考信号输入波导口，第一参考信号波导以垂直于前端面的方向向后延伸，经本振分配器后分为第二、第三参考信号波导，第二、第三参考信号波导延伸至向第一次弯折后的第一、第二信号波导附近，进行垂直弯折，沿与分别向左右延伸的第一、第二信号波导平行方向延伸，至所述第一、第二信号波导第二次垂直弯折部终止；在信号波导和参考信号波导的平行延伸部位，所述第二参考信号波导和第一信号波导之间设有开槽耦合器，在所述第三参考信号波导和第二信号波导之间设有开槽耦合器；在下基座，第一、第二信号波导的终端分别设有安装槽，混频器芯片***安装槽；在上、下基座的前部设有左、右电路板空间，下基座的左、右电路板空间内设有左、右电路板，混频器芯片的输出信号输入左、右电路板，左、右电路板的输出接基座前端面的两个信号输出口；所述第二输入波导口设有终端匹配负载；上部基座顶面接近混频器芯片的位置设有嵌入孔，嵌入孔内设有永磁体。

作为本发明的进一步改进，所述第二、第三参考信号波导的终端设有终端匹配负载，多余的参考信号被放置在波导内的终端匹配负载吸收。终端匹配负载采用磁性颗粒填充的环氧树脂，加工成楔形，实现20dB以上的吸收。 

本发明进一步说明如下：波导型边带分离型混频器基座为前入后出，输入波导口所在的端面为输入端，与之相反的一端为参考信号的输入和中频输出端。信号由输入波导输入后经过一个分支线3dB正交混合电桥分为相位正交的两路，向与输入波导相垂直的两个相反的方向延伸。参考信号由后部输入，经本振分配器后分为同相位的两路，与之相反的一端为参考信号的输入和中频输出端。信号由输入波导输入后经过一个分支线3dB正交混合电桥分为相位正交的两路，向与输入波导相垂直的两个相反的方向延伸。参考信号由后部输入，经本振分配器后分为同相位的两路，与两个信号波导分别平行，并通过开槽的方式与将参考信号耦合到信号波导中。多余的参考信号被放置在波导内的吸收负载吸收。信号波导在混频器主体的两端附近进行弯折，向相反的方向行进，同时减小高度，进行必要的阻抗匹配，并在接近混频器基座对称轴的位置终止。在两个波导的终端嵌入混频器芯片，这样实现了两个混频芯片在空间上的靠近，有利于进行磁场偏置。混频后的中频信号经内置的Bias-T电路，从后部的中频接头输出。 

在混频器基座的外侧接近混频器芯片的位置通过嵌入的方式设置永磁体，由于永磁体充分接近两个混频器芯片，两个芯片上的隧道结可以获得相同的磁场偏置。这正是由于内部向后弯折的波导电路设计才得以实现的。同时，由于波导向混频器基座的后端弯折，使得混频器芯片可以安排在波导结构靠后的位置，因而方便地实现了中频的后端输出。 

本项发明的有益效果是：使用单一永磁体同时偏置波导型边带分离混频器的两个超导隧道结，在较高的频率可以避免由于Josephson电流所造成的噪声，在较低的频率可以改善增益的线性性，提高动态范围，增加***的稳定性。同时由于采用了弯折的波导结构，使得中频输出得以从混频器主体的后部引出，这样的前入后出的结构满足了阵列应用高密度集成的要求。 

附图说明

图1是本发明实施例结构示意图； 

图2是本发明实施例边基座输出端结构和永磁***置示意图；

图3是本发明实施例下基座结构示意图；

图4是本发明实施例下基座结构示意图；

图5是本发明实施例基座内部匹配负载结构图。

具体实施方式

实施例1 

图1是波导型边带分离型混频器的结构图示意图。波导型边带分离混频器基座由上下基座1,2拼接而成。上下基座均由紫铜胚加工，加工完成后镀金以防止表面氧化造成的微波损耗上升。上下基座的拼接面为经过矩形波导宽边中心的平面。信号由标准波导法兰3中心的信号输入波导口3a输入，另一个波导口3b填充微波吸收材料。参考信号由后端的标准波导法兰图2中波导口6输入。两个中频信号分别由SMA第一接头5和第二接头7输出。在上基座1的上部中心位置开有一圆柱形嵌入孔，内嵌永磁体4，用于对超导隧道结（位于超导芯片13、14上）进行磁场偏置。磁场的大小可以调节磁体嵌入深度或选取磁性适当的磁性材料。该例选取的是钕铁硼磁体。

图3显示了下基座2的内部结构。信号输入后经分支线正交电桥8分为相位正交、功率相等的两路；参考信号经功率分配器15分为相位相同、功率相等的两路。信号路和参考路分别经过开槽耦合器9、10相耦合，将大约1%的参考信号引入信号波导。多余的参考信号由匹配负载16和17进行吸收。信号波导在基座的左右两端11、12处折返，经逐渐减小（用于阻抗匹配）后终止于参考信号输入波导的两侧。在信号波导的终端嵌入混频器芯片13、14完成混频。混出的中频信号经Bias-T电路板16、17到达后端的SMA接头5、7。 

图4显示了上基座1的内部结构。由于上下基座是对称设置，其分割面是也是波导的对称面，因此上基座1的内部结构与下基座2几乎相同。所不同的是：（1）由于混频器芯片嵌入下基座2，因此上基座1内无超导混频芯片的安装槽；（2）用于吸收多余信号的吸收负载均固定在下基座2内，上基座1内无吸收负载；（3）Bias-T电路板安装在下基座2内，上基座1内与Bias-T电路板对应的位置设置了下沉的空间19、20，用于给Bias-T内的电路元件提供放置空间。 

终端匹配负载16、17、18结构相同，采用磁性颗粒填充的环氧树脂，Emerson& Cuming 公司生产的ECCOSORB^TM MF117。该材料有足够的硬度进行机械加工。将材料加工成楔形（见图5），实现20dB以上的吸收。楔的底部逐渐过渡到波导的内尺寸，使之能够完全填充波导，并辅以环氧胶，使之固定于波导上。 

Claims (3)

1.波导型边带分离超导隧道结混频器基座，包括基座和混频器芯片，其特征是，所述基座由上基座和下基座围成内部腔体，构成波导型混频电路；

所述内部腔体为：在基座的中间部，基座的输入端面的中央部位设有第一和第二输入波导口，第一、第二信号波导沿垂直于基座输入端面的方向，从输入波导口向前延伸，第一、第二信号波导之间设有混合电桥结构， 第一、第二信号波导以相反的方向进行第一次垂直弯折，分别向左和向右延伸至基座的左右端部，第一、第二信号波导再经第二次垂直弯折后向前延伸，第一、第二信号波导再经第三次垂直弯折后向基座中心相向延伸，宽度逐渐减小，延伸至基座纵向轴线附近终止；在基座的上下中间部，基座的输出端面的中央部位设有参考信号输入波导口，第一参考信号波导以垂直于前端面的方向向后延伸，经本振分配器后分为第二、第三参考信号波导，第二、第三参考信号波导延伸至向第一次弯折后的第一、第二信号波导附近，进行垂直弯折，沿与分别向左右延伸的第一、第二信号波导平行方向延伸，至所述第一、第二信号波导第二次垂直弯折部终止；在信号波导和参考信号波导的平行延伸部位，所述第二参考信号波导和第一信号波导之间设有开槽耦合器，在所述第三参考信号波导和第二信号波导之间设有开槽耦合器；在下基座，第一、第二信号波导的终端分别设有安装槽，混频器芯片***安装槽；在上、下基座的前部设有左、右电路板空间，下基座的左、右电路板空间内设有左、右电路板，混频器芯片的输出信号输入左、右电路板，左、右电路板的输出接基座前端面的两个信号输出口；所述第二输入波导口设有终端匹配负载；上部基座顶面接近混频器芯片的位置设有嵌入孔，嵌入孔内设有永磁体。

2.根据权利要求1所述的波导型边带分离超导隧道结混频器基座，其特征是，所述第二、第三参考信号波导的终端设有终端匹配负载。

3.根据权利要求2所述的波导型边带分离超导隧道结混频器基座，其特征是，终端匹配负载采用磁性颗粒填充的环氧树脂，并被加工成楔形。

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