一种平衡式高温超导接收机的电路设计及建模方法技术

本发明专利技术涉及一种平衡式高温超导接收机的电路设计及建模方法，属于微波与太赫兹通信、高温超导技术领域。包括平衡式高温超导接收机的电路设计及接收机建模方法；步骤1、平衡式高温超导接收机的电路设计包括MgO芯片电路设计和氧化铝PCB电路设计，并通过粘接带连接；MgO芯片电路设计包括3dB分支桥网络、阻抗匹配、带直流偏置电路的约瑟夫森结、扇形扼流滤波器及五阶扼流滤波器；氧化铝PCB电路设计包括设计偏置三通电路及中频信号混合电路；步骤2、平衡式高温超导接收机的建模，包括建立多端口网络交织模型及得出超导接收机的转换增益和噪声温度的解析表达式。所设计电路具有小体积、成本低、低噪声、极宽中频带宽、高频率上限以及低功率需求的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种平衡式高温超导接收机的电路设计及建模方法
本专利技术涉及一种平衡式高温超导接收机的电路设计及建模方法，属于微波与太赫兹通信、高温超导

技术介绍
相比常规半导体太赫兹接收机，超导接收机具有低噪声、极宽中频带宽、高频率上限、低功率需求等优点；而与低温超导接收机相比，高温超导接收机需要采用的低温设施更加小型化、廉价化，作为太赫兹通信系统前端器件具有良好的应用前景。然而，接收的射频信号通常具有较高的杂散音和倍频放大网络产生的幅值噪声，这严重降低了高温超导接收机的性能。相比于单结或串联结式高温超导接收机，平衡式高温超导接收机具有本振杂散音和幅值噪声消除能力，能够有效解决射频接收信号引起的问题。由于平衡式高温超导接收机电路及其建模理论的复杂性，目前国内还没有发表或研究出有效的平衡式高温超导接收机电路及其建模理论。鉴于上述情况，急需专利技术一种平衡式高温超导接收机的电路设计及建模方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有高温超导接收机缺乏平衡式电路与建模方法，导致接收机抗噪声性能差，提出了一种平衡式高温超导接收机的电路设计及建模方法。为了达到上述目的，本专利技术采取如下技术方案。所述平衡式高温超导接收机的电路设计及建模方法，包括平衡式高温超导接收机的电路设计、平衡式高温超导接收机的建模方法；步骤1平衡式高温超导接收机的电路设计包括MgO芯片电路设计和氧化铝PCB电路设计，并将二者通过粘接带连接；其中，MgO芯片电路为高温超导微带电路，包括3dB分支桥网络、阻抗匹配、两个带直流偏置电路的约瑟夫森结、扇形扼流滤波器、五阶扼流滤波器以及粘接带；氧化铝PCB电路，包括偏置三通电路以及中频信号的混合电路；步骤1、具体包括如下子步骤：步骤1.1设计MgO芯片电路，包括如下子步骤：步骤1.1.1设计3dB分支桥网络，作为射频信号与本振信号的正交耦合电路，完成射频信号与本振信号的正交耦合，并使正交耦合后的信号能量平均分配为两路射频信号输出；步骤1.1.2设计四分之一波长高低阻抗线进行阻抗匹配，再将正交耦合后的两路射频信号与本振信号分别到达两个约瑟夫森结处进行混频，输出两路中频信号；其中，阻抗匹配位于3dB分支桥网络和两个约瑟夫森结之间；步骤1.1.3采用扇形扼流滤波器设计两个约瑟夫森结的直流偏置电路，保证两个约瑟夫森结正常工作；其中，扇形扼流滤波器的作用是防止中频信号、本振信号以及射频信号的流到直流偏置处；步骤1.1.4设计五阶扼流滤波器，使得两个约瑟夫森结处混频产生的两路中频信号能够达到dc/IF垫片，该垫片通过径向短截线和氧化铝PCB电路连接；其中，dc/IF垫片和径向短截线构成粘接带，该粘接带将MgO芯片电路和氧化铝PCB电路相连；步骤1.2设计氧化铝PCB电路，具体包括如下子步骤：步骤1.2.1设计两个偏置三通电路，用来测试约瑟夫森结与电路特性；其中，每个偏置三通电路包括两个500Ω电阻和一个100-nF电容；步骤1.2.2设计中频信号的混合电路，将步骤1.1.2产生的两路中频信号在混合电路中进行同相叠加；通过步骤1.2.2使得本振杂散音和幅值噪声刚好反向相加抵消；其中，中频信号的混合电路是一种宽频多段威尔金森，中心工作频率的范围为：5GHz-15GHz；步骤2平衡式高温超导接收机的建模方法是一种基于时频分离和网络交织处理的建模方法，具体包括如下步骤：步骤2.1建立多端口网络交织模型，具体包括如下子步骤：步骤2.1.1建立包括两个相同的约瑟夫森结的模型中间部分，且两个约瑟夫森结受两个独立的热噪声电流驱动；其中，每个约瑟夫森结为电阻并联结电路；步骤2.1.2通过为约瑟夫森结提供偏置电流的两个反向偏置电流Ib1和Ib2、提供本振信号的两个电路网络以及本振耦合网络建立模型左端；其中，一个提供本振信号的电路网络仅包括阻抗Zlo1，另一个提供本振信号的电路网络包括阻抗Zlo2与本振源电压Vlos；本振耦合网络用阻抗矩阵描述；步骤2.1.3建立包括两个射频信号产生电路以及射频信号耦合网络、一个中频信号耦合网络及中频信号产生电路、一个镜像信号耦合网络及两个镜像信号产生电路的模型右端；其中，一个射频信号产生电路包括阻抗Zrf1与射频信号源电压Vrfs，另一个射频信号产生电路仅包括阻抗Zrf2；射频信号耦合网络由阻抗矩阵描述；中频信号耦合网络由阻抗矩阵描述；中频信号产生电路由Zif构成；镜像信号耦合网络由阻抗矩阵描述；两个镜像信号产生电路分别由阻抗Zim1以及Zim2构成；步骤2.2根据步骤2.1建立的多端口网络交织模型，得出平衡式高温超导接收机的转换增益和噪声温度的解析表达式，具体包括如下子步骤：步骤2.2.1依据高温超导约瑟夫森结的非线性关系及基尔霍夫电流定律，结合模型中间部分的电路，根据基尔霍夫电流定律建立时域非线性约瑟夫森方程组，并求解该方程组得到两个约瑟夫森结的时域归一化结电压v1(τ)与v2(τ)；其中，时域非线性约瑟夫森方程组一端为高温超导约瑟夫森结的超导电流与流过结电阻Rj的电流之和，另一端为流进高温超导约瑟夫森结的直流信号的电流、本振信号的电流以及噪声的电流之和；高温超导约瑟夫森结的超导电流为结的临界电流Ij与结的超导相位差的正弦函数的乘积；步骤2.2.2对时域归一化结电压v1(τ)与v2(τ)分别进行傅里叶变换，并分别保留直流与本振信号频率处的电压分量vbq_0、vloq_0，并舍去其余分量；步骤2.2.3选取幅值不同的直流电流与本振电流，重复步骤2.2.1与2.2.2，分别计算直流电压与本振电压分量的均值<vbq_0>、<vloq_0>、方差<(δvbq_0)2>、<(δvloq_0)2>、协方差<(δvbq_0)(δvloq_0)>和本振电压的模方差<|δvloq_0|2>；其中，q＝1，2；K的取值范围为2到20；<vbq_0>代表vbq_0的均值，<vloq_0>代表vloq_0的均值；<(δvbq_0)2>代表vbq_0的方差，<(δvloq_0)2>代表vloq_0的方差，<(δvbq_0)(δvloq_0)>代表vbq_0与vloq_0的协方差；<|δvloq_0|2>代表vloq_0的模方差；步骤2.2.4结合模型左端本振耦合网络，根据基尔霍夫电压定律建立方程组，求解得到本振源电压Vlos与本振电压<vlo1>，本振电流ilo1、ilo2，本振耦合网络阻抗Alo12、Blo11、Blo12之间的关系，再得到本振源功率Plos与本振源电压Vlos、高温超导约瑟夫森结的临界电流Ij、高温超导约瑟夫森结的结电阻Rj、阻抗Zlo2之间的关系；其中，步骤2.2.4的作用是在其他参数已知的情况下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平衡式高温超导接收机的电路设计及建模方法，其特征在于：包括平衡式高温超导接收机的电路设计及超导接收机的建模方法；/n步骤1、平衡式高温超导接收机的电路设计包括MgO芯片电路设计和氧化铝PCB电路设计，并将二者通过粘接带连接；/n其中，MgO芯片电路为高温超导微带电路，包括3dB分支桥网络、阻抗匹配、两个带直流偏置电路的约瑟夫森结、扇形扼流滤波器、五阶扼流滤波器以及粘接带；/n氧化铝PCB电路，包括偏置三通电路以及中频信号的混合电路；/n步骤1、具体包括如下子步骤：/n步骤1.1设计MgO芯片电路，包括如下子步骤：/n步骤1.1.1设计3dB分支桥网络，作为射频信号与本振信号的正交耦合电路，完成射频信号与本振信号的正交耦合，并使正交耦合后的信号能量平均分配为两路射频信号输出；/n步骤1.1.2设计四分之一波长高低阻抗线进行阻抗匹配，再将正交耦合后的两路射频信号与本振信号分别到达两个约瑟夫森结处进行混频，输出两路中频信号；/n步骤1.1.3采用扇形扼流滤波器设计两个约瑟夫森结的直流偏置电路，保证两个约瑟夫森结正常工作；/n步骤1.1.4设计五阶扼流滤波器，使得两个约瑟夫森结处混频产生的两路中频信号能够达到dc/IF垫片，该垫片通过径向短截线和氧化铝PCB电路连接；/n步骤1.2设计氧化铝PCB电路，具体包括如下子步骤：/n步骤1.2.1设计两个偏置三通电路，用来测试约瑟夫森结与电路特性；/n步骤1.2.2设计中频信号的混合电路，将步骤1.1.2产生的两路中频信号在混合电路中进行同相叠加；/n步骤2对平衡式高温超导接收机进行建模，具体采用时频分离和网络交织处理，包括如下步骤：/n步骤2.1建立多端口网络交织模型，具体包括如下子步骤：/n步骤2.1.1建立包括两个相同的约瑟夫森结的模型中间部分，且两个约瑟夫森结受两个独立的热噪声电流驱动；/n步骤2.1.2通过为约瑟夫森结提供偏置电流的两个反向偏置电流I...

【技术特征摘要】
1.一种平衡式高温超导接收机的电路设计及建模方法，其特征在于：包括平衡式高温超导接收机的电路设计及超导接收机的建模方法；
步骤1、平衡式高温超导接收机的电路设计包括MgO芯片电路设计和氧化铝PCB电路设计，并将二者通过粘接带连接；
其中，MgO芯片电路为高温超导微带电路，包括3dB分支桥网络、阻抗匹配、两个带直流偏置电路的约瑟夫森结、扇形扼流滤波器、五阶扼流滤波器以及粘接带；
氧化铝PCB电路，包括偏置三通电路以及中频信号的混合电路；
步骤1、具体包括如下子步骤：
步骤1.1设计MgO芯片电路，包括如下子步骤：
步骤1.1.1设计3dB分支桥网络，作为射频信号与本振信号的正交耦合电路，完成射频信号与本振信号的正交耦合，并使正交耦合后的信号能量平均分配为两路射频信号输出；
步骤1.1.2设计四分之一波长高低阻抗线进行阻抗匹配，再将正交耦合后的两路射频信号与本振信号分别到达两个约瑟夫森结处进行混频，输出两路中频信号；
步骤1.1.3采用扇形扼流滤波器设计两个约瑟夫森结的直流偏置电路，保证两个约瑟夫森结正常工作；
步骤1.1.4设计五阶扼流滤波器，使得两个约瑟夫森结处混频产生的两路中频信号能够达到dc/IF垫片，该垫片通过径向短截线和氧化铝PCB电路连接；
步骤1.2设计氧化铝PCB电路，具体包括如下子步骤：
步骤1.2.1设计两个偏置三通电路，用来测试约瑟夫森结与电路特性；
步骤1.2.2设计中频信号的混合电路，将步骤1.1.2产生的两路中频信号在混合电路中进行同相叠加；
步骤2对平衡式高温超导接收机进行建模，具体采用时频分离和网络交织处理，包括如下步骤：
步骤2.1建立多端口网络交织模型，具体包括如下子步骤：
步骤2.1.1建立包括两个相同的约瑟夫森结的模型中间部分，且两个约瑟夫森结受两个独立的热噪声电流驱动；
步骤2.1.2通过为约瑟夫森结提供偏置电流的两个反向偏置电流Ib1和Ib2、提供本振信号的两个电路网络以及本振耦合网络建立模型左端；
步骤2.1.3建立包括两个射频信号产生电路以及射频信号耦合网络、一个中频信号耦合网络及中频信号产生电路、一个镜像信号耦合网络及两个镜像信号产生电路的模型右端；
步骤2.2根据步骤2.1建立的多端口网络交织模型，得出平衡式高温超导接收机的转换增益和噪声温度的解析表达式，具体包括如下子步骤：
步骤2.2.1依据高温超导约瑟夫森结的非线性关系及基尔霍夫电流定律，结合模型中间部分的电路，根据基尔霍夫电流定律建立时域非线性约瑟夫森方程组，并求解该方程组得到两个约瑟夫森结的时域归一化结电压v1(τ)与v2(τ)；
步骤2.2.2对时域归一化结电压v1(τ)与v2(τ)分别进行傅里叶变换，并分别保留直流与本振信号频率处的电压分量vbq_0、vloq_0，并舍去其余分量；
步骤2.2.3选取幅值不同的直流电流与本振电流，重复步骤2.2.1与2.2.2，分别计算直流电压与本振电压分量的均值<vbq_0>、<vloq_0>、方差<(δvbq_0)2>、<(δvloq_0)2>、协方差<(δvbq_0)(δvloq_0)>和本振电压的模方差<|δvloq_0|2>；
其中，q＝1，2；<vbq_0>代表vbq_0的均值，<vloq_0>代表vloq_0的均值；<(δvbq_0)2>代表vbq_0的方差，<(δvloq_0)2>代表vloq_0的方差，<(δvbq_0)(δvloq_0)>代表vbq_0与vloq_0的协方差；<|δvloq_0|2>代表vloq_0的模方差；
步骤2.2.4结合模型左端本振耦合网络，根据基尔霍夫电压定律建立方程组，求解得到本振源电压Vlos与本振电压<vlo1>，本振电流ilo1、ilo2，本振耦合网络阻抗Alo12、Blo11、Blo12之间的关系，再得到本振源功率Plos与本振源电压Vlos、高温超导约瑟夫森结的临界电流Ij、高温超导约瑟夫森结的结电阻Rj、阻抗Zlo2之间的关系；
步骤2.2.5结合模型右端的电路与耦合网络，建立射频电压vrf1、vrf2、中频电压vif1、vif2、镜像电压vim1、vim2与射频电流irf1、irf2、中频电流iif1、iif2、镜像电流iim1、iim2之间关系的方程组，该方程组具体通过静态阻抗矩阵与与射频源电压向量vsig建立；
其中，阻抗矩阵的元素由模型右端的电路与耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：高翔，李焕新，代贤乐，卜祥元，安建平，刘珩，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11