基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器，属于高温超导以及谐波混频器技术领域。所述太赫兹混频器，包括薄膜、介质基底、缝隙天线以及透镜；薄膜生长在介质基底一端，透镜装在介质基底的另一端；薄膜的长宽尺寸一般大于缝隙天线的1

【技术实现步骤摘要】
基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器


[0001]本专利技术涉及一种基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器，属于高温超导以及谐波混频器


技术介绍

[0002]基于高温超导的混频器在设计时，一般都是采用基波混频或者高次谐波混频。国内外高温超导混频器的研究较少。一方面，由于二次谐波混频器要求的分频比最低，同时实现射频与本振有较高方向图增益难度比较大；另一方面，基于高温超导的约瑟夫森结阻抗约为5欧姆，实现射频与本振同时完成阻抗匹配的难度大。因此，高温超导混频器
，目前还没有二次谐波混频器的设计。
[0003]与常规半导体的太赫兹混频器相比，基于高温超导技术的太赫兹混频器具有噪声低与本振功率低的优点。鉴于谐波中二次谐波的能量最大，故在谐波混频中，二次谐波混频的变频损耗最小。且与基于高温超导技术的基波混频相比，谐波混频可用频率选择表面替换分束器，从而避免射频耦合带来的损耗与性能恶化，让本振信号完全透过频率选择表面、射频信号完全由频率选择表面反射，实现理想合路，一起耦合至混频器中，从而大幅降低信号耦合损耗。尤其是对于太赫兹频段的信号，鉴于高频信号衰减快，故而接收混频器的变频损耗与耦合损耗对太赫兹信号的噪声与灵敏度影响非常大。因此，急需设计一种基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有的太赫兹混频器频段高、空间衰减大，所以对于混频器；更低噪声温度以及更低变频损耗非常重要，为进一步降低噪声温度以及变频损耗，采用高温超导技术设计混频器，同时二次谐波混频可用频率选择表面替换分束器，从而避免射频耦合带来的损耗与性能恶化，提出了一种基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器。
[0005]为达上述目的，本专利技术采取如下技术方案。
[0006]所述高温超导的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器，包括薄膜、介质基底、缝隙天线以及透镜；
[0007]其中，薄膜生长在介质基底一端，透镜装在介质基底的另一端；薄膜的长宽尺寸一般大于缝隙天线的1
‑
2倍；介质基底的材料选取MgO，其长宽尺寸与薄膜一致，其厚度范围为200
‑
1000μm；缝隙天线由薄膜上的一系列缝隙组成；
[0008]缝隙天线的设计过程，包括如下步骤：
[0009]步骤1、调整最长缝隙振子的长度与周期率，使得天线在某两个特定THz频点的反射参数S11为极小值点，阻抗的虚部均为0欧姆，实部同样均为极小值点；
[0010]步骤2、采用四分之一波长高低阻抗线将两个频点的输入阻抗同时优化到X欧姆，以便高温超导约瑟夫森结进行非线性混频；
[0011]其中，四分之一波长高低阻抗线的长度为接收太赫兹信号的四分之一波长且四分之一波长高低阻抗线的缝隙宽度与缝隙之间金属的宽度由四分之一波长高低阻抗线的阻抗值决定；X的取值范围为5到15欧姆；
[0012]步骤3、采用共面波导CPW，利用缝隙天线外围基本没有高频电流的特点，在对数周期缝隙天线最外层增设对称缝隙振子，然后将对称缝隙振子平滑引出至薄膜边缘的中频输出端口，通过调整CPW的尺寸，使得CPW特性阻抗约为50欧姆，并保证参数S21在中频信号内较大，这样便能在不影响射频与本振信号的情况下，将变频后的中频信号引出；
[0013]其中，中频信号内较大是指大于
‑
3dB；
[0014]步骤4、透镜为半球形，用来提高信号增益，其直径取薄膜的短边，材料不限于Si；
[0015]所述基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器的工作原理为：
[0016]通过调整反射镜以及频率选择表面的角度，使得LO本振信号与接收信号能适当的到达透镜，通过透镜到达介质基底并提高信号增益，然后通过对数周期缝隙天线进一步提高信号的增益，最后通过四分之一波长高低阻抗线将信号传输至高温超导约瑟夫森结处进行二次谐波混频，混频的原理如下式(1)：
[0017]f
o
＝f
i
±
2f
L
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0018]其中，f
o
为输出的中频信号频率，f
i
为输入的太赫兹射频信号频率，f
L
为本振信号的频率。
[0019]混频后产生中频信号f
o
通过最外围的对称缝隙振子与CPW共面波导传递到中频输出端口输出中频信号。
[0020]有益效果
[0021]本专利技术公开的基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器，与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0022]1、所述太赫兹混频器与常规半导体的太赫兹混频器相比，基于高温超导技术的太赫兹混频器具有噪声低与本振功率低的优点；
[0023]2、鉴于谐波中二次谐波的能量最大，故在谐波混频中，二次谐波混频的变频损耗最小；且与基于高温超导技术的基波混频相比，谐波混频可用频率选择表面替换分束器，从而避免射频耦合带来的损耗与性能恶化，让本振信号完全透过频率选择表面、射频信号完全由频率选择表面反射，实现理想合路，一起耦合至混频器中，从而大幅降低信号耦合损耗；尤其是对于太赫兹频段的信号，鉴于高频信号衰减快，故而接收混频器的变频损耗与耦合损耗对太赫兹信号的噪声与灵敏度影响非常大；因此，本申请所述的在太赫兹通信领域有着非常大的应用前景；
[0024]3、所述二次谐波混频器，也可进行高次谐波、基波的有源与无源混频。
附图说明
[0025]图1基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器的总设计图；
[0026]图2对数周期缝隙天线的设计图；
[0027]图3双频阻抗匹配设计图；
[0028]图4对称缝隙振子与CPW共面波导设计图；
[0029]图5功能使用布局图；
[0030]图6对数周期缝隙天线的S11参数图；
[0031]图7对数周期缝隙天线的输入阻抗虚部图；
[0032]图8对数周期缝隙天线的输入阻抗实部图；
[0033]图9双频阻抗匹配优化后的输入阻抗实部图；
[0034]图10双频阻抗匹配优化后的输入阻抗虚部图；
[0035]图11双频阻抗匹配优化后的S11参数图；
[0036]图12加上对称缝隙振子与CPW共面波导后的表面电流分布图；
[0037]图13加上对称缝隙振子与CPW共面波导后的输入阻抗实部图；
[0038]图14加上对称缝隙振子与CPW共面波导后的输入阻抗虚部图；
[0039]图15加上对称缝隙振子与CPW共面波导后的S11参数图；
[0040]图16加上对称缝隙振子与CPW共面波导后的S21参数图；
[0041]图17加上透镜后的辐射效率图；
[0042]图18加上透镜后的S11参数图；
[0043]图19加上透镜后的输入阻抗虚部图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器，其特征在于：包括薄膜、介质基底、缝隙天线以及透镜；其中，薄膜生长在介质基底一端，透镜装在介质基底的另一端；缝隙天线的设计过程，包括如下步骤：步骤1、调整最长缝隙振子的长度与周期率，使得天线在某两个特定THz频点的反射参数S11为极小值点，阻抗的虚部均为0欧姆，实部同样均为极小值点；步骤2、采用四分之一波长高低阻抗线将两个频点的输入阻抗同时优化到X欧姆，以便高温超导约瑟夫森结进行非线性混频；步骤3、采用共面波导CPW，利用缝隙天线外围基本没有高频电流的特点，在缝隙天线最外层增设对称缝隙振子，然后将对称缝隙振子平滑引出至薄膜边缘的中频输出端口，通过调整CPW的尺寸，使得CPW特性阻抗约为50欧姆，并保证参数S21在中频信号内较大，这样便能在不影响射频与本振信号的情况下，将变频后的中频信号引出；其中，中频信号内较大是指大于
‑
3dB。2.根据权利要求1所述的一种基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混频器，其特征在于：薄膜的长宽尺寸大于缝隙天线的1
‑
2倍。3.根据权利要求2所述的一种基于高温超导技术的双频匹配、二次谐波太赫兹混...

【专利技术属性】
技术研发人员：李焕新，高翔，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：