CN110197942A - 基于微波定向耦合器的低噪声衰减器 - Google Patents

基于微波定向耦合器的低噪声衰减器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，采用四端口微波定向耦合器作为低噪声衰减器；四端口微波定向耦合器采用低温超导金属材料制成；四端口微波定向耦合器具有微波信号输入端口、微波信号直通端口、微波信号耦合端口和微波信号隔离端口；微波信号直通端口连接微波匹配负载；微波信号隔离端口短路，使从微波信号输入端口耦合到微波信号隔离端口的信号大部分短路到微波信号耦合端口，其余返回微波信号输入端口和微波信号直通端口；微波信号输入端口耦合到微波信号耦合端口的幅度满足设定的微波信号衰减要求；低噪声衰减器处于置于K级别低温环境中。本发明无需极低温条件，只需要低温环境，就可以仅产生相当于衰减器在极低温条件下所产生的热噪声。

Description

基于微波定向耦合器的低噪声衰减器
技术领域
本发明属于微波量子精密测量技术领域，具体为一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器。
背景技术
量子精密测量领域需要极低噪声的微波衰减技术，目前已有的噪声衰减主要采用衰减器实现信号的衰减。根据需要选择合适的衰减器，如采用10dB、15dB、20dB等衰减器，可以将信号衰减到所需的大小。
根据微波理论，衰减器在衰减信号的同时，本身会产生热噪声，产生热噪声量值大小和衰减器所处环境温度有关，也和衰减器的衰减大小有关。如要产生30dB衰减，在常温290K环境温度下，产生的热噪声几乎有290K，严重影响系统信噪比。
为了减小衰减对信噪比的影响，降低衰减器热噪声的产生，目前主要采用手段是将衰减器置于极低温环境中，例如当要求衰减器产生的热噪声不高于12mK时，就需要将衰减器置于12mK环境温度下。但产生mK级别极低温环境的设备价格昂贵，而且设备内部极低温环境空间尺寸有限，同时衰减器本身产生的热量也会大幅度影响极低温设备的工作温度，因此非常有必要重新寻找解决思路来降低衰减器热噪声影响。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种新的微波信号衰减思路，采用微波定向耦合器实现极低噪声微波信号衰减，无需12mK极低温条件，只需要2K的低温环境，就可以仅产生相当于衰减器在12mK极低温条件下所产生的热噪声。
本发明的技术方案为：
所述一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，其特征在于：采用四端口微波定向耦合器作为低噪声衰减器；所述四端口微波定向耦合器采用低温超导金属材料制成；所述四端口微波定向耦合器具有微波信号输入端口、微波信号直通端口、微波信号耦合端口和微波信号隔离端口；
所述微波信号直通端口连接微波匹配负载；所述微波信号隔离端口短路，使从微波信号输入端口耦合到微波信号隔离端口的信号大部分短路到微波信号耦合端口，其余返回微波信号输入端口和微波信号直通端口；
所述微波信号输入端口耦合到微波信号耦合端口的幅度满足设定的微波信号衰减要求；
所述低噪声衰减器处于置于nK低温环境中，n不大于5。
进一步的优选方案，所述一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，其特征在于：微波信号直通端口连接微波匹配负载产生nK噪声，所述nK噪声耦合到微波信号耦合端口的噪声为nK的千分之一：nmK噪声。
进一步的优选方案，所述一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，其特征在于：所述微波信号耦合端口连接处于mK级别极低温环境下的超导约瑟夫森结微波单量子探测器；所述探测器产生mK级别噪声从微波信号耦合端口输入，也从微波信号耦合端口输出，等效于微波信号耦合端口增加了mK级别噪声。
进一步的优选方案，所述一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，其特征在于：所述微波定向耦合器采用带状线定向耦合器。
进一步的优选方案，所述一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，其特征在于：所述微波定向耦合器采用小孔耦合定向耦合器。
有益效果
本发明能够工作在低温2K(非极低温)条件下，基于微波定向耦合器实现微波信号极低噪声衰减，可用于微波量子探测领域。本发明基于微波定向耦合器实现微波信号极低噪声衰减，在微波信号输入端口处输入微波信号(例如频率为10GHz的微波信号)，耦合到微波信号耦合端口时，信号衰减30dB，而由衰减引起的噪声为12mK，远低于直接衰减产生2K的热噪声。
定向耦合器全部采用低温超导金属材料，有效避免了低温环境下温度差别造成的不同材料因热胀冷缩产生的差异，从而导致的应力变化，保证了器件电气性能的稳定。器件腔体采用一体加工，盖板与主腔体之间采用螺钉压紧，保证低温情况下的相互压紧，避免电磁泄露，从而适应低温环境。
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
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：
图1基于微波定向耦合器低噪声衰减的原理图；
图2基于带状线定向耦合器的微波信号低噪声衰减器的主腔体结构框图；
图3基于带状线定向耦合器的微波信号低噪声衰减器的盖板结构框图；
图4基于小孔耦合定向耦合器的微波信号低噪声衰减器的主腔体结构框图；
图5基于小孔耦合定向耦合器的微波信号低噪声衰减器的盖板结构框图；
图6具体实施例1微波定向耦合器耦合结果仿真图；
图7具体实施例2微波定向耦合器耦合结果仿真图。
具体实施方式
本发明针对微波量子雷达的发展需求，提出一种新的在2K低温环境下可以工作的微波信号衰减方法，实现微波信号的有效衰减，满足目前微波量子雷达的需求。相对于现有衰减器所需的极低温12mK温度，基于微波定向耦合器的新型低噪声衰减器所需的2K低温环境温度要高得多，容易实现和保持。
本发明采用微波定向耦合器实现微波信号低噪声衰减。定向耦合器采用-30dB耦合，同时将微波信号隔离端口短路，实现微波信号低噪声衰减。
如图1所示，本发明为四端口定向耦合器装置。端口1为微波信号输入端口，端口2为微波信号直通端口，端口3为微波信号耦合端口，端口4为微波信号隔离端口。将直通端口2接微波匹配负载，将隔离端口4短路，使从信号输入端口1耦合到端口4来的信号短路到端口3，少量返回端口1和端口2。端口3为定向耦合端口，在端口4短路条件下，由端口1耦合到端口3的幅度约为-30dB，即实现微波信号衰减30dB。将定向耦合器置于2K低温环境中，端口2接匹配负载产生2K噪声。端口2和端口3之间的耦合度为-30dB，端口2接匹配负载产生的2K噪声耦合到端口3的噪声为2K的千分之一，即2mK。另外端口3接处于10mK极低温环境的超导约瑟夫森结微波单量子探测器，按照微波理论，探测器将会产生10mK噪声从端口3输入，由于端口4接短路器，这10mK噪声也要从端口3输出，等效端口3增加10mK噪声。加上端口2耦合到端口3的2mK噪声，端口3总共输出12mK噪声。与相同环境温度下的现有衰减器产生2K噪声相比，定向耦合器输出口(耦合端口3)处引入的噪声温度大大降低。
本发明提出的基于微波定向耦合器的微波信号低噪声衰减器，全部采用低温超导金属材料，并将直通端口2接微波匹配负载，隔离端口4短路，实现较低环境温度的低噪声衰减，与现有10mK极低温衰减器相比，在不增加额外热噪声的前提下，提高了工作环境温度，可以代替工作在极低温10mK工作环境下的现有微波低噪声衰减器。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
实施例1为基于带状线微波定向耦合器的低噪声衰减器，端口1为微波信号输入端口，端口2为微波信号直通端口，端口3为微波信号耦合端口，端口4为微波信号隔离端口。其中端口2接匹配负载，端口4接金属短路器，使从端口1耦合来的信号短路到端口3，少量返回端口1和端口2。端口3为定向耦合端口，在端口4短路条件下，由端口1耦合到端口3的幅度约为-30dB，微波信号衰减30dB。实施例1的微波定向耦合器耦合结果仿真如图3所示，耦合度不平衡度为-30dB±0.25dB。将定向耦合器置于2K低温环境中，端口2接匹配负载产生2K噪声。端口2和端口3之间的耦合度为-30dB，则端口2接匹配负载产生的2K噪声耦合到端口3的噪声为2K的千分之一(-30dB)，即2mK。另外端口3接处于10mK极低温环境的探测器，按照微波理论，探测器将会产生10mK噪声从3端口输入，由于端口4接短路器，这10mK噪声也要从端口3输出，等效端口3增加10mK噪声。加上端口2耦合到端口3的2mK噪声，端口3总共输出12mK噪声。和将衰减器置于12mK极低温工作环境下产生12mK热噪声效果相当，有效提高了低噪声衰减器的工作环境温度。实施例1所实现的基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，工作频率9.5GHz-10.5GHz，耦合度不平衡度-30dB±0.25dB，驻波≤1.05，噪声温度≤10mK，，工作在低温超导工作环境。该方法实现简单、实用性好、可以在低温下工作，与极低温环境下的现有衰减器相比，在引入相同噪声的情况下，有效提高了工作的环境温度。
实施例2：
实施例2为基于小孔耦合微波定向耦合器的低噪声衰减器，端口1为微波信号输入端口，端口2为微波信号直通端口，端口3为微波信号耦合端口，端口4为微波信号隔离端口。其中端口2接匹配负载，端口4接金属短路器，使从端口1耦合来的信号短路到端口3，少量返回端口1和端口2。端口3为定向耦合端口，在端口4短路条件下，由端口1耦合到端口3的幅度约为-30dB，微波信号衰减30dB。实施例2的微波定向耦合器耦合效果仿真结果如图4所示，耦合度不平衡度为-30dB±0.25dB。将定向耦合器置于2K低温环境中，端口2接匹配负载产生2K噪声。端口2和端口3之间的耦合度为-30dB，则端口2接匹配负载产生的2K噪声耦合到端口3的噪声为2K的千分之一(-30dB)，即2mK。另外端口3接处于10mK极低温环境的探测器，按照微波理论，探测器将会产生10mK噪声从端口3输入，由于端口4接短路器，这10mK噪声也要从端口3输出，等效端口3增加10mK噪声。加上端口2耦合到端口3的2mK噪声，端口3总共输出12mK噪声。和将衰减器置于12mK极低温工作环境下产生12mK热噪声效果相当，有效提高了低噪声衰减器的工作环境温度。
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。

Claims (5)

1.一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，其特征在于：采用四端口微波定向耦合器作为低噪声衰减器；所述四端口微波定向耦合器采用低温超导金属材料制成；所述四端口微波定向耦合器具有微波信号输入端口、微波信号直通端口、微波信号耦合端口和微波信号隔离端口；
所述微波信号直通端口连接微波匹配负载；所述微波信号隔离端口短路，使从微波信号输入端口耦合到微波信号隔离端口的信号大部分短路到微波信号耦合端口，其余返回微波信号输入端口和微波信号直通端口；
所述微波信号输入端口耦合到微波信号耦合端口的幅度满足设定的微波信号衰减要求；
所述低噪声衰减器处于置于nK低温环境中，n不大于5。
2.根据权利要求1所述一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，其特征在于：微波信号直通端口连接微波匹配负载产生nK噪声，所述nK噪声耦合到微波信号耦合端口的噪声为nK的千分之一：nmK噪声。
3.根据权利要求1所述一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，其特征在于：所述微波信号耦合端口连接处于mK级别极低温环境下的超导约瑟夫森结微波单量子探测器；所述探测器产生mK级别噪声从微波信号耦合端口输入，也从微波信号耦合端口输出，等效于微波信号耦合端口增加了mK级别噪声。
4.根据权利要求1所述一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，其特征在于：所述微波定向耦合器采用带状线定向耦合器。
5.根据权利要求1所述一种基于微波定向耦合器的低噪声衰减器，其特征在于：所述微波定向耦合器采用小孔耦合定向耦合器。
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