DE2944236C2

DE2944236C2 - Frequenzwandler

Info

Publication number: DE2944236C2
Application number: DE2944236A
Authority: DE
Inventors: Halina Warschau Bielska-Lewandowska; Natalija Moskau Irisova; Grzegorz Jung; Stanislaw J. Warschau Lewandowski; Aleksandr Moskau Prohorov; Roman Warschau Sobolewski; Eugenij Moskau Vinogradov
Original assignee: Polska Akademia Nauk Instytut Fizyki Warszawa; Polska Akademia Nauk Instytut Fizyki
Current assignee: Polska Akademia Nauk Instytut Fizyki
Priority date: 1978-11-04
Filing date: 1979-11-02
Publication date: 1983-11-03
Also published as: GB2036485B; PL210702A1; PL119907B1; GB2036485A; US4298990A; DE2944236A1; JPS5570110A; FR2448225B1; FR2448225A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzwandler für elektromagnetische Strahlung im Millimeterwellenbereich und unterhalb des Millimeterwellenbereichs in Form eines offenen Resonators, dessen Spiegel einen gegenüber dem Querschnitt des Strahlenbündels größeren Durchmesser haben, und mit einer gitterartigen Struktur von Metalleiterr., welche Josephsonsche jo Verbindungen einschließen.

Ein derartiger Frequenzwandler ist aus der Zeitschrift R-ivue de Physique Appliquee. Bd. 9. Januar 1974. S. 173—177 bekannt. Dort ist ein Detektor in Form eines Fabry-Perot-Hohlraumresonators beschrieben. der eine gitterartige Struktur von Metalleitern mit »Mikrobrücken« aufweist, welche als Josephsonsche Verbindungen anzusehen sind. Dieses Netz von Mikrobrücken ist gegenüber dem Resonator durch ein transparentes Dielektrikum abgetrennt, welches ein reflektierendes Element und somit einen Spiegel bildet. Somit liegen die Josephsonschen Verbindungen dort außerhalb des Resonators. Die reflektierenden Eigenschaften dieses Systems sind damit durch die Relation zwischen der Raumperiode dieses Systems und der Sirahlungswellenlänge bestimmt. Nachteilig hieran ist. daß dieser Frequenzwandler nicht an verschiedene Wellenwiderstände anpaßbar ist. Dies ist jedoch in der Technik der Millimeter- und Submillimeterwellen durchaus des öfteren erforderlich bzw. nützlich.

Generell besteht auf zahlreichen Gebieten der modernen Physik und Technik die Notwendigkeit der Frequenzumwandlung elektromagnetischer Strahlung im Millimeterwellenbereich und darunter, welche sich meistens in Form eines Bündels im freien Raum oder in den Übertragungsleitungen, wie Lichtleitern oder Mchrmodulaiionswcllenleitern ausbreitet. In diesen Fällen sind die Querabmessungen des Strahlenbündels größer als die Wellenlänge λ.

Aus der Zeitschrift F.lcctmnifs. Vl. 44. Heft 5. 1971.60 S. 44 —46 ist das Prinzip der Ausnutzung der supraleitfähigen losephsonschen Verbindungen bei Frequcnzwandlcrn bekannt. Im einzelnen ist dort ein Strahlungswandlcr in Form von in einem Hohlraumresonator untergebrachten Josephsonschen Verbindungen beschrieben.

Solche Frcquenzwancllcr enthalten einzelne |osephsonsche Verbindungen und werden in den Siiperhcterodyn-Empfängern und in Frequenzmultiplexern eingesetzt. Nachteile dieser Frequenzwandler liegen darin, daß ihr Einsatz bei der Umwandlung der Strahlung dann erschwert ist, wenn die Querabmessungen des Strahlenbündels größer als die Wellenlänge sind. Hierbei ist dann die effektive Fläche der gegenseitigen Einwirkung des Struhicnbündels und der Josephsonschen Verbindungen sehr klein. Die Oberfläche der Verbindungen liegt in der Größenordnung von 1 mm-, während die Oberfläche des Querschnitts des Strahlenbündels in der Größenordnung von 10 mm·' liegt. Außerdem weist eine einzelne Josephsonsche Verbindung als ein Element eines Mikrowellenleiters einen sehr kleinen Wellenwiderstand in der Größenordnung «on 10—Ώ auf, wodurch sie nach den bekannten Verfahren nicht anpassungsfähig ist, so daß nur ein kleiner Teil der in die Josephsonschen Verbindungen einfallend«·-! Strahlung zu einem Nutzsignal umgewandelt wird.

Die aufgrund einer einzelnen Josephsonschen Verbindung entstehende, durch die Wechselwirkung mit dem Strahlungsbündel hervorgerufene Spannung ist wegen des niedrigen Ohmschen Widerstandes der Verbindung niedrig und reicht bis höchstens in die Größenordnung von μΙΟΟ V. wodurch die Eliminierung der Störungen bei der Aufzeichnung des Nutzsignals wesentlich erschwert wird.

Aus der Zeitschrift Journal of Applied Physics. Vol. 47. No. 6, Juni 1976. S. 2639-2644 ist ein Reaktanzverstärker mit einer periodischen Struktur, bei der jedoch die große Anzahl von miteinander verschalteten Verbindungen und nicht ihre periodische Anordnung voi. Bedeutung ist. Die dort beschriebene periodische Struktur ist auch im Wellenleiter und nicht im Resonator angeordnet.

Ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, den bekannten Frequenzwandler dahingehend zu verbessern, daß er in einfacher Weise an unterschiedliche Wellenwiderstände anpaßbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Spiegel durch die netzartige periodische Struktur der Metalleiter gebildet ist. daß die die Josephsonschen Verbindungen aufweisenden periodischen Metalleiter innerhalb des Resonators liegen und daß Außenkontakte der die periodische Struktur bildenden Metalleiter außerhalb des Wirkungsbereiches der elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind, die zur wellenwiderstandsrichiigen Anpassung Reihen- und Parallelschaltungen der Josephsonst-ien Verbindungen ermöglichen.

Oie Erfindung schafft somit die Möglichkeit der beliebigen Verbindung der Josephsonschen Verbindungen über die Außenkontakte, die jederzeit, d. h. also auch während des Betriebes des Frequenzwandlers vorgenommen werden kann. Im Gegensatz hierzu war bei den bekannten Frequenzwandlern eine Anpassung nur während des Herstellungsprozesses möglich. Durch die Anpassung an verschiedene Wellenwiderstände kann dann ein größerer Teil der in die Josephsonschen Verbindungen einfallenden Strahlung zum Nutzsignal umgewandelt werden.

Im folgenden wird der Frequenzwandler nach der Erfindung anhand eines Alisführungsbeispiels näher erläutert.

Den Hauptbestandteil des Frequenzwandler bildet ein Resonatorspiegel, der in Form einer netzartigen periodischen Struktur von Metalleitern ausgeführt ist, welche aus genau periodisch in einem Abstand /parallel

zueinander angeordneten Leitern zusammengesetzt ist, damit der Abstand / zwischen den Leitern kleiner wird als die Wellenlänge λ. Eine solche Netzstruktur wirkt mit dem darauf auffallenden Bündel derart zusammen, daß der größte Teil der Strahlung mit einem zu den Leitern senkrechten Vektor durcb die Netzstruktur geht, während der Teil der Strahlung mit dem zu den Leitern parallelen Vektor E zurückgestrahlt bzw. reflektiert wird. Der Einsatz der Metzstruktur in dem Resonator erlaubt es, eine kleinere spektrale Farbdichte zu gewinnen und die Richtung der Polarisationsebene zu bestimmen. In diesem Fall sind an der Formung der durchgehenden und der reflektierten Strahlung gleichzeitig sämtliche Elemente der Netzstruktur beteiligt. Das aktive Element des Frequenzwandlers besteht in einem Spiegel, der derart ausgeführt ist, daß auf einem flachen dielektrischen Untergrund eine Reihe von parallelen Metalleitern angeordnet ist. Sie sind in gleichen Abständen / voneinander angeordnet, wobei / < λ ist und gleichzeitig in allen Leitern oder nur in einem Teil dieser Leiter die josephsonschen Verbindungen in Reihe geschaltet sind. Damit das ganze zu verarbeitende Strahlungsbündel mit den Josephsonschen Verbindungen zusammenwirkt, ist der Durchmesser des Spiegels größer als die Abmessungen des Querschnittes des Strahlungsbündels Der Strahlungsfrequenzwandler ist ein offener Resonator, in welchem die beiden oder mindestens ein Spiegel durch ein Netzelement mit in den Leitern eingesetzten Josephsonschen Verbindungen gebildet ist. Die Josephsonschen Verbindungen könn·. η in Form einer Verengung des Netzelementes, d. h. einer sogenannten Dayemschen Brücke oder in tunnelartiger Form ausgeführt werden. Das aktive Element des Resonates, d b der netzartige Spiegel mit tunnelartigen Josephsonscnen Verbindungen wird folgendermaßen ausgeführt: Der dielektrische Untergrund wird mit den Leitern mit Unterbrechungen bedampft, dann werden die Leiter durch eine dünne Oxidschicht beschichtet und die Unterbrechungen werden zusätzlich mit bedampften Metalleitern gefüllt.

Bei der Ausführung eines Spiegels mit zweidimensionalem Netz wird die Struktur der bedampften und oberflächenoxydierten Leiter mit der zweiten Struktur der senkrecht zu der ersten Schicht angeordneten Leiter bedampft. In diesem Fall ist jeder Leiter der oberen Schicht durch eine große Zahl von tunnelartigen Verbindungen mit der unteren Schicht verbunden.

Die Metalleiter, in welche die Josephsonschen Verbindungen eingesetzt sind, besitzen am Rande des Wandlers angeordnete Außenkontakte, was eine beliebige Reihen- oder Parallelverbindung der metallischen Leiter mit den Josephsonschen Verbindungen ermöglicht.

Der Frequenzwandler ist ein offener Resonator, in welchem die beiden oder mindestens ein Spiegel durch ein Netzelement mit in den Leitern enthaltenen Josephsonschen Verbindungen gebildet ist. Die Josephsonschen Verbindungen können in Form einer Verengung des Nelzelementes (Dayemsche Brücke) oder in tunnelartiger Form ausgeführt werden.

Im Falle der tunnelartigen Verbindungen kann die folgende Herstellungsweise eingesetzt werden: Der Untergrund wird mit Leitern mit Unterbrechungen bedampft, dann werden die Leiter mit einer dünnen Oxidschicht überzogen und die Unterbrechungen werden mit zusätzlich bedampften Metalleitern gefüllt.

Es kann auch ein Spiegel mit einem zweidimensionalcn Netz ausgeführt werden. In diesem Fall wird die Struktur der bedampften und oberflächenoxidierten Leiter mit einer anderen Struktur der senkrecht zu der ersten Schicht angeordneten Leiter bedampft Dabei ist jeder Leiter der oberen Schicht durch mehrere -, tunnelartige Verbindungen mit der unteren Schicht verbunden.

Damit das gesamte zu verarbeitende Strahlungsbündel mit den Systemen von Josephsonschen Verbindungen zusammenwirkt, muß der Durchmesser des

κι Netzspiegels L größer sein als die Querschnittsmasse des Bündels, d. h. L > S > λ > 1.

Die Anpassung des Eingangswiderstandes des Frequenzwandiers (der Josephsonschen Verbindungen) an der. Wellenwiderstand des freien Raumes oder die die

ι -, Strahlung zuführenden Übertragungsleitung wird durch mehrmalige Strahlungsreflektionen zwischen den Resonatorspiegeln bei deren Abgleich an die Resonanz für die Frequenz der einfallenden Strahlung erreicht, d. h. wenn der Abstand zwischen den Spiegeln einem Mehrfachen der halben Wellenlänge gleich ist.

Zur Abstimmung des Resonators auf die Resonanzfrequenz ist mindestens ein Spiegel auf einer Führung angeordnet, welche seine Verschiebung senkrecht zu seiner Ebene ermöglicht

Der Wandler kann als Empfänger für eine Frequenz oder als Mischer für die Strahlungsfrequenz mit Wellen verschiedener Länge arbeiten. Wenn der Wandler als Mischer arbeitet, können die zusammenwirkenden Strahlungssignale in den Resonator eingeführt werden

jo beispielsweise durch einen Netzspiegel oder durch gegenüberliegende Spiegel. Um einen optimalen Umwandlungsgrad zu erreichen, soll der Resonator an die Resonanz mit den beiden zu verarbeitenden Frequenzen abstimmbar sein, d. h. derart, daß seine Länge einem ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge der beiden Strahlungen gleich ist. in diesem Fall können sich die zuzuführenden Signale nur geringfügig in ihrer Frequenz unterscheiden, d. h. sie müssen innerhalb der Grenzen der halben Breite der Resorcnzkurve des Resonators liegen. Bei einem größeren Unterschied der Frequenz der zuzuführenden Signale müssen die Werte der Frequenz der beiden Signale frequenzmäßig mit den entsprechenden Längseigenschwingungen des Resonators übereinstimmen. Dies kann besonders leicht in Frequenzvervielfachern erreicht werden, in welchen es reicht, den Resonator auf die Resonanz mit der zu vervielfachenden Frequenz abzustimmen.

Beim Mischen der Strahlung im Millimeterwellenbereich und darunter wird die Strahlung dem Resonator

so mittels eines Netzspiegels zugeführt; die Strahlung mit niedrigeren Frequenzen wird in Form einer Spannung den unmittelbar mit dem System der Josephsonschen Verbindungen verbundenen Außenkontakten zugeführt.

Die Erfindung schafft somit einen Frequenzwandler in Form eines offenen Resonators, dessen Spiegel einen von den geometrischen Abmessungen des Strahlenbündelquerschnittes größeren Durchmesser aufweisen, wobei die Spiegel oder mindestens ein Spiegel durch eine Struktur von Metalleitern mit darin eingeschlossenen Josephsonschen Verbindungen gebildet ist, Die Metalleiter besitzen Außenkontakte, die am Rande des Wandlers angeordnet sind und dazu bestimmt sind, die Josephsonschen Verbindungen miteinander zu verbinden.

Der Frequenzwandler findet Anwendung als Detektor von Millimeterwellen und Wellen im darunterliegenden Bereich oder als Mischer für Wellen verschiedener Wellenlänge.

Claims

1
Patentanspruch:

Frequenzwandler für elektromagnetische Strahlung im Millimeterwellenbereich und unterhalb des Millimeterwellenbereichs in Form eines offenen Resonators, dessen Spiegel einen gegenüber dem Querschnitt des Strahlenbündels größeren Durchmesser haben, und mit einer gitterartigen Struktur von Metallenem, welche Josephsonsche Verbindungen einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Spiegel durch die netzartige periodische Struktur der Metalleiter gebildet ist, daß die die Josephsonschen Verbindungen aufweisenden periodischen Metalleiter innerhalb des Resonators liegen und daß Außenkontakte der die periodische Struktur bildenden Metalleiter außerhalb des Wirkungsbereiches der elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind, die zur wellenwiderstandsrichtigen Anpassung Reihen- und Parallelschaltungen der Josephsonschen Verbindungen ermöglichen.