[发明专利]一种平衡式高温超导接收机的电路设计及建模方法

权利要求书

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I_b1和I_b2、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v_{bq_0}、v_{loq_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v_{bq_0}、v_{loq_0}、方差(δv_{bq_0})²、(δv_{loq_0})²、协方差(δv_{bq_0})(δv_{loq_0})和本振电压的模方差|δv_{loq_0}|²；

其中，q＝1，2；v_{bq_0}代表v_{bq_0}的均值，v_{loq_0}代表v_{loq_0}的均值；(δv_{bq_0})²代表v_{bq_0}的方差，(δv_{loq_0})²代表v_{loq_0}的方差，(δv_{bq_0})(δv_{loq_0})代表v_{bq_0}与v_{loq_0}的协方差；|δv_{loq_0}|²代表v_{loq_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V_los与本振电压v_lo1，本振电流i_lo1、i_lo2，本振耦合网络阻抗A_lo12、B_lo11、B_lo12之间的关系，再得到本振源功率P_los与本振源电压V_los、高温超导约瑟夫森结的临界电流I_j、高温超导约瑟夫森结的结电阻R_j、阻抗Z_lo2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v_rf1、v_rf2、中频电压v_if1、v_if2、镜像电压v_im1、v_im2与射频电流i_rf1、i_rf2、中频电流i_if1、i_if2、镜像电流i_im1、i_im2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v_sig建立；

其中，阻抗矩阵的元素由模型右端的电路与耦合网络的各个阻抗经过现行运算得到；

其中，射频源电压向量v_sig包括模型右端的电路与耦合网络的阻抗以及射频信号源电压V_rfs；

步骤2.2.6结合模型中间部分得到射频电压v_rf1、v_rf2、中频电压v_if1、v_if2、镜像电压v_im1、v_im2与射频电流i_rf1、i_rf2、中频电流i_if1、i_if2、镜像电流i_im1、i_im2之间关系的另一个方程组，该表达式通过动态阻抗矩阵与噪声向量建立；

其中，噪声向量的元素为步骤2.2.3中得到的方差(δv_{bq_0})²、(δv_{loq_0})²，协方差(δv_{bq_0})(δv_{loq_0})以及本振电压的模方差|δv_{loq_0}|²；

步骤2.2.7联立步骤2.2.5与步骤2.2.6分别建立方程组，并依据建立的方程组计算得到射频电流i_rf1、i_rf2、中频电流i_if1、i_if2以及镜像电流i_im1、i_im2的表达式，结合模型右端部分的电路与耦合网络，根据电路分析的相关理论得到中频电流i_io的表达式，再根据转换增益和噪声温度的相关定义，进而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。