專利名稱：用于微波頻率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主題涉及一種微波模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
為了制造模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，通常有必要在獲取速度和分辨力之間尋找折衷?！伴W速”型的高速轉(zhuǎn)換器在分辨力方面受到它們電路復雜性的限制。這是因為轉(zhuǎn)換器所包括的比較器的數(shù)目等于測量點的數(shù)目，即對于8位編碼器有256個比較器。此外，由于編碼器的操作原理(它們通常包括一個工作在50Hz的20位積分器)或由于編碼器的時鐘(14位∑-Δ型編碼器工作在50MHz)，高分辨力的編碼器在速度方面受到限制。
在所有這些情況下，構(gòu)成這些轉(zhuǎn)換器的半導體電路的性能受到下述限制-它們的頻率基準的穩(wěn)定性；-由這些編碼器所使用的基準量的精度，該量是電壓、電流或任何其它電磁量；-比較器的零偏移；-這些電路的復雜性；及-這些電路的元件的電耗。
關(guān)于傳統(tǒng)的包括超導電路的∑-Δ轉(zhuǎn)換器或閃速轉(zhuǎn)換器(基于按2的冪排列的干涉計)，由于它們必須計數(shù)2n個點和每秒的點數(shù)(其等于每個采樣的點數(shù)乘以每秒所到達的采樣數(shù)的乘積)對應于超導材料的截止(cut-off)頻率(在鈮的情況下大約為600GHz和在高Tc(高臨界溫度)超導體的情況下為6THz)，所以它們在速度方面受到限制。因此，理論上鈮轉(zhuǎn)換器被限制到-對于2GHz的轉(zhuǎn)換頻率為300點(即閃速結(jié)構(gòu)中的大約8位)；和
-對于200MHz的轉(zhuǎn)換頻率為4000點(即∑-Δ結(jié)構(gòu)中的12點)。
這些性能特征基本上與標準半導體轉(zhuǎn)換器的那些性能特征相同。
基于由高Tc超導體制成的元件的轉(zhuǎn)換器被限制到-對于20GHz的轉(zhuǎn)換頻率為300點(即閃速結(jié)構(gòu)中的8位)；和-對于200MHz的轉(zhuǎn)換頻率為4000點(即∑-Δ結(jié)構(gòu)中的15位)。
然而這些性能特征對于某些應用仍是不夠用的。
本發(fā)明的主題涉及一種既是高速也是高分辨力的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，而其能工作在高頻，例如在10GHz或高于10GHz的量級。
根據(jù)本發(fā)明的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器包括沿著要被轉(zhuǎn)換的波的路徑排列的N個超導環(huán)(superconducting loops)，這些環(huán)規(guī)則地以半個波長間隔開，每個環(huán)具有經(jīng)由波導管連接至一個輸出存儲器單元的臨界電流結(jié)，每個環(huán)的電感與其它臨界電流的乘積等于一個常數(shù)。
借助于非限制性的例子來給出和通過附圖來說明，基于讀取一個實施例的詳細描述將能更清楚地理解本發(fā)明，其中
圖1是一個半導體環(huán)和其輸出波導管的圖，它構(gòu)成了根據(jù)本發(fā)明的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個元件；和圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的部分簡化圖。
圖1示出了一個“基本比較器”，其是本發(fā)明的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個主要基本元件。該基本比較器包括一個超導環(huán)1、一個光波導管3和一個一位輸出存儲器單元4，該超導環(huán)1優(yōu)選地是在其中形成了一個臨界電流結(jié)2的圓環(huán)形，該輸出存儲器單元4被按所期望的獲取速率排順序。結(jié)2是一個在環(huán)1中形成的幾十納米的頸縮或“空氣間隙”，在該空氣間隙中形成了厚度為幾埃的介電層。波導管3的一端幾乎被放在結(jié)2的觸點上，而其另一端連接至存儲器4。由一個光電傳感器5以一種本身已知的方式在波導管3和存儲器4之間形成連接。存儲器4形成了一個存儲器單元陣列的一部分(如在下面參照圖2描述的那樣，其它的環(huán)連接至該陣列)，該存儲器單元陣列可以是一個如通常在微機中使用的集成存儲器電路。
由于實際情況為本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的輸出工作在一太赫(1012Hz)或幾太赫的量級的頻率，為了允許在波導管3中建立相應的光模式并且可能被放大，該波導管3必須是一種特定的類型。
有利地，該波導管是由R.Khler等人于2002年5月9日發(fā)表在《自然(nuture)》雜志第417卷第156-159頁所描述的類型。
將環(huán)1放在要被測量的信號的磁場中。如果該信號在一個電磁波導管中傳播，那么將該環(huán)放在該波導管中。如果該信號在一條線(例如條線型)中傳播，那么將該環(huán)蝕刻進該線中。
放置在該磁場中的環(huán)1能吸收磁通φ0，如φ0＝Lic，L是該環(huán)的電感，而ic是能在環(huán)1中流動的臨界電流的值。因此環(huán)1能在其從要被測量的信號接收到的磁通φn和其能吸收的基準值φ0之間進行比較。該φ0是一個絕對基準——一個重要的定額量(該環(huán)的超導材料在一固定的溫度下被浸入到低溫槽中)。因為由要被測量的信號產(chǎn)生的磁通φn取決于該模擬信號的電流，所以具有下文所述的特定特征的比較器陣列使得其在校準之后能產(chǎn)生一個表示該模擬信號的幅度的數(shù)字信號，每個比較器產(chǎn)生該數(shù)據(jù)信號的一個位。
如果φn＜φ0，那么秩(rank)為n的超導環(huán)不吸收任何磁通，并且沒有位在，等效于bitn的值“0”臨時存儲在該環(huán)中。
如果φn≥φ0，那么秩為n的超導環(huán)吸收磁通，并且該環(huán)臨時存儲bitn的值“1”。
在環(huán)1中將“1”位存儲進存儲器中引起通過結(jié)2傳輸一個持續(xù)時間為一皮秒或幾皮秒量級的電壓脈沖。在該脈沖被該裝置5轉(zhuǎn)換為電壓和被存儲器4存儲之前，該脈沖被波導管3拾取并被按光的形式傳輸。
如果bitn＝“0”，那么沒有通過結(jié)2傳輸電壓脈沖，并且存儲器4沒有接收到脈沖。其仍保持為零(如果以前為零)。當該信號經(jīng)過零時，自動進行復位為零。
在該存儲步驟之后，由比較器輸出出來并被傳輸至下一個比較器的磁通δφn為
δφn＝φn-(bitnφ0)。
通過由超導環(huán)逐出殘留的磁場來執(zhí)行該減法。應注意到δφn＜φn，這是因為如下所述，比較器被按要被測量的信號傳播的方向，以它們二進制權(quán)重(weight)2n的降階排列。
因此，圖1的比較器被用于執(zhí)行1位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能。要被測量的信號或者由被一個基準時鐘驅(qū)動的采樣保持裝置采樣一個入射信號而獲得，或者由使用一個穩(wěn)定局部振蕩器通過混頻來轉(zhuǎn)換該入射信號而獲得，該振蕩器在比該入射信號的最大頻率兩倍還高的頻率F振蕩。當入射信號是頻率為大約1GHz到10GHz的微波信號時，優(yōu)選的是執(zhí)行后者之方法。
為了制造一個N位轉(zhuǎn)換器，N個比較器被沿著要被測量的信號的路徑放置，但是只有當考慮一個秩為m的比較器，才能這樣做，只要-將從秩為m-1的比較器得到的輸出信號乘以2，使得為秩為m的比較器的輸入獲得φm-1＝2δφn，因此使得有可能使用彼此都相同的比較器。
-或者通過改變比較器的電感L和比較器的臨界電流ic將秩為m+1的比較器的電流基準除以2。
應注意到在一個N位轉(zhuǎn)換器中，根據(jù)是否通過采樣或混頻執(zhí)行對入射信號的處理，有效(significant)位的數(shù)目被該環(huán)的技術(shù)精度(其電感的和其臨界電流的精度)、該基準時鐘或基準振蕩器的技術(shù)精度(特別是其光譜純度)固定。
一個N位轉(zhuǎn)換器所包括的比較器的數(shù)目可以大于N。這使得有可能在轉(zhuǎn)換之后僅保持大多數(shù)有效權(quán)重的位。因此有可能根據(jù)入射信號的動態(tài)執(zhí)行轉(zhuǎn)換器的自動范圍改變。有利地，在轉(zhuǎn)換器之前可以是一個低噪聲的放大器，以使得將其動態(tài)范圍調(diào)整為入射信號的動態(tài)范圍。
可以有利地按照超導技術(shù)來產(chǎn)生時鐘(或基準振蕩器)以使得減少其抖動(或其相位噪聲)。
向上連接轉(zhuǎn)換器下游的信號處理鏈可以包括糾錯電路(或可以利用糾錯碼)。因此，有可能容許確定磁通φn＝Lic的參數(shù)L和ic的精度較低。
一般在上述局部振蕩器的頻率F讀出轉(zhuǎn)換器的數(shù)字存儲器。在圖2所示的結(jié)構(gòu)(稱為“管道”結(jié)構(gòu))的情況下，為了考慮要被測量的信號從一個環(huán)1到下一個環(huán)的傳播時間，在連續(xù)的數(shù)字存儲器中讀出的位(按照要被測量的信號的傳播順序)必須每次從采樣被偏移。當然，所執(zhí)行的對在存儲器4中讀出的位的數(shù)字處理必須考慮該偏移。另一選擇為，對這些存儲器4的讀出可以來伴對要被測量的信號的每個采樣的所有位的相位復位。通過改變連接至存儲器4的連線的長度可以在轉(zhuǎn)換器內(nèi)執(zhí)行該相位復位，以便在同一瞬間傳送一個采樣的所有位。
通過在頻率F混頻而對輸入信號的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了在來自振蕩器的信號的每個半周期對比較器的自動零復位和每個數(shù)字輸出存儲器4的自動零復位。
圖2以一種簡化的方式示出了管道結(jié)構(gòu)6，其實際上包括很多數(shù)目N(N可以大于100)的基于沿著微條線7放置的超導環(huán)的比較器。僅示出了這些環(huán)中的標記為1.1至1.7的7個和它們各自的光波導管3.1至3.7。如圖2所示，在該圖中要被測量的信號的傳播方向是從左到右。已經(jīng)用正弦曲線8象征性地顯示了要被測量的信號的振蕩。超導環(huán)被規(guī)則地分隔開，它們的間距等于要被測量的信號的半個波長。在示出的實施例的情況下，連續(xù)的超導環(huán)的電感遵循公共比率為2的遞增幾何級數(shù)對于環(huán)1.1至1.7，它們的電感分別等于2L、4L、8L、16L、32L和64L，而它們的臨界電流遵循公共比率為1/2的遞減幾何級數(shù)，即ic、ic/2、ic/4、…、ic/64。
轉(zhuǎn)換器6的操作如下所述。
在一個形成N個超導環(huán)1.1至1.N(其中N可以取1至N中的一個)的一部分的秩為n的環(huán)中，要被測量的信號的電流I具有瞬時值in。該電流in在環(huán)1.n中感應出磁通φn＝Lnin(Ln是環(huán)1.n的電感值)。
由于φ0n是環(huán)1.n能吸收的磁通的臨界值，其對應于該環(huán)的臨界電流icn，該環(huán)將比較φ0n與φ0如果φn＜φ0n，那么電流in不受干擾地繼續(xù)傳播而超過環(huán)1.n；如果φn≥φ0n，那么磁通量φ0n被超導環(huán)1.n吸收，并且電流in減少了φ0n/Ln。其遵循輸出電流(環(huán)1.n的下游)的值為in-φ0n/Ln，并且下一個環(huán)1.(n+1)因此接收到電流i(n+1)＝in-φ0n/Ln。環(huán)1.(n+1)中的這個感應出的電流的值為L(n+1)＝2Ln，而其臨界電流等于ic(n+1)＝icn/2。
因此φ(n+1)＝L(n+1)i(n+1)＝2Lni(n+1)。
然后環(huán)1.(n+1)將比較φ0(n+1)與φ(n+1)如果φ(n+1)＜φ0(n+1)，那么電流in不受干擾地朝向接下來的環(huán)繼續(xù)傳播；如果φ(n+1)＜φ0(n+1)，那么磁通量φ0(n+1)被超導環(huán)1.(n+1)吸收，并且要被測量的信號的電流減少了φ0(n+1)/L(n+1)＝φ0(n+1)/2Ln。其遵循輸出電流，即環(huán)1.(n+1)的下游的值為i(n+1)-φ0(n+1)/L(n+1)，并且一直持續(xù)下去直到最后的環(huán)1.N。
結(jié)構(gòu)6制造起來很簡單，但是制造環(huán)1.1至1.N和它們的臨界結(jié)的必須小心翼翼。
在一個可選的實施例(未示出)中，所有的比較器彼此相同，并且將一個增益為2的放大器插入到每個比較器的輸出端(除了最后一個之外)。此種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是沿著該線路(在其沿著該線路放置N個比較器的部分中)向右保持電流相同量級的幅度。然而，制造增益為2的放大器需要技巧，因為該增益需要很精確且它們的工作速度很高。
根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的另一個可選實施例，在轉(zhuǎn)換器中并入了微波波導管。然后垂直于波導管的軸線(即要被測量的信號的傳播方向)將超導環(huán)放入了波導管中。在此情況下也是如此，比較器可以或者包括如在圖2中的例子中示出的其電感以幾何級數(shù)增加的超導管，或者包括全部都相同的但是每個都相連一個增益為2的放大器的環(huán)。
在所有的實施例中，要被測量的信號接觸的第一比較器傳送數(shù)字信號的最高權(quán)重，接下來的比較器按遞減的順序傳送接下來的位。
當然，可以使用本身已知的方式校準轉(zhuǎn)換器和將其測量范圍調(diào)整至動態(tài)的范圍，并且調(diào)整至要被測量信號的絕對值。
因此，通過使超導電路中的磁通量化，能實現(xiàn)比在導言中提及的已知半導體轉(zhuǎn)換器的性能要好的性能，該良好的性能涉及以下幾點-頻率基準的穩(wěn)定性該振蕩器包括擁有很高的品質(zhì)因數(shù)的冷卻式諧振器；-基準量的精度其與磁通量的絕對基準φ0n相關(guān)聯(lián)；-偏移不存在偏移或由于超導電路的溫度穩(wěn)定性沒有相關(guān)聯(lián)的漂移；-電路結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)很簡單(環(huán)、光纖和存儲器)；-電耗很低(僅存儲電路)。
此外，由于能使用大量的環(huán)。該超導電路允許比8位還高的高分辨力。該轉(zhuǎn)換頻率可以高于10GHz。由于超導結(jié)的固有屬性，該轉(zhuǎn)換器的靈敏度很高。
權(quán)利要求
1.一種微波模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于其包括由沿著要被轉(zhuǎn)換的波的路徑放置的超導環(huán)(1.1至1.N)組成的N個比較器，這些環(huán)規(guī)則地以半個波長間隔開，每個環(huán)具有一個經(jīng)由一個波導管(3.1至3.N)連接至一個輸出存儲器單元(4)的臨界電流結(jié)(2)，每個環(huán)的電感與環(huán)的臨界電流的乘積等于一個常數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于在要被測量的波的傳播方向上，各個環(huán)的電感值遵循公共比率為2的遞增幾何級數(shù)，而各個環(huán)的臨界電流遵循公共比率為1/2的遞減幾何級數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于所有的環(huán)彼此相同，每個環(huán)的輸出端連接著一個2倍放大器。
4.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于比較器的數(shù)目大于轉(zhuǎn)換器的有效位的數(shù)目。
5.如前述權(quán)利要求任一項所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于對于要被測量的信號的每個采樣位的相位復位，為了在同一瞬時傳送同一采樣的所有位，轉(zhuǎn)換器包括長度可變化的線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于微波頻率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器主要包括由沿著要被測量的微波信號的路徑長度以距離x/2間隔開放置的一組超導環(huán)(1.1至1.7)。該環(huán)的每一個包括一個臨界電流結(jié)，并且將一個光波導管(3.1至3.7)放置為與該結(jié)相對。此外，如果有必要，每個環(huán)吸收要被測量的波的一個位，其電感遵循公共比率為2的遞增幾何級數(shù)，而其臨界電流遵循公共比率為1/2的遞減幾何級數(shù)。
文檔編號H03M1/36GK1732625SQ200380107850
公開日2006年2月8日 申請日期2003年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月22日
發(fā)明者J－C·麥吉 申請人:泰勒斯公司