专利名称：用于微波频率的模/数转换器的制作方法
技术领域：
本发明的主题涉及一种微波模/数转换器。
为了制造模/数转换器，通常有必要在获取速度和分辨力之间寻找折衷。“闪速”型的高速转换器在分辨力方面受到它们电路复杂性的限制。这是因为转换器所包括的比较器的数目等于测量点的数目，即对于8位编码器有256个比较器。此外，由于编码器的操作原理(它们通常包括一个工作在50Hz的20位积分器)或由于编码器的时钟(14位∑-Δ型编码器工作在50MHz)，高分辨力的编码器在速度方面受到限制。
在所有这些情况下，构成这些转换器的半导体电路的性能受到下述限制-它们的频率基准的稳定性；-由这些编码器所使用的基准量的精度，该量是电压、电流或任何其它电磁量；-比较器的零偏移；-这些电路的复杂性；及-这些电路的元件的电耗。
关于传统的包括超导电路的∑-Δ转换器或闪速转换器(基于按2的幂排列的干涉计)，由于它们必须计数2n个点和每秒的点数(其等于每个采样的点数乘以每秒所到达的采样数的乘积)对应于超导材料的截止(cut-off)频率(在铌的情况下大约为600GHz和在高Tc(高临界温度)超导体的情况下为6THz)，所以它们在速度方面受到限制。因此，理论上铌转换器被限制到-对于2GHz的转换频率为300点(即闪速结构中的大约8位)；和
-对于200MHz的转换频率为4000点(即∑-Δ结构中的12点)。
这些性能特征基本上与标准半导体转换器的那些性能特征相同。
基于由高Tc超导体制成的元件的转换器被限制到-对于20GHz的转换频率为300点(即闪速结构中的8位)；和-对于200MHz的转换频率为4000点(即∑-Δ结构中的15位)。
然而这些性能特征对于某些应用仍是不够用的。
本发明的主题涉及一种既是高速也是高分辨力的模/数转换器，而其能工作在高频，例如在10GHz或高于10GHz的量级。
根据本发明的模/数转换器包括沿着要被转换的波的路径排列的N个超导环(superconducting loops)，这些环规则地以半个波长间隔开，每个环具有经由波导管连接至一个输出存储器单元的临界电流结，每个环的电感与其它临界电流的乘积等于一个常数。
借助于非限制性的例子来给出和通过附图来说明，基于读取一个实施例的详细描述将能更清楚地理解本发明，其中
图1是一个半导体环和其输出波导管的图，它构成了根据本发明的模/数转换器的一个元件；和图2是根据本发明的一个模/数转换器的部分简化图。
图1示出了一个“基本比较器”，其是本发明的模/数转换器的一个主要基本元件。该基本比较器包括一个超导环1、一个光波导管3和一个一位输出存储器单元4，该超导环1优选地是在其中形成了一个临界电流结2的圆环形，该输出存储器单元4被按所期望的获取速率排顺序。结2是一个在环1中形成的几十纳米的颈缩或“空气间隙”，在该空气间隙中形成了厚度为几埃的介电层。波导管3的一端几乎被放在结2的触点上，而其另一端连接至存储器4。由一个光电传感器5以一种本身已知的方式在波导管3和存储器4之间形成连接。存储器4形成了一个存储器单元阵列的一部分(如在下面参照图2描述的那样，其它的环连接至该阵列)，该存储器单元阵列可以是一个如通常在微机中使用的集成存储器电路。
由于实际情况为本发明的转换器的输出工作在一太赫(1012Hz)或几太赫的量级的频率，为了允许在波导管3中建立相应的光模式并且可能被放大，该波导管3必须是一种特定的类型。
有利地，该波导管是由R.Khler等人于2002年5月9日发表在《自然(nuture)》杂志第417卷第156-159页所描述的类型。
将环1放在要被测量的信号的磁场中。如果该信号在一个电磁波导管中传播，那么将该环放在该波导管中。如果该信号在一条线(例如条线型)中传播，那么将该环蚀刻进该线中。
放置在该磁场中的环1能吸收磁通φ0，如φ0＝Lic，L是该环的电感，而ic是能在环1中流动的临界电流的值。因此环1能在其从要被测量的信号接收到的磁通φn和其能吸收的基准值φ0之间进行比较。该φ0是一个绝对基准——一个重要的定额量(该环的超导材料在一固定的温度下被浸入到低温槽中)。因为由要被测量的信号产生的磁通φn取决于该模拟信号的电流，所以具有下文所述的特定特征的比较器阵列使得其在校准之后能产生一个表示该模拟信号的幅度的数字信号，每个比较器产生该数据信号的一个位。
如果φn＜φ0，那么秩(rank)为n的超导环不吸收任何磁通，并且没有位在，等效于bitn的值“0”临时存储在该环中。
如果φn≥φ0，那么秩为n的超导环吸收磁通，并且该环临时存储bitn的值“1”。
在环1中将“1”位存储进存储器中引起通过结2传输一个持续时间为一皮秒或几皮秒量级的电压脉冲。在该脉冲被该装置5转换为电压和被存储器4存储之前，该脉冲被波导管3拾取并被按光的形式传输。
如果bitn＝“0”，那么没有通过结2传输电压脉冲，并且存储器4没有接收到脉冲。其仍保持为零(如果以前为零)。当该信号经过零时，自动进行复位为零。
在该存储步骤之后，由比较器输出出来并被传输至下一个比较器的磁通δφn为
δφn＝φn-(bitnφ0)。
通过由超导环逐出残留的磁场来执行该减法。应注意到δφn＜φn，这是因为如下所述，比较器被按要被测量的信号传播的方向，以它们二进制权重(weight)2n的降阶排列。
因此，图1的比较器被用于执行1位模/数转换器的功能。要被测量的信号或者由被一个基准时钟驱动的采样保持装置采样一个入射信号而获得，或者由使用一个稳定局部振荡器通过混频来转换该入射信号而获得，该振荡器在比该入射信号的最大频率两倍还高的频率F振荡。当入射信号是频率为大约1GHz到10GHz的微波信号时，优选的是执行后者之方法。
为了制造一个N位转换器，N个比较器被沿着要被测量的信号的路径放置，但是只有当考虑一个秩为m的比较器，才能这样做，只要-将从秩为m-1的比较器得到的输出信号乘以2，使得为秩为m的比较器的输入获得φm-1＝2δφn，因此使得有可能使用彼此都相同的比较器。
-或者通过改变比较器的电感L和比较器的临界电流ic将秩为m+1的比较器的电流基准除以2。
应注意到在一个N位转换器中，根据是否通过采样或混频执行对入射信号的处理，有效(significant)位的数目被该环的技术精度(其电感的和其临界电流的精度)、该基准时钟或基准振荡器的技术精度(特别是其光谱纯度)固定。
一个N位转换器所包括的比较器的数目可以大于N。这使得有可能在转换之后仅保持大多数有效权重的位。因此有可能根据入射信号的动态执行转换器的自动范围改变。有利地，在转换器之前可以是一个低噪声的放大器，以使得将其动态范围调整为入射信号的动态范围。
可以有利地按照超导技术来产生时钟(或基准振荡器)以使得减少其抖动(或其相位噪声)。
向上连接转换器下游的信号处理链可以包括纠错电路(或可以利用纠错码)。因此，有可能容许确定磁通φn＝Lic的参数L和ic的精度较低。
一般在上述局部振荡器的频率F读出转换器的数字存储器。在图2所示的结构(称为“管道”结构)的情况下，为了考虑要被测量的信号从一个环1到下一个环的传播时间，在连续的数字存储器中读出的位(按照要被测量的信号的传播顺序)必须每次从采样被偏移。当然，所执行的对在存储器4中读出的位的数字处理必须考虑该偏移。另一选择为，对这些存储器4的读出可以来伴对要被测量的信号的每个采样的所有位的相位复位。通过改变连接至存储器4的连线的长度可以在转换器内执行该相位复位，以便在同一瞬间传送一个采样的所有位。
通过在频率F混频而对输入信号的转换实现了在来自振荡器的信号的每个半周期对比较器的自动零复位和每个数字输出存储器4的自动零复位。
图2以一种简化的方式示出了管道结构6，其实际上包括很多数目N(N可以大于100)的基于沿着微条线7放置的超导环的比较器。仅示出了这些环中的标记为1.1至1.7的7个和它们各自的光波导管3.1至3.7。如图2所示，在该图中要被测量的信号的传播方向是从左到右。已经用正弦曲线8象征性地显示了要被测量的信号的振荡。超导环被规则地分隔开，它们的间距等于要被测量的信号的半个波长。在示出的实施例的情况下，连续的超导环的电感遵循公共比率为2的递增几何级数对于环1.1至1.7，它们的电感分别等于2L、4L、8L、16L、32L和64L，而它们的临界电流遵循公共比率为1/2的递减几何级数，即ic、ic/2、ic/4、…、ic/64。
转换器6的操作如下所述。
在一个形成N个超导环1.1至1.N(其中N可以取1至N中的一个)的一部分的秩为n的环中，要被测量的信号的电流I具有瞬时值in。该电流in在环1.n中感应出磁通φn＝Lnin(Ln是环1.n的电感值)。
由于φ0n是环1.n能吸收的磁通的临界值，其对应于该环的临界电流icn，该环将比较φ0n与φ0如果φn＜φ0n，那么电流in不受干扰地继续传播而超过环1.n；如果φn≥φ0n，那么磁通量φ0n被超导环1.n吸收，并且电流in减少了φ0n/Ln。其遵循输出电流(环1.n的下游)的值为in-φ0n/Ln，并且下一个环1.(n+1)因此接收到电流i(n+1)＝in-φ0n/Ln。环1.(n+1)中的这个感应出的电流的值为L(n+1)＝2Ln，而其临界电流等于ic(n+1)＝icn/2。
因此φ(n+1)＝L(n+1)i(n+1)＝2Lni(n+1)。
然后环1.(n+1)将比较φ0(n+1)与φ(n+1)如果φ(n+1)＜φ0(n+1)，那么电流in不受干扰地朝向接下来的环继续传播；如果φ(n+1)＜φ0(n+1)，那么磁通量φ0(n+1)被超导环1.(n+1)吸收，并且要被测量的信号的电流减少了φ0(n+1)/L(n+1)＝φ0(n+1)/2Ln。其遵循输出电流，即环1.(n+1)的下游的值为i(n+1)-φ0(n+1)/L(n+1)，并且一直持续下去直到最后的环1.N。
结构6制造起来很简单，但是制造环1.1至1.N和它们的临界结的必须小心翼翼。
在一个可选的实施例(未示出)中，所有的比较器彼此相同，并且将一个增益为2的放大器插入到每个比较器的输出端(除了最后一个之外)。此种结构的主要优点是沿着该线路(在其沿着该线路放置N个比较器的部分中)向右保持电流相同量级的幅度。然而，制造增益为2的放大器需要技巧，因为该增益需要很精确且它们的工作速度很高。
根据本发明的转换器的另一个可选实施例，在转换器中并入了微波波导管。然后垂直于波导管的轴线(即要被测量的信号的传播方向)将超导环放入了波导管中。在此情况下也是如此，比较器可以或者包括如在图2中的例子中示出的其电感以几何级数增加的超导管，或者包括全部都相同的但是每个都相连一个增益为2的放大器的环。
在所有的实施例中，要被测量的信号接触的第一比较器传送数字信号的最高权重，接下来的比较器按递减的顺序传送接下来的位。
当然，可以使用本身已知的方式校准转换器和将其测量范围调整至动态的范围，并且调整至要被测量信号的绝对值。
因此，通过使超导电路中的磁通量化，能实现比在导言中提及的已知半导体转换器的性能要好的性能，该良好的性能涉及以下几点-频率基准的稳定性该振荡器包括拥有很高的品质因数的冷却式谐振器；-基准量的精度其与磁通量的绝对基准φ0n相关联；-偏移不存在偏移或由于超导电路的温度稳定性没有相关联的漂移；-电路结构该结构很简单(环、光纤和存储器)；-电耗很低(仅存储电路)。
此外，由于能使用大量的环。该超导电路允许比8位还高的高分辨力。该转换频率可以高于10GHz。由于超导结的固有属性，该转换器的灵敏度很高。
权利要求
1.一种微波模/数转换器，其特征在于其包括由沿着要被转换的波的路径放置的超导环(1.1至1.N)组成的N个比较器，这些环规则地以半个波长间隔开，每个环具有一个经由一个波导管(3.1至3.N)连接至一个输出存储器单元(4)的临界电流结(2)，每个环的电感与环的临界电流的乘积等于一个常数。
2.如权利要求1所述的转换器，其特征在于在要被测量的波的传播方向上，各个环的电感值遵循公共比率为2的递增几何级数，而各个环的临界电流遵循公共比率为1/2的递减几何级数。
3.如权利要求1所述的转换器，其特征在于所有的环彼此相同，每个环的输出端连接着一个2倍放大器。
4.如权利要求1所述的转换器，其特征在于比较器的数目大于转换器的有效位的数目。
5.如前述权利要求任一项所述的转换器，其特征在于对于要被测量的信号的每个采样位的相位复位，为了在同一瞬时传送同一采样的所有位，转换器包括长度可变化的线。
全文摘要
本发明涉及一种用于微波频率的模/数转换器。本发明的模/数转换器主要包括由沿着要被测量的微波信号的路径长度以距离x/2间隔开放置的一组超导环(1.1至1.7)。该环的每一个包括一个临界电流结，并且将一个光波导管(3.1至3.7)放置为与该结相对。此外，如果有必要，每个环吸收要被测量的波的一个位，其电感遵循公共比率为2的递增几何级数，而其临界电流遵循公共比率为1/2的递减几何级数。
文档编号H03M1/36GK1732625SQ200380107850
公开日2006年2月8日 申请日期2003年11月19日 优先权日2002年11月22日
发明者J－C·麦吉 申请人:泰勒斯公司