[發明專利]一種利用微波實時改變機械振子頻率的裝置和方法

在審

• 申請號: 201810115424.0
• 申請日: 2018-02-06
• 公開（公告）號: CN108169562A
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發明（設計）人: 孫國柱;潘佳政;李永超;戴欣;江俊良;吳培亨
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01R23/16
• 分類號: G01R23/16;B82Y30/00;B82Y10/00
• 代理公司: 蘇州威世朋知識產權代理事務所(普通合伙) 32235
• 代理人: 楊林潔

1.一種利用微波實時改變機械振子頻率的裝置，其特征在于，包括：

微波源(101)、微波分束器(102)、衰減器(103)、無氧銅腔體(104)、第一級放大器(105)、第二級放大器(110)、矢量網絡分析儀(106)、混頻器(107)、頻譜分析儀(108)和控制電腦(109)，其中，所述無氧銅腔體(104)處于20mK的低溫下，用于裝載懸空電容樣品(204)；所述衰減器(103)和第一級放大器(105)處于稀釋制冷機的低溫環境中，所述微波源(101)、微波分束器(102)、矢量網絡分析儀(106)、混頻器(107)、頻譜分析儀(108)、控制電腦(109)以及第二級放大器(110)都處在室溫環境中；所述微波源(101)用于提供頻率和功率連續變化的微波信號給微波分束器(102)，所述微波分束器(102)用于將所述微波信號分成兩路，其中一路微波信號將作為超導諧振電路的微波輸入信號，通過衰減器(103)輸入到無氧銅腔體(104)中，用于驅動超導諧振電路，另一路微波信號作為微波本地信號，用于與超導諧振電路的輸出信號進行混頻；所述矢量網絡分析儀(106)用于測量超導諧振電路的輸出端口到輸入端口的正向傳輸系數S₂₁曲線；所述頻譜分析儀(108)用于測量超導諧振電路的輸出信號，并觀測機械振動的調制作用；所述混頻器(107)的輸入端分別連接微波分束器(102)和第二級放大器(110)，用于將超導諧振電路的輸出信號和本地信號進行混頻，以此來得到機械振子的頻率，混頻器(107)的輸出端連接頻譜分析儀(108)，所述第二級放大器(110)的輸入端連接到第一級放大器(105)的輸出端，用于接收第一級放大器(105)的輸出信號，做進一步放大，所述控制電腦(109)連接到頻譜分析儀(108)，用于記錄頻譜分析儀(108)測量得到的數據。

2.根據權利要求1所述的一種利用微波實時改變機械振子頻率的裝置，其特征在于：所述矢量網絡分析儀(106)同時連接衰減器(103)的輸入端和第一級放大器(105)的輸出端。

3.根據權利要求1所述的一種利用微波實時改變機械振子頻率的裝置，其特征在于：在混頻階段，所述第二級放大器(110)的輸出端連接混頻器(107)與微波本地信號進行混頻，在測量邊帶效應階段，第二級放大器(110)連接到頻譜分析儀(108)進行測試。

4.根據權利要求1所述的一種利用微波實時改變機械振子頻率的裝置，其特征在于：所述第二級放大器(110)的輸出端直接連接到頻譜分析儀(108)進行測試。

5.根據權利要求1所述的一種利用微波實時改變機械振子頻率的裝置，其特征在于：所述無氧銅腔體(104)的兩側分別安裝一個SMA接頭(201)，分別作為輸入端和輸出端，所述無氧銅腔體(104)的內部安裝PCB板(205)，懸空電容樣品(204)位于PCB板(205)的凹槽中；所述SMA接頭(201)的第一中心導體(203)與PCB板(205)的第二中心導體(202)用焊錫相連，所述第二中心導體(202)與懸空電容樣品(204)的共面波導傳輸線(302)用鋁線相連。

6.根據權利要求5所述的一種利用微波實時改變機械振子頻率的裝置，其特征在于：所述懸空電容樣品(204)為微加工工藝制作的微尺度的電容樣品，包括硅基底(303)、鋁膜接地面(301)、共面波導傳輸線(302)、上極板(401)、下極板(402)和螺旋電感(403)；所述硅基底(303)是整個懸空電容樣品(204)的載體，上極板(401)、下極板(402)、螺旋電感(403)、鋁膜接地面(301)和共面波導傳輸線(302)均制作在硅基底(303)上，所述共面波導傳輸線(302)位于硅基底(303)的正中間，上極板(401)、下極板(402)與螺旋電感(403)構成的LC諧振電路(304)分布在共面波導傳輸線(302)的兩側，每側各1個，一共2個，所述螺旋電感(403)分布在所述上極板(401)和下極板(402)的四周。

7.一種利用微波實時改變機械振子頻率的方法，其特征是包括以下步驟：

(1)、將矢量網絡分析儀(106)分別連接在衰減器(103)的輸入端和第一級放大器(105)的輸出端，測量超導諧振電路的輸出端口到輸入端口的正向傳輸系數S₂₁曲線，觀測到2個吸收峰；

(2)、根據所述步驟(1)所得到的吸收峰，選取其中一個吸收峰的頻率，從微波源(101)中輸出此頻率的微波，使用微波分束器(102)將這束微波分成兩路微波信號，一路作為驅動超導諧振電路的微波輸入信號，另一路作為微波本地信號；

(3)、將所述步驟(2)所得到的微波輸入信號，輸入衰減器(103)，所述微波輸入信號經過SMA接頭(201)輸入裝載懸空電容樣品(204)的無氧銅腔體(104)，依次經過PCB板(205)的第二中心導體(202)、懸空電容樣品(204)的共面波導傳輸線(302)耦合進LC諧振電路(304)，在無氧銅腔體(104)的輸出端得到微波輸出信號；

(4)、所述步驟(3)所得到的微波輸出信號依次經過第一級放大器(105)和第二級放大器(110)兩級放大，得到微波放大信號，將所述微波放大信號輸入頻譜分析儀(108)，觀測到邊帶效應的多個峰值；

(5)、根據所述步驟(4)所得到的微波放大信號和所述步驟(2)所得到的微波本地信號，同時將所述微波放大信號和微波本地信號接入混頻器(107)中進行混頻，得到的結果是中間頻率與邊帶頻率的差值，該差值即為機械振子的振動頻率；

(6)、改變微波源(101)輸出的微波信號的功率，重復上述步驟(2)至(5)，即能實現利用微波實時改變機械振子的振動頻率。