[发明专利]一种利用微波实时改变机械振子频率的装置和方法

摘要

本发明公开了一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，包括：微波源、微波分束器、衰减器、无氧铜腔体、第一级放大器、第二级放大器、矢量网络分析仪、混频器、频谱分析仪和控制电脑，本发明将悬空电容样品作为微机械振子，同时电容的周围存在螺旋电感，螺旋电感与电容共同构成了LC谐振电路。利用微波驱动LC谐振电路形成电磁振荡，同时也会引起电容上极板薄膜的机械振动，这导致了电容上下极板间距离的变化，从而对LC谐振电路的谐振频率产生了调制作用。本发明还公开了一种利用微波实时改变机械振子频率的方法。本发明实现了在低温下通过改变微波的输入功率来调控机械振子的振动频率。 1

主权项

1.一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于，包括：

微波源(101)、微波分束器(102)、衰减器(103)、无氧铜腔体(104)、第一级放大器(105)、第二级放大器(110)、矢量网络分析仪(106)、混频器(107)、频谱分析仪(108)和控制电脑(109)，其中，所述无氧铜腔体(104)处于20mK的低温下，用于装载悬空电容样品(204)；所述衰减器(103)和第一级放大器(105)处于稀释制冷机的低温环境中，所述微波源(101)、微波分束器(102)、矢量网络分析仪(106)、混频器(107)、频谱分析仪(108)、控制电脑(109)以及第二级放大器(110)都处在室温环境中；所述微波源(101)用于提供频率和功率连续变化的微波信号给微波分束器(102)，所述微波分束器(102)用于将所述微波信号分成两路，其中一路微波信号将作为超导谐振电路的微波输入信号，通过衰减器(103)输入到无氧铜腔体(104)中，用于驱动超导谐振电路，另一路微波信号作为微波本地信号，用于与超导谐振电路的输出信号进行混频；所述矢量网络分析仪(106)用于测量超导谐振电路的输出端口到输入端口的正向传输系数S₂₁曲线；所述频谱分析仪(108)用于测量超导谐振电路的输出信号，并观测机械振动的调制作用；所述混频器(107)的输入端分别连接微波分束器(102)和第二级放大器(110)，用于将超导谐振电路的输出信号和本地信号进行混频，以此来得到机械振子的频率，混频器(107)的输出端连接频谱分析仪(108)，所述第二级放大器(110)的输入端连接到第一级放大器(105)的输出端，用于接收第一级放大器(105)的输出信号，做进一步放大，所述控制电脑(109)连接到频谱分析仪(108)，用于记录频谱分析仪(108)测量得到的数据。

2.根据权利要求1所述的一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于：所述矢量网络分析仪(106)同时连接衰减器(103)的输入端和第一级放大器(105)的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于：在混频阶段，所述第二级放大器(110)的输出端连接混频器(107)与微波本地信号进行混频，在测量边带效应阶段，第二级放大器(110)连接到频谱分析仪(108)进行测试。

4.根据权利要求1所述的一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于：所述第二级放大器(110)的输出端直接连接到频谱分析仪(108)进行测试。

5.根据权利要求1所述的一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于：所述无氧铜腔体(104)的两侧分别安装一个SMA接头(201)，分别作为输入端和输出端，所述无氧铜腔体(104)的内部安装PCB板(205)，悬空电容样品(204)位于PCB板(205)的凹槽中；所述SMA接头(201)的第一中心导体(203)与PCB板(205)的第二中心导体(202)用焊锡相连，所述第二中心导体(202)与悬空电容样品(204)的共面波导传输线(302)用铝线相连。

6.根据权利要求5所述的一种利用微波实时改变机械振子频率的装置，其特征在于：所述悬空电容样品(204)为微加工工艺制作的微尺度的电容样品，包括硅基底(303)、铝膜接地面(301)、共面波导传输线(302)、上极板(401)、下极板(402)和螺旋电感(403)；所述硅基底(303)是整个悬空电容样品(204)的载体，上极板(401)、下极板(402)、螺旋电感(403)、铝膜接地面(301)和共面波导传输线(302)均制作在硅基底(303)上，所述共面波导传输线(302)位于硅基底(303)的正中间，上极板(401)、下极板(402)与螺旋电感(403)构成的LC谐振电路(304)分布在共面波导传输线(302)的两侧，每侧各1个，一共2个，所述螺旋电感(403)分布在所述上极板(401)和下极板(402)的四周。

7.一种利用微波实时改变机械振子频率的方法，其特征是包括以下步骤：

(1)、将矢量网络分析仪(106)分别连接在衰减器(103)的输入端和第一级放大器(105)的输出端，测量超导谐振电路的输出端口到输入端口的正向传输系数S₂₁曲线，观测到2个吸收峰；

(2)、根据所述步骤(1)所得到的吸收峰，选取其中一个吸收峰的频率，从微波源(101)中输出此频率的微波，使用微波分束器(102)将这束微波分成两路微波信号，一路作为驱动超导谐振电路的微波输入信号，另一路作为微波本地信号；

(3)、将所述步骤(2)所得到的微波输入信号，输入衰减器(103)，所述微波输入信号经过SMA接头(201)输入装载悬空电容样品(204)的无氧铜腔体(104)，依次经过PCB板(205)的第二中心导体(202)、悬空电容样品(204)的共面波导传输线(302)耦合进LC谐振电路(304)，在无氧铜腔体(104)的输出端得到微波输出信号；

(4)、所述步骤(3)所得到的微波输出信号依次经过第一级放大器(105)和第二级放大器(110)两级放大，得到微波放大信号，将所述微波放大信号输入频谱分析仪(108)，观测到边带效应的多个峰值；

(5)、根据所述步骤(4)所得到的微波放大信号和所述步骤(2)所得到的微波本地信号，同时将所述微波放大信号和微波本地信号接入混频器(107)中进行混频，得到的结果是中间频率与边带频率的差值，该差值即为机械振子的振动频率；

(6)、改变微波源(101)输出的微波信号的功率，重复上述步骤(2)至(5)，即能实现利用微波实时改变机械振子的振动频率。