本發(fā)明屬于高頻電路設計與低溫超高真空系統(tǒng)領域，具體而言，本發(fā)明涉及一種基本電路、包含基本電路的射頻信號放大器及應用。

背景技術：

信號放大器作為信號處理最基本的核心器件，除對其諸如增益、帶寬、噪聲等基本性能要求日益提升，近年來，在環(huán)境適應性方面的要求也不斷提高。

隨著低溫超高真空實驗研究的發(fā)展，設計一種能在液氦低溫下工作的高性能信號放大器一直是電路設計領域內的重要課題。隨著半導體晶體管制作工藝與技術的日趨成熟，目前已有不少能在10K(開爾文)左右溫度條件下工作的信號放大器。但目前已有的低溫信號放大器設計主要針對航空航天領域的應用，對于低溫與超高真空技術方面的考慮不周全，特別是無法適用于本底真空度低于百億分之一托低溫超高真空實驗系統(tǒng)。其癥結在于以下三點：

1)：未考慮實際工作的低溫環(huán)境空間體積普遍較小這一現狀。目前的低溫系統(tǒng)主要使用循環(huán)液氦或液氦杜瓦等系統(tǒng)對體系進行降溫，出于節(jié)省液氦消耗以及加快降溫速率的目的，低溫系統(tǒng)往往會盡可能地減小自身尺寸，這也就使其內部的低溫實驗空間不會富余。現有的低溫信號放大器尺寸過大，在實際使用中并不便捷甚至無法放入空間、狹小的低溫超高真空系統(tǒng)內部。

2)：未考慮實際實驗低溫和超高真空環(huán)境要求。為獲得超高真空實驗環(huán)境，實際工作中必須對真空腔體進行烘烤以出去吸附的氣體。烘烤溫度往往會達到180攝氏度左右，局部高溫可能達到200攝氏度以上，且烘烤時間一般長達50小時，普通電路無法適應如此的高溫環(huán)境。另一方面，器件自身用材必須滿足嚴格的低出氣率限制才可用于超高真空環(huán)境。此外，絕大多數材料在低溫下強度下降，變脆變硬，現有的極低溫電子學器件未考慮這種機械性能下降而導致的器件易損壞或是影響低溫環(huán)境中其他裝置的移動過程。

3)：未考慮器件功率消耗對實驗環(huán)境及其自身性能的影響。器件功率消耗過大，必然會導致器件溫度升高。這一方面會致使器件所在的低溫實驗環(huán)境溫度升高；另一方面，由于晶體管器件在低溫下性能變化顯著，器件自身溫度的變化也會影響放大器實際工作增益。除此之外，還會導致更多的液氦資源消耗。

技術實現要素：

因此，為克服現有技術的缺點和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基本電路及包含基本電路的具有高增益、低噪聲、低功耗、小尺寸的射頻信號放大器及應用。

具體地，為解決上述技術問題，本發(fā)明提供以下技術方案：

本發(fā)明的第一方面提供了一種基本電路，其中，所述基本電路由尺寸最小化布線操作實現的，所述尺寸最小化布線操作包括，

刪除非必要原件，所述非必要原件包括但不限于增益平坦度調節(jié)與部分電壓供給濾波元件；

縮短微帶線長度以無源原件阻抗值調整彌補其負面影響；

平行錯位主信號傳輸路徑以壓縮路徑長度。

根據本發(fā)明的第一方面的基本電路，所述基本電路選用印制電路板及耐高溫焊料，所述耐高溫焊料包括但不限于：高溫焊錫與導電銀膠，所述印制電路板不使用有機材料，并采用壓印覆銅工藝制作。所述印制電路板可以是羅杰斯高頻板型。

根據本發(fā)明的第一方面的基本電路，所述基本電路的信號輸入輸出端所直接連接的覆銅箔，添加過孔與所述印制電路板背面的兩塊孤立覆銅箔通過焊料相連以增強連接強度。

根據本發(fā)明的第一方面的基本電路，所述基本電路的工作功率范圍為100毫瓦以內。所述工作功率范圍可以為50毫瓦以內。所述工作范圍還可以為5～25毫瓦。所述工作功率進一步可以為9～15毫瓦。

本發(fā)明的第二方面提供了一種兼容低溫超高真空系統(tǒng)的射頻信號放大器，所述射頻信號放大器包括本發(fā)明第一方面的基本電路。所述射頻信號放大器進一步可以包括外金屬屏蔽殼。

根據本發(fā)明第二方面的射頻信號放大器，所述外金屬屏蔽殼使用航空鋁材為主體，結合表面鍍金工藝制作。所述航空鋁材可以為鈦金屬。

根據本發(fā)明第二方面的射頻信號放大器，所述外金屬屏蔽殼包括利用金屬自身的彈性達到機械咬合的兩個獨立金屬殼，即外金屬屏蔽殼頂殼和外金屬屏蔽殼底殼。所述外金屬屏蔽殼頂殼和所述外金屬屏蔽殼底殼均可以包括內部的機械層與外部鍍著的導熱層。所述機械層可以為金屬鈦，所述導熱層為金導熱層或銀導熱層。

進一步優(yōu)選地，所述外金屬屏蔽殼底殼添加L形槽，所述L形槽用于金屬屏蔽殼卡住所述電路板并且與所述印制電路板背部接地覆銅箔接觸時，信號輸入輸出端相連的印制電路板背面兩塊孤立覆銅箔與金屬殼不接觸造成短路。

根據本發(fā)明第二方面的射頻信號放大器，所述射頻信號放大器進一步包括信號與電源供給線，所述信號與電源供給線包括信號輸入線，信號輸出線，電源供給線三部分；

所述信號輸入線采用1mm直徑的鍍金編制網超柔同軸線；和/或

所述信號輸出線采用低熱導率的0.81模塊焊接同軸線；和/或

所述電源供給線采用低熱導率的有絕緣層包裹的細金屬線。

所述信號與電源供給線可以直接與所述印制電路板連接。

根據本發(fā)明第二方面的射頻信號放大器，所述射頻信號放大器的尺寸范圍長為：8～20毫米，寬為：4～10毫米；

優(yōu)選地，長為：8～15毫米，寬為4～6毫米；

更優(yōu)選地，所述基本電路的尺寸長為10.47毫米，寬為4.79毫米。

本發(fā)明的第一方面的基本電路或本發(fā)明的第二方面的射頻信號放大器在制備高頻電路設計與低溫超高真空系統(tǒng)中的應用。

與現有技術相比，本發(fā)明提供的兼容低溫超高真空系統(tǒng)的射頻信號放大器，能經受50小時以上200攝氏度烘烤且能在液氦溫度下良好工作，出氣率影響超高真空腔體內本底氣壓升高低于百億份之一托，并且該射頻信號放大器具有高增益、低噪聲、低功耗、小尺寸的有益技術效果。

本發(fā)明旨在克服上述現有低溫信號放大器技術無法用低溫超高真空系統(tǒng)的難題，提供一種新型的低溫信號放大器，其具體技術實現方案如下：

根據本發(fā)明，提供了一種用于低溫超高真空系統(tǒng)的信號放大器，包括基本電路、外金屬屏蔽殼、信號與電源供給線三個部分。

所述基本電路包括前后兩級由尺寸最小化原則主導布線方案，符合超高真空環(huán)境要求設計，受負反饋調制的晶體管共射放大電路。

所述尺寸最小化原則主導的布線原則包括刪除非必要原件，以無源原件阻抗值調整彌補微帶線長度變短造成的負面影響，主信號傳輸路徑適當平行錯位以壓縮路徑長度。

所述符合超高真空環(huán)境要求設計包括器件、基板、焊料低出氣率與耐高溫設計。具體的，這里低出氣率設計指優(yōu)選元器件和焊料，以及采用特殊電路基板結構使放大器工作時真空系統(tǒng)本底氣壓升高低于百億分之一托；這里耐高溫設計指優(yōu)選元器件與焊料能經受50小時以上200攝氏度烘烤焊料不發(fā)生明顯揮發(fā)，且器件增益、噪聲性能不發(fā)生改變。

所述外金屬屏蔽殼包括可機械咬合的兩個獨立金屬殼：頂殼與底殼。這里底殼特指電路板可機械嵌入的屏蔽殼

上述的機械層為厚度足夠屏蔽外場干擾，出氣率低，且在液氦溫區(qū)到200攝氏度烘烤環(huán)境下機械強度足夠的金屬殼層。所述導熱層為高熱導率金屬材料薄膜包裹在機械層外的金屬殼層。

所述信號與電源供給線包括信號輸入，信號輸出，電源供給同軸線三部分。

優(yōu)選地，當信號輸入或輸出端在低溫環(huán)境中時，信號輸入線為不計半徑大小，優(yōu)先考慮高屏蔽、低損耗與低反射的超柔同軸線；信號輸出線與電源供給線優(yōu)先減小同軸線半徑，其次考慮其他高頻特性，以減少通過導線的傳導熱量。

優(yōu)選的，信號與電源供給線采用柔性同軸線，且端口并不固定于金屬屏蔽殼，以減小尺寸、并可在超高真空腔體內空間狹小的情況下靈活放置信號放大器。

附圖說明

以下，結合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施方案，其中：

圖1示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的兼容低溫超高真空系統(tǒng)射頻信號放大器的結構示意圖；

圖2示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的兼容低溫超高真空系統(tǒng)射頻信號放大器的電路原理示意圖；

圖3示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的兼容低溫超高真空系統(tǒng)射頻信號放大器的屏蔽殼底殼等軸斜視圖；

圖4示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的兼容低溫超高真空系統(tǒng)射頻信號放大器的屏蔽殼頂殼等軸斜視圖；

圖5示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的兼容低溫超高真空系統(tǒng)射頻信號放大器的印制電路板正視圖；

圖6示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的兼容低溫超高真空系統(tǒng)射頻信號放大器的印制電路板后視圖；

圖7示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的兼容低溫超高真空系統(tǒng)射頻信號放大器4.3k工作溫度，15mW工作功率條件下的正向傳輸系數譜；

圖8示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的兼容低溫超高真空系統(tǒng)射頻信號放大器4.3k工作溫度，15mW工作功率條件下的10KHz分辨率帶寬本底噪聲功率譜。

具體實施方式

下面通過具體的實施例進一步說明本發(fā)明，但是，應當理解為，這些實施例僅僅是用于更詳細具體地說明之用，而不應理解為用于以任何形式限制本發(fā)明。

本部分對本發(fā)明試驗中所使用到的材料以及試驗方法進行一般性的描述。雖然為實現本發(fā)明目的所使用的許多材料和操作方法是本領域公知的，但是本發(fā)明仍然在此作盡可能詳細描述。本領域技術人員清楚，在上下文中，如果未特別說明，本發(fā)明所用材料和操作方法是本領域公知的。

請參考圖1，圖1示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于低溫，超高真空環(huán)境射頻信號放大器的結構示意圖，包括基本電路、外金屬屏蔽殼、信號與電源供給線三個部分。其中基本電路為點劃線矩形框內的前級放大電路、后級放大電路、功率分配與濾波電路以及三個濾波與耦合電容組成；外金屬屏蔽殼由點劃線矩形框標注；信號與電源供給線由三個矩形代表的同軸線或一般絕緣導線標識。

本發(fā)明由于信號輸出到腔體外，故同軸線的選擇均以考慮低熱導率為主。優(yōu)選地，本發(fā)明采用0.81模塊焊接同軸線。這種同軸線可以在3GHz頻率范圍以內良好使用，同時其外徑僅約為0.8mm(毫米)，遠小于一般的同軸線。對于信號輸入端同軸線，本發(fā)明優(yōu)先考慮其極低溫條件下的柔性，選擇1mm直徑的鍍金編制網超柔同軸線，以減小對低溫環(huán)境中其他器件位移造成的影響。而對于電源供給線，本發(fā)明則使用低熱導率的有絕緣層包裹的細金屬線。

圖2示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的兼容低溫超高真空系統(tǒng)射頻信號放大器的電路原理示意圖。本發(fā)明的基本電路采用共射負反饋量級放大電路，以獲得更好的增益穩(wěn)定性和信號功率增益。同時，為了減小器件整體尺寸，去除了絕大多數非關鍵無源元件，僅保留電源供給穩(wěn)定電路。優(yōu)選的，本發(fā)明無源元件采用0402規(guī)格、高純氧化鋁基封裝的元件，該類無源元件在液氦溫區(qū)到200攝氏度有良好的穩(wěn)定性和低出氣性；射頻三極管選用鍺化硅晶體管，該型晶體管在極低溫下直流電流增益有一定的提高，且?guī)捇静蛔儯瑫r可以長時間處于200攝氏度環(huán)境中而性能不發(fā)生變化。

圖3和圖4分別為射頻信號放大器的外金屬屏蔽殼底殼與頂殼的等軸斜視圖。優(yōu)選地，使用航空鋁材為主體，結合表面鍍金工藝制作金屬殼殼體，從而保證屏蔽殼在不同工作溫度條件下的機械強度與更好的熱導率。優(yōu)選地，利用金屬殼自身的彈性形變直接較穩(wěn)固地實現頂殼與底殼之間的咬合，避免使用螺絲或真空膠，以最大化地減小器件尺寸同時提升器件組裝的簡易性。這里底殼特指電路板可機械嵌入的屏蔽殼，頂殼特指最后密封電路的屏蔽殼。就單個屏蔽殼而言，其包括內部的機械層與外部鍍著的導熱層。

上述的機械層為厚度足夠屏蔽外場干擾，出氣率低，且在液氦溫區(qū)到200攝氏度烘烤環(huán)境下機械強度足夠的金屬殼層。所述導熱層為高熱導率金屬材料薄膜包裹在機械層外的金屬殼層。

此外，避免使用任何高頻連接器座子，使得器件的尺寸大幅減小。外金屬屏蔽殼底殼的另一特點在于添加了特殊的L形槽，避免印制電路板特殊的與頂面主信號線輸入輸出端過孔連接的底面小面積覆銅箔結構接地。

圖5和圖6分別為印制電路板正視圖與后視圖。優(yōu)選地，采用壓印附銅且無絕緣層、絲印層等會一定程度上會破壞本底真空度或為真空環(huán)境帶來雜質氣體的印制電路板制作工藝與結構。板材則選用羅杰斯4350B系列高頻電路板，保證器件的高頻性能。由于采用無高頻連接座子的設計，在印制電路板底層與信號輸入輸出端對應的位置添加了小塊孤立覆銅箔，并用通孔連接，以此防止覆銅箔的脫落。為了降低器件的整體尺寸，本發(fā)明還將主信號線上的覆銅箔適當向兩端延伸，使得器件在焊接過程中可以平行錯位固定在主信號線兩側。此外，采用0.3mm過孔密鋪包裹主信號線，進一步減小了信號傳輸過程中的自干擾。

圖7和圖8分別為本發(fā)明所設計的射頻放大電路在4.3K工作溫度環(huán)境，15mW工作功率條件下的電壓增益譜與10KHz(千赫茲)帶寬本底噪聲功率譜?？梢钥吹狡湓诘凸模蜏貤l件下有著最高40dB以上的電壓增益，以及低于-94dBm的10KHz帶寬本底噪聲功率。這兩點優(yōu)異性能遠好于現有的一般產品。

盡管本發(fā)明已進行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可進行各個條件的適當變化。可以理解，本發(fā)明不限于所述實施方案，而歸于權利要求的范圍，其包括所述每個因素的等同替換。