CN104051824A - 组装连接器的方法及连接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及组装连接器的方法及连接器。提供了一种微波连接器。该微波连接器包括：外部导体；置于所述外部导体中的内部导体；以及插入在所述外部导体与所述内部导体之间的电介质材料，所述电介质材料包括非耗散电介质材料和耗散电介质材料。

Description

组装连接器的方法及连接器

政府权利声明

本发明是在陆军研究处（Army Research Office，ARO）授予的编号为:W911NF-10-1-0324的合同下利用政府支持做出的。政府保留对本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及连接器，更具体地，涉及用于在毫开温度下有效热化（thermalization）和滤波微波线的微波连接器。

背景技术

在低温温度（即，低于1K的温度）下使用高频同轴线带来很多实验困难。这些困难主要涉及有害频率的适当滤波、电路部件的充分阻抗匹配以及线的最佳热化。

在GHz频域内进行的实验通常将严格的条件施加于在其中进行实验的带宽。频带外乱真辐射趋于不可接受并且因此必须进行适当的滤波。类似地，为了避免可能导致信号损失的实验信号的反射、驻波和添加的噪声，电路中所有连接器和部件的阻抗匹配是重要的。

对于典型的低温设置，必须最小化从室温向下至冷藏器的最冷区的热传导，并且因此低温下用于高频测量的最流行的同轴线的选择包括使用像超导体那样的良好的绝热体。同时，在冷藏器的每个区对该线进行适当的热锚定是必须的。在同轴线中，例如，尽管外部导体对于散热并不存在问题，但是内部导体的有效热化构成显著的挑战，因为将外部导体和内部导体分开的电介质通常是良好的绝热体。存在不同的方案来解决该问题，除了其他方式之外，尤其有例如λ/4栓（stud）、冷衰减器或者包在环氧树脂中的带状线。然而，这些方法在一些实验中可能带来附加的困难。例如，λ/4栓具有很低的带宽，而用于内部导体热化的毫开温度下的低温衰减器的效力在一定程度上是不清楚的。为了避免外壳的耗散性侧壁改变场线，环氧树脂带状线滤波器趋于体积庞大。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种微波连接器，该微波连接器包括：外部导体；置于所述外部导体中的内部导体；以及插入在所述外部导体与所述内部导体之间的电介质材料。所述电介质材料包括非耗散电介质材料和耗散电介质材料。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种连接器，该连接器包括：外部导体；具有第一、第二和第三部分的内部导体，所述第一和第二部分具有相似的尺寸，并且所述第三部分被插入在所述第一和第二部分之间并具有不同的尺寸；布置成围绕所述内部导体的所述第二部分的低耗散电介质材料；以及布置成围绕所述内部导体的所述第三部分的耗散电介质材料。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种连接器，该连接器包括：环形外部导体；置于所述环形导体中并且具有第一、第二和第三部分的内部导体，所述第一和第二部分具有相似的尺寸，并且所述第三部分被插入在所述第一和第二部分之间并具有不同的尺寸；布置成围绕所述内部导体的所述第二部分的非耗散电介质材料；以及布置成围绕所述内部导体的所述第三部分的耗散电介质材料。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种组装具有外部导体和内部导体的连接器的方法。该方法包括：修改所述内部导体的一部分的直径；将低耗散电介质材料压在所述外部和内部导体之间以暴露所述内部导体的所述部分；以及向所述内部导体的暴露部分施加耗散电介质材料。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种组装具有环形外部导体和置于所述外部导体内的内部导体的连接器的方法。该方法包括：修改所述内部导体的一部分的直径；将低耗散电介质材料压在所述外部和内部导体之间使得所述内部导体的所述部分暴露；以及向所述内部导体的所述暴露部分施加耗散电介质材料；以及固化所述耗散电介质材料。

通过本发明的技术实现另外的特征和优点。本申请中详细描述了本发明的其它实施例和方面，这些实施例和方面被认为是要求保护的发明的一部分。为了更好地理解本发明的优点和特征，参考说明书和附图。

附图说明

在说明书的结论处的权利要求中特别指出并且清楚地要求保护被认为是本发明的主题。从以下结合附图的详细描述，本发明的前述及其它特征和优点是显而易见的，在附图中：

图1是根据实施例的连接器的示意性侧视图；

图2是图1的连接器的性能数据的图示；

图3是使用图1的连接器以超导量子位（qubit）测量的弛豫时间和相干时间的图示，其中分别在装置的输入和输出处具有1:1和1:2的耗散/非耗散电介质材料的比率；以及

图4是使用图1的连接器使用超导量子位测量的弛豫时间和相干时间的图解描绘，其中分别在装置的输入和输出处具有1:1和1:3的耗散/非耗散电介质材料的比率。

具体实施方式

提供微波连接器来用于在毫开温度下进行微波线的有效热化和滤波。该连接器被设计成在1-20GHz范围内的频率下工作，并且具有可以在制造过程中被调谐的截止频率，这将在下文中更详细地描述。该设计允许阻抗调谐以与其它电路部件阻抗匹配，并且提供了高度的小型化和模块性。

参考图1，提供了一种微波连接器（下文中称为“连接器”）10。连接器10包括外部导体11、内部导体12、低耗散电介质材料13和耗散电介质材料14。

外部导体11的形状和尺寸类似于标准超小A版（SubMiniature versionA，SMA）的外部导体，并且可以由黄铜、铜、不锈钢或其它类似材料形成。外部导体11具有前部111和后部112。前部111是具有第一外径OD1以及形成于其内表面113上的螺纹的环形元件。该螺纹被提供用来连接连接器10与线缆连接器15。后部112是具有第二外径OD2以及相对平滑的内表面114的环形元件，所述第二外径OD2大于所述第一外径OD1。前部111和后部112的各自的内表面113和114限定了环形内部115。

内部导体12布置在外部导体11的环形内部115中并且具有第一部分121、第二部分122和第三部分123。第一和第二部分121和122具有相似的尺寸，当然这不是必须的。特别地，第一和第二部分121和122具有相似的直径D21。第三部分123轴向地插入在第一部分121和第二部分122之间并且具有与第一和第二部分121和122的对应尺寸不同的尺寸。特别地，第三部分123具有不同于直径D12的直径D3（即，直径D3可以小于直径D12，如图1所示，或者大于直径D12）。从外部导体11的厚度112的后侧，第二部分122轴向向前延伸几乎通过整个外部导体11的后部112。第三部分123从第二部分122的前端向前轴向延伸到外部导体11的前部111的中点。从第三部分123的前端，第一部分121轴向向前延伸几乎远至外部导体11的前部111的前侧。

由于上述构造，形成在内表面113上的螺纹围绕第一部分121以及第三部分123的大约一半。类似地，相对平滑的内表面114围绕第二部分122以及第三部分123的大约一半。然而，这不是必须的，并且应当理解，第三部分123的轴向长度定义为内部导体12的与耗散电介质材料14接触的长度。如此处定义的第三部分123的轴向长度确定了总耗散。与耗散电介质材料14接触的第三部分123的直径可以被修改为保持恒定阻抗以及其它特征属性。

如图1所示，内部导体12的第二部分122的后端以及外部导体11的后部112的后侧分别可以与线缆16的对应特征相连接，线缆16可附连到连接器10。第一部分121的前端具有销头形状并且向着尖锐的顶点逐渐变细。内部导体12的第一部分121的前端以及外部导体11的前部111的前侧分别可以与线缆连接器15的对应特征相连接。

低耗散电介质材料13布置成围绕内部导体12的第二部分122并因此占据内部导体12的第二部分122的外表面与外部导体11的后部112的相对平滑的内表面114之间的环形空间。根据各实施例，低耗散电介质材料13可以是非耗散电介质材料或者，更具体地，可以是聚四氟乙烯（PTFE）。耗散电介质材料14被布置成围绕内部导体12的第三部分123并且与低耗散电介质材料13轴向邻近。耗散电介质材料14占据外部导体11与内部导体12之间的基本整个空间，其中在该空间中基本没有界定间隙。

根据各实施例，耗散电介质材料14可以由Eccosorb^TM或类似Eccosorb^TM的材料形成，所述材料包括含有小的微米级金属（可能是铁磁性的）颗粒的载体环氧树脂。根据另外的或备选实施例，耗散电介质材料14也可以包括由石英和硅石中的至少一种形成的粉末，以便与外部导体11和内部导体12和/或铁磁性颗粒的热膨胀系数（CTE）匹配。铁磁性颗粒可以包括铁以容许高频耗散。

通常，低耗散电介质材料13与耗散电介质材料14的比率可以设定在与预定衰减截止频率相关联的水平。此外，对于耗散电介质材料14，环氧树脂的体积以及磁性填充物的量确定了衰减频率和滚降频率（rollofffrequency）并且因此是可调谐的。此外，内部导体12的第三部分123的直径D3可被调谐以实现连接器10中的最佳阻抗匹配。这允许RF信号的最少反射。

现在将描述组装连接器10的过程。计算连接器10的传输特性，并且在实现最佳传输特性需要在连接器10的轴向长度上阻抗基本恒定的理解下，为了实现这种最佳传输特性而修改内部导体12。该阻抗由内部导体12和外部导体11的相对半径并且由耗散电介质材料14和非耗散电介质材料13的电容率和磁导率确定。具体地，阻抗Z为：

$Z=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}}\ln (D/d);$

其中μ和ε是耗散电介质材料14和非耗散电介质材料13的磁导率和介电常数，D是耗散电介质材料14和非耗散电介质材料13的外径，并d是内部导体12的直径。由于D在本发明中是常数，因此参数d在耗散电介质材料14和非耗散电介质材料13之间变化，以保持恒定的50Ω的阻抗来考虑耗散电介质材料14和非耗散电介质材料13中μ和ε的变化。

实际上，可以在测试时精细调谐上述模型以确定实际的最佳直径D。

一旦确定了内部导体12的两个不同直径并且如图1所示地修改了内部导体12，则在外部导体11和内部导体12之间按压非耗散电介质材料13，直到非耗散电介质材料13的一端到达连接器10的后侧并且另一端恰好与内部导体12直径的台阶式变化（即，内部导体12的第二部分122与内部导体12的第三部分123之间的边界）对准。现在暴露内部导体12的直径最小的区域。单独准备耗散电介质材料14并且在其仍处于液体形式时用注射器或类似方法将其施加到连接器10。施加液体耗散电介质材料14直到恰好内部导体12的直径的下一台阶（即，内部导体12的第三部分123与内部导体12的第一部分121之间的边界）。然后使连接器10处于适当的温度下以便液体耗散电介质14固化，所述温度可以是约120摄氏度且持续数小时，或者制造商推荐的进程。

参考图2，提供了连接器10的性能数据的图示。在室温下并且连接器10包括1/4的耗散电介质材料14和3/4的非耗散电介质材料13的情况下，获得了图2的数据。如图2所示，3dB点在3.5GHz。在3dB频率下在低温温度下观察到了类似的性能。

参考图3和4，使用超导量子位（即在超导量子计算中使用的量子位）。超导量子计算是涉及纳米制造超导电极的量子信息的实现方式。量子位是双态量子机械系统，例如，单个光子的极化，其中量子位允许在同一时间两个态重叠。存在量子位的多种可能实验实现方式。在超导量子位的特定情况下，量子系统由超导结构和称为Josephson结的非线性、非耗散元件制造。Josephson结是两个超导体之间的薄（nm尺寸的）绝缘势垒并且主要用作非线性感应器，其导致量子位的能级的不等间隔。这使量子位区别于纯的谐波振荡器并且允许对应的两个唯一量子状态的实验操纵。

与其环境热力学平衡的量子位将理想地处于其基态。当量子位的量子状态被操纵以对其进行任何操作时，经过特征时间（T1，或弛豫时间），系统将最终向着热力学平衡发展，称为弛豫的过程。通过T1弛豫过程，量子位与环境交换能量。量子位中的另一动态过程与量子位的两个状态之间的量子相有关。实验上描述这些状态之间的相对相的能力被称为相干性。相干性是量子信息中的关键概念并且其处于该理论的核心。量子系统通常通过以不可逆的方式与环境交互而失去相干性。这并不一定涉及向T1那样的与环境的能量交换。通过退相干，量子系统从两个量子态的纯重叠发展到这些状态的经典混合（没有任何相对相信息的状态描述）。将特征时间尺度称为T_phi，量子系统经过所述特征时间尺度失去相干性。然而，这不是通常所谓的“相干时间”。相干时间，或者T2，定义为(1/(2T1)+1/T_phi)^(-1)。这反映了这一事实：量子位的有效寿命取决于量子位通过其环境失去能量的速率（T1）并且取决于量子位失去相位相干性的速率（T_phi）。

在图3中，示出了使用连接器之前和之后的超导量子位的弛豫时间（顶部）和相干时间（底部），对于所述连接器，在装置的输入处环氧树脂：特氟龙的比率（即耗散电介质材料14与非耗散电介质材料13的比率）为1:1，并且在装置的输出处环氧树脂:特氟龙的比率为1:2。在图4中，示出了使用连接器之前和之后的超导量子位的弛豫时间（顶部）和相干时间（底部），对于所述连接器，在装置的输入处环氧树脂:特氟龙的比率为1:1，并且在装置的输出处环氧树脂:特氟龙的比率为1:3.

本文中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例，并不意图限制本发明。如本文中所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”也意图包含复数形式，除非上下文中另外明确指出。还应当理解，术语“包含”和/或“包括”，如果在本说明书中使用了，则指明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。

下面的权利要求中的所有装置或步骤加功能元素的对应结构、材料、动作和等效物旨在包括用于与特别要求保护的其它要求保护的元素相结合地执行功能的任何结构、材料或动作。已经为了说明和描述了目的呈现了本发明的说明书，但是该说明书并不是穷尽的或者限于所公开的形式的发明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对于本领域技术普通技术人员而言，很多修改和改变是显而易见的。选择和描述该实施例是为了最好地解释本发明的原理和实践应用，并使得本领域普通技术人员能够对于适于所想到的特定用途的具有各种修改的各种实施例理解本发明。

尽管已经描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，现在以及将来，本领域技术人员可以进行落入后附权利要求的范围内的各种改进和增强。这些权利要求应当被认为保持对被首先描述的本发明的适当保护。

Claims (25)

1.一种微波连接器，包括：

外部导体；

置于所述外部导体中的内部导体；以及

插入在所述外部导体与所述内部导体之间的电介质材料，所述电介质材料包括非耗散电介质材料和耗散电介质材料。

2.根据权利要求1所述的微波连接器，其中所述微波连接器被设计用于在1-20GHz范围内操作。

3.根据权利要求1所述的连接器，其中所述耗散电介质材料接触所述内部导体的一部分，所述内部导体的所述部分具有与所述内部导体的另一部分不同的尺寸以有利于阻抗匹配。

4.根据权利要求1所述的连接器，其中所述耗散电介质材料占据所述外部导体与所述内部导体之间的基本整个空间。

5.根据权利要求1所述的连接器，其中所述耗散电介质材料包括石英、硅石和铁磁颗粒中的至少一种。

6.一种连接器，包括：

外部导体；

具有第一、第二和第三部分的内部导体，所述第一和第二部分具有相似的尺寸，并且所述第三部分被插入在所述第一和第二部分之间并具有不同的尺寸；

布置成围绕所述内部导体的所述第二部分的低耗散电介质材料；以及

布置成围绕所述内部导体的所述第三部分的耗散电介质材料。

7.根据权利要求6所述的连接器，其中所述低耗散电介质材料与所述耗散电介质材料的比率被设定在与预定衰减截止频率相关联的水平。

8.根据权利要求6所述的连接器，其中所述外部导体和所述内部导体的所述第二部分被配置成分别电耦合到同轴线缆的外部导体和内部导体。

9.根据权利要求6所述的连接器，其中所述内部导体的所述第一和第二部分具有相似的直径，并且所述内部导体的所述第三部分具有不同的直径。

10.根据权利要求6所述的连接器，其中所述内部导体的所述第三部分的直径被调谐以用于阻抗匹配。

11.根据权利要求6所述的连接器，其中所述耗散电介质材料包括环氧树脂。

12.根据权利要求11所述的连接器，其中所述耗散电介质材料还包括由石英、硅石和铁磁颗粒中的至少一种形成的粉末。

13.一种连接器，包括：

环形外部导体；

置于所述环形导体中并且具有第一、第二和第三部分的内部导体，所述第一和第二部分具有相似的直径，并且所述第三部分被插入在所述第一和第二部分之间并具有不同的直径；

布置成围绕所述内部导体的所述第二部分的非耗散电介质材料；以及

布置成围绕所述内部导体的所述第三部分的耗散电介质材料。

14.根据权利要求13所述的连接器，其中所述非耗散电介质材料与所述耗散电介质材料的比率被设定在与预定衰减截止频率相关联的水平。

15.根据权利要求13所述的连接器，其中所述内部导体的第一部分具有销头形状。

16.根据权利要求13所述的连接器，其中所述外部导体和所述内部导体的所述第二部分被配置成分别电耦合到同轴线缆的外部导体和内部导体。

17.根据权利要求13所述的连接器，其中所述内部导体的所述第三部分的直径被调谐以用于阻抗匹配。

18.根据权利要求13所述的连接器，其中所述耗散电介质材料包括环氧树脂。

19.根据权利要求18所述的连接器，其中所述耗散电介质材料还包括由石英、硅石和铁磁颗粒中的至少一种形成的粉末。

20.根据权利要求18所述的连接器，其中所述耗散电介质材料占据所述外部导体与所述内部导体之间的基本整个空间。

21.一种组装具有外部导体和内部导体的连接器的方法，该方法包括：

修改所述内部导体的一部分的直径；

将低耗散电介质材料压在所述外部和内部导体之间以暴露所述内部导体的所述部分；以及

向所述内部导体的暴露部分施加耗散电介质材料。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述施加包括将所述耗散电介质材料施加到所述内部导体的所述暴露部分使得所述耗散电介质材料占据所述外部和内部导体之间的基本整个空间。

23.一种组装具有环形外部导体和置于所述外部导体内的内部导体的连接器的方法，该方法包括：

修改所述内部导体的一部分的直径；

将低耗散电介质材料压在所述外部和内部导体之间使得所述内部导体的所述部分暴露；以及

向所述内部导体的暴露部分施加耗散电介质材料；以及

固化所述耗散电介质材料。

24.根据权利要求23所述的方法，其中修改所述内部导体的所述部分的直径包括阻抗匹配。

25.根据权利要求23所述的方法，其中修改所述内部导体的所述部分的直径包括：

计算所述连接器的传输特性；

从所述计算的结果确定最佳传输特性；以及

根据所述确定的结果减小所述内部导体的所述部分的直径。