CN108767404A - 一种低温耦合器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低温耦合器及其使用方法,低温耦合器包括腔体,腔体的开口处盖合有盖子,所述腔体内安装有PCB板,所述PCB板包括交流部分和直流部分;所述交流部分设有交流功能模块,交流部分输入端口输入射频信号和脉冲信号;所述直流部分设有相互连接的中频功能模块和低频脉冲功能模块,且中频功能模块和低频脉冲功能模块均设有抑制信号干扰的器件;所述交流部分的信号与直流部分的信号经同一个输出端口输出。本发明不仅能兼容4‑8GHz持续微波信号,同时也能兼容最低10MHz的任意波脉冲信号,抑制信号严重变形。
Description
技术领域
本发明涉及耦合器技术领域,具体涉及一种低温耦合器及其使用方法。
背景技术
量子比特的调控依赖于高精度的模拟输入信号。对于超导量子比特而言,它所依赖的信号主要分为高频脉冲(4-8GHz频段),中频脉冲(0.01-500MHz频段),以及直流偏置信号(<1kHz)三类。在对超导量子比特进行操控时,我们不仅需要同时施加这三类脉冲信号,同时还需要在一个通道内合成以上信号,通常我们使用多端口耦合器件或者模块来完成信号的合成。考虑到脉冲信号的特性,耦合器件或者模块在合成信号的同时必须具备极高的端口阻抗匹配设计。无源多端口耦合器件的端口阻抗匹配性能一般较差,有时候需要使用复杂的有源模块来实现高质量的信号合成。
超导量子比特工作在30mK左右的极低温,以上三类信号进入包含超导量子比特的量子芯片之前,需要经过完全不同的低温线路优化,因而也只能在极低温进行合成。但是,针对以下应用情况,现有技术无法满足以下需求:在极低温下实现超导量子比特的中频脉冲与直流偏置信号合成的情况。
首先,有源的多端口耦合模块需要额外供电与提供信号输入,消耗功率巨大,无法在极低温环境中使用;其次,能够在极低温环境下稳定工作的无源多端口耦合器件,无法做到良好的端口阻抗匹配,会对中频脉冲信号产生严重的变形恶化。更一般情况下,现有技术无法提供满足中频脉冲信号以及直流偏置信号完美合成的技术方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术无法满足在极低温下实现超导量子比特的中频脉冲与直流偏置信号合成的问题。
本发明采用以下技术手段解决上述技术问题:
一种低温耦合器及其使用方法,包括腔体,腔体的开口处盖合有盖子,所述腔体内安装有PCB板,所述PCB板包括交流部分和直流部分;
所述交流部分设有交流功能模块,交流部分输入端口输入射频信号和脉冲信号;
所述直流部分设有相互连接的中频功能模块和低频脉冲功能模块,且中频功能模块和低频脉冲功能模块均设有抑制信号干扰的器件;
所述交流部分的信号与直流部分的信号经同一个输出端口输出。
进一步地,所述腔体由底部和侧壁围成,腔体的中部连接有隔离块,所述隔离块将腔体内部分隔成相通的两部分,分别为第一信号腔和第二信号腔,第一信号腔侧壁开设有直流输入端口;第二信号腔侧壁上开设有交流输入端口,所述侧壁上还开设有混合输出端口,所述直流输入端口、交流输入端口以及混合输出端口处均安装有连接器;
所述PCB板的交流部分输入端口与腔体上的交流输入端口对应;所述PCB板的直流部分信号输入端口与腔体上的直流输入端口对应;所述PCB板的输出端口与腔体上的混合输出端口对应。
进一步地,所述直流部分的信号输入端口与低频脉冲功能模块连接。
进一步地,所述中频功能模块抑制信号干扰的器件包括多个高频电感,低频脉冲功能模块抑制信号干扰的器件包括多个低频电感。
进一步地,所述抑制信号干扰的器件包括多个电阻元件。
进一步地,所述隔离块包括相对且间隔设置的第一隔离块和第二隔离块,且第一隔离块和第二隔离块均与对应侧的侧壁一体成型。
进一步地,所述直流输入端口、交流输入端口以及混合混出端口处均设有凹槽,凹槽中部设有通孔,所述连接器与凹槽紧固连接,且所述针芯穿过通孔。
进一步地,所述PCB板通过螺钉贴合固定在腔体的底部。
进一步地,所述腔体的背面连接有固定块,所述固定块上开设有连接孔。
进一步地,所述固定块与腔体背面一体成型。
进一步地,所述侧壁的端面上开设有盖槽,所述盖槽与盖子的外边缘相配合,盖槽与盖子通过螺钉紧固连接。
进一步地,所述低温耦合器使用的材料为紫铜,紫铜具有优良的导热性,在工作时,将产生的热量通过紫铜的接触,将热量导出至外界环境中。
本发明还提供低温耦合器的使用方法,耦合器的直流部分输入端口连接至一台直流源,耦合器的交流部分输入端口连接至一台任意波形发生器。耦合器的输出端口连接至量子芯片,并且耦合器以及量子芯片均处于稀释制冷机内部低至30mK以下的极低温环境中;在使用时,直流源输出的直流信号以及AWG输出的脉冲信号经过低温线路同时输入到耦合器内,并从输出端口合并输出到量子芯片。从信号合成实例中可以看出,合成后的信号能够完好地同时保留脉冲成分以及直流成分,因而本应用方法能够满足前述量子芯片所需的在极低温下实现超导量子比特的中频脉冲与直流偏置信号合成的情况。
本发明具有以下有益效果:
本发明在PCB板上布置低频脉冲功能模块和中频功能模块,通过抑制信号干扰的器件,将信号波动抑制在一定范围内,从而使滤波器件不仅能兼容4-8GHz持续微波信号,同时也能兼容最低10MHz的任意波脉冲信号,利用空腔的物理结构增大各端口间的隔离度。该滤波器件能有效降低三个端口间驻波比,实现良好的阻抗匹配,大大增加端口间的隔离度,抑制信号严重变形。该微波器件的电路设计简单,选用的电子元器件种类少数量少,降低设计成本,安装方便,性能可靠。
本发明能够在30mK以下的极低温环境稳定工作;具有极小的功耗,不会引起发热;工作频段完全满足超导量子比特所需的中频脉冲以及直流偏置信号的完美合成需求;端口阻抗接近50欧姆,中频脉冲信号的脉冲波形不会受到恶化,直流偏置信号的幅度不会受到不可控降低。
附图说明
图1是本发明实施例中耦合器的立体图,图中未示出盖子;
图2是本发明实施例中耦合器另一角度的立体图;
图3是本发明实施例中盖子的结构图;
图4是本发明实施例中PCB板的功能示意图;
图5是本发明实施例应用于超导量子芯片测控领域中的使用方法示意图。
具体实施方式
为了对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识,采用较佳的实施例及附图进行详细说明,具体如下:
一种低温耦合器及其使用方法,如图1-3所示,包括腔体1、盖子2、连接器3和PCB板4。
腔体1由底部11和侧壁12围成,腔体1的中部连接有隔离块121,隔离块121包括相对且间隔设置的第一隔离块1211和第二隔离块1212,且第一隔离块1211和第二隔离块1212均与对应侧的侧壁12一体成型。第一隔离块1211和第二隔离块1212相隔一段距离,从而隔离块121将腔体1内部分隔成相通的两部分,分别为第一信号腔13和第二信号腔14,第一信号腔13的侧壁开设有直流输入端口15,第二信号腔14的侧壁开设有交流输入端口16和混合输出端口17。本实施例中,如图1所示,第一信号腔13位于隔离块121的左侧,第二信号腔14位于隔离块121的右侧,直流输入端口15开设在腔体的左侧壁上,交流输入端口16开设于腔体的上侧壁上,混合输出端口17位于第二信号腔14上且开设于腔体的下侧壁上。隔离块121的设置可大大增强端口间的隔离度。优选地,腔体1的背面一体成型有固定块19,固定块19上开设有多个连接孔191,用于将耦合器与其他部件连接。
侧壁12的端面上开设有盖槽122,所述盖子2的外边缘与盖槽122相配合,盖子2与盖槽122通过M2螺钉紧固连接。
所述连接器3分别安装于直流输入端口15、交流输入端口16和混合输出端口17处。且直流输入端口15、交流输入端口16和混合输出端口17的外端口处均设有凹槽18,凹槽18中部设有通孔(图未标示),连接器3的两侧与凹槽18通过螺钉紧固连接,且连接器3的针芯31穿过通孔。本实施例中,连接器3为SMA连接头。
所述PCB板4安装于腔体1的内部,并通过M2螺钉联接贴合安装在底部11上,连接器的针芯31穿过通孔并位于PCB板4的表面上;PCB板4上包括交流部分和直流部分。PCB板4表面采用裸铜设计,使其与腔体底部11更加贴合。
如图4所示,交流部分设有交流功能模块41,交流部分输入端口411位置与腔体1上的交流输入端口16相对应,该端口输入射频信号和脉冲信号;交流部分信号输出端口为混合输出端口17。
直流部分设有中频功能模块421和低频脉冲功能模块422,且中频功能模块421和低频脉冲功能模块422均设有抑制信号干扰的器件(图未标示)。直流部分的信号输入端口423与低频脉冲功能模块422或中频功能模块421连接均可。本实施例中,直流部分的信号输入端口423与低频脉冲功能模块422连接。优选地,中频功能模块421抑制信号干扰的器件包括多个高频电感,低频脉冲功能模块422抑制信号干扰的器件包括多个低频电感。此外,抑制信号干扰的器件还可包括多个电阻(图未示)。本实施中分别设置3个高频电感和3个低频电感,且高频电感和低频电感可任意排列。直流部分信号输入端口423为腔体1上的直流输入端口15,接直流信号输入端;直流部分信号输出端口为腔体1上的混合输出端口17。
射频信号和脉冲信号由交流部分输入端口411流入交流功能模块41,进而流向混合输出端口17;直流信号由直流部分信号输入端口423依次流入低频脉冲功能模块422和中频功能模块421,再流向混合输入端口17,直流部分信号和交流部分信号在混合输出端口17处汇合并流出。
以下为信号合成实例:中频脉冲信号T=10us,t=1us占空比为10%从交流部分输入端口411通过交流功能模块41,直流信号端口423输入电流I=10mA的直流偏置信号,2种信号在节点处重合,在混合输出端口17的信号为T=10us,t=1us占空比为10%过冲为2%。
上述耦合器在制作时,包括如下步骤:
(1)根据设计好的PCB板4的外形轮廓确定腔体1、第一信号腔13、第二信号腔14及隔离块121的大小尺寸;为了保证连接器针芯31能位于PCB板4的上方,根据连接器3的规格和PCB板4的厚度确定腔体1的深度,由于连接器针芯31上表面附着绝缘层,所以预留凹槽18的深度和通孔的直径。
(2)清洁加工件,将PCB板4平放在腔体1底部使PCB板4的功能模块放置在对应的信号腔内,调整PCB板4使其螺丝孔位置对应腔体中螺孔位置,使用螺钉固定贴合。
(3)在加工件侧壁凹槽18内使用连接器3,使连接器法兰(图未标示)位于凹槽18内,同时连接器3的绝缘套位于凹槽的通孔处,连接器3的针芯31位于腔体侧壁且位于PCB板4表面,在连接器法兰处用螺丝固定连接器3,使用焊锡将PCB板的信号端口和连接器的针芯焊接到一起。
(4)将盖子放入盖槽中,使用螺丝固定。
本实施例在PCB板上布置低频脉冲功能模块和中频功能模块,通过抑制信号干扰的器件,将信号波动抑制在一定范围内,从而使滤波器件不仅能兼容4-8GHz持续微波信号,同时也能兼容最低10MHz的任意波脉冲信号,利用空腔的物理结构增大各端口间的隔离度。该滤波器件能有效降低三个端口间驻波比,实现良好的阻抗匹配,大大增加端口间的隔离度,抑制信号严重变形。该微波器件的电路设计简单,选用的电子元器件种类少数量少,降低设计成本,安装方便,性能可靠。
本实施例提供的耦合器能够在30mK以下的极低温环境稳定工作,所使用材料能够承受温度变化引起的热胀冷缩、导电性、导热性、机械性能等的差异,可以在30mK以下的极低温环境下稳定工作;
具有极小的功耗,不会引起发热,直流偏置信号耦合输入端到中频脉冲耦合输入端的插入损耗为0.7dB,耦合输出端的输出频段为4-8G、插入损耗为1.8dB、电压驻波比为1.3;
工作频段完全满足超导量子比特所需的中频脉冲以及直流偏置信号的完美合成需求,中频脉冲耦合输入端的输入频段4-8G、电压驻波比为1.5,能够完美支持中频脉冲信号的输入;
端口阻抗接近50欧姆,中频脉冲信号的脉冲波形不会受到恶化,直流偏置信号的幅度不会受到不可控降低;
所使用的材料以及加工工艺不会引入任何磁性成分污染物,这对于超导量子比特的调控而言极其重要,能够避免耦合器带磁性引起的超导量子比特质量的下降;
体积小,整体尺寸仅为51.70x29.6x16.5mm,极易集成,能够用于大规模超导量子比特芯片的调控工程中。
如图5所示,是本耦合器应用于超导量子芯片测控领域中的使用方法示意图。其中,耦合器的直流部分输入端口连接至一台直流源,耦合器的交流部分输入端口连接至一台任意波形发生器(AWG)。耦合器的输出端口连接至量子芯片,并且耦合器以及量子芯片均处于稀释制冷机内部低至30mK以下的极低温环境中。在使用时,直流源输出的直流信号以及AWG输出的脉冲信号经过低温线路同时输入到耦合器内,并从输出端口合并输出到量子芯片。从信号合成实例中可以看出,合成后的信号能够完好地同时保留脉冲成分以及直流成分,因而本应用方法能够满足前述量子芯片所需的在极低温下实现超导量子比特的中频脉冲与直流偏置信号合成的情况。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种低温耦合器,其特征在于,包括腔体,腔体的开口处盖合有盖子,所述腔体内安装有PCB板,所述PCB板包括交流部分和直流部分;
所述交流部分设有交流功能模块,交流部分输入端口输入射频信号和脉冲信号;
所述直流部分设有相互连接的中频功能模块和低频脉冲功能模块,且中频功能模块和低频脉冲功能模块均设有抑制信号干扰的器件;
所述交流部分的信号与直流部分的信号经同一个输出端口输出。
2.根据权利要求1所述的一种低温耦合器,其特征在于,所述腔体由底部和侧壁围成,腔体的中部连接有隔离块,所述隔离块将腔体内部分隔成相通的两部分,分别为第一信号腔和第二信号腔,第一信号腔侧壁开设有直流输入端口;第二信号腔侧壁上开设有交流输入端口和混合输出端口,所述直流输入端口、交流输入端口以及混合输出端口处均安装有连接器;
所述PCB板的交流部分输入端口与腔体上的交流输入端口对应;所述PCB板的直流部分信号输入端口与腔体上的直流输入端口对应;所述PCB板的输出端口与腔体上的混合输出端口对应。
3.根据权利要求1所述的一种低温耦合器,其特征在于,所述直流部分的信号输入端口与低频脉冲功能模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种低温耦合器,其特征在于,所述中频功能模块抑制信号干扰的器件包括多个高频电感,低频脉冲功能模块抑制信号干扰的器件包括多个低频电感。
5.根据权利要求1所述的一种低温耦合器,其特征在于,所述抑制信号干扰的器件包括多个电阻元件。
6.根据权利要求1所述的一种低温耦合器,其特征在于,所述隔离块包括相对且间隔设置的第一隔离块和第二隔离块,且第一隔离块和第二隔离块均与对应侧的侧壁一体成型。
7.根据权利要求1所述的一种低温耦合器,其特征在于,所述直流输入端口、交流输入端口以及混合混出端口处均设有凹槽,凹槽中部设有通孔,所述连接器与凹槽紧固连接,且所述针芯穿过通孔。
8.根据权利要求1所述的一种低温耦合器,其特征在于,所述PCB板通过螺钉贴合固定在腔体的底部。
9.根据权利要求1所述的一种低温耦合器,其特征在于,所述腔体的背面连接有固定块,所述固定块上开设有连接孔。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的低温耦合器的使用方法,其特征在于,所述低温耦合器的直流部分输入端口连接至一台直流源,低温耦合器的交流部分输入端口连接至一台任意波形发生器;低温耦合器的输出端口连接至量子芯片,并且低温耦合器以及量子芯片均处于稀释制冷机内部低至30mK以下的极低温环境中。
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