CN113690553B - 波束可调的近场微波转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的波束可调的近场微波转换装置包括噪声源、功率放大器、多个滤波单元、切换开关、多个移相器和天线阵列，其中，噪声源用于制备白噪声信号，功率放大器用于将白噪声信号转换为设定频率范围内的宽带噪声信号，多个滤波单元用于分别从设定频率范围内的宽带噪声信号中选择特定频率的宽带噪声信号，切换开关用于切断或导通多个滤波单元中的各个滤波单元，多个移相器用于分别调节特定频率的宽带噪声信号的相位并将调节后的宽带噪声信号输入天线阵列，通用性强，可满足不同离子驱动的近场微波转换需求，减少了近场微波转换装置的数量，单个微波转换装置的数量体积更小，占用空间小，质量轻。

Description

波束可调的近场微波转换装置

技术领域

本发明涉及量子计算技术领域，具体涉及一种波束可调的近场微波转换装置。

背景技术

在量子计算领域，可采用近场微波或者激光来驱动离子阱中的离子。在采用微波驱动的系统中，通常包含谐振器、功率放大器、天线等，其中天线是将传输线上的导行波转换为驱动离子的近场微波的关键装置。一般来说，微波驱动系统会因离子的差异而采用不同频率的转换装置，如25Mg+、43Ca+和171Yb+离子的微波驱动频率分别为1.789GHz、3.2GHz和12.6GHz，因而需要采用对应频率的转换装置。通常的解决办法是针对每一种微波驱动系统设计一种近场微波转换装置，近场微波转换装置一般为喇叭口面的天线，由于喇叭口面的天线呈三维结构，因此占用的空间大。另外，天线尺寸跟波长成反比，对于低频段工作的天线，其尺寸也比较大。例如，针对工作频率为1.789GHZ的标准喇叭口面天线（增益为10dB)，尺寸需要达到210mm×209mm×154mm，所以说，现有以喇叭口面天线为基础的近场微波转换装置存在体积大、质量大的缺陷，严重限制了量子计算技术的发展和商用推广。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明实施例提供了一种波束可调的近场微波转换装置，以解决现有技术存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的波束可调的近场微波转换装置包括：

噪声源，用于制备白噪声信号；

功率放大器，用于将所述白噪声信号转换为设定频率范围内的宽带噪声信号；

多个滤波单元，分别用于从所述设定频率范围内的宽带噪声信号中选择特定频率的宽带噪声信号；

切换开关，用于切断或导通多个所述滤波单元中的各个滤波单元；

多个移相器，分别用于调节所述特定频率的宽带噪声信号的相位并将调节后的宽带噪声信号输入天线阵列，使得天线阵列在所述特定频率的宽带噪声信号上的增益达到最大；

所述天线阵列，用于根据所述调节后的宽带噪声信号，向外辐射电磁波信号，以利用所述电磁波信号近场驱动离子阱中的离子，其中，所述特定频率为离子阱中离子的驱动频率。

作为本发明一个优选的实施方式，所述功率放大器，用于将所述白噪声转换为频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号。

作为本发明一个优选的实施方式，多个所述滤波单元包括第一滤波单元、第二滤波单元和第三滤波单元。

作为本发明一个优选的实施方式，所述第一滤波单元用于从频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号中选择频率为1.789GHz的宽带噪声信号。

作为本发明一个优选的实施方式，所述第二滤波单元用于从频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号中选择频率为3.2GHz的宽带噪声信号。

作为本发明一个优选的实施方式，所述第三滤波单元用于从频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号中选择频率为12.6GHz的宽带噪声信号。

作为本发明一个优选的实施方式，所述切换开关，还用于在发生切换操作时，同时改变多个所述移相器中的相移。

作为本发明一个优选的实施方式，所述天线阵列包括多个微带天线。

作为本发明一个优选的实施方式，所述第一滤波单元、所述第二滤波单元和所述第三滤波单元均为带通滤波器。

本发明实施例提供的波束可调的近场微波转换装置具有以下有益效果：

（1）通用性强，可满足不同驱动离子的微波驱动系统的近场微波转换需求；

（2）以减少近场微波转换装置的数量，单个近场微波转换装置的数量体积更小，只有普通天线的百分之一，占用空间小，质量轻。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的波束可调的近场微波转换装置的结构示意图。

图2为噪声源电路示意图。

图3为本发明实施例提供的波束可调的近场微波转换装置中第一滤波单元、第二滤波单元和第三滤波单元的幅频特性函数示意图。

图4为天线阵列结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的波束可调的近场微波转换装置包括噪声源、功率放大器、第一滤波单元、第二滤波单元、第三滤波单元、切换开关、移相器1、移相器2、移相器3、天线阵列，其中：

噪声源用于制备白噪声信号。

作为本发明一个具体的实施方式，如图2所示，噪声源包括电源、电阻R1、电阻R2和电容C1。当电源接通后，在电阻R1和电阻R2之间会产生一个白噪声信号，该白噪声信号通过电容C1输出到功率放大器，从而获得1-13GHz频率范围内的宽带噪声信号。

功率放大器用于将该白噪声信号转换为设定频率范围内的宽带噪声信号。

作为本发明一个可选的实施方式，功率放大器用于将白噪声转换为频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号。

第一滤波单元、第二滤波单元、第三滤波单元分别用于从设定频率范围内的宽带噪声信号中选择特定频率的宽带噪声信号。

作为本发明一个可选的实施方式，多个滤波单元包括第一滤波单元、第二滤波单元和第三滤波单元。其中：

第一滤波单元用于从频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号中选择频率为1.789GHz的宽带噪声信号。

第二滤波单元用于从频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号中选择频率为3.2GHz的宽带噪声信号。

第三滤波单元用于从频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号中选择频率为12.6GHz的宽带噪声信号。

其中，第一滤波单元、第二滤波单元和第三滤波单元的幅频特性如图3所示。

作为本发明一个可选的实施方式，第一滤波单元、第二滤波单元和第三滤波单元均为带通滤波器。

切换开关用于切断或导通多个滤波单元中的各个滤波单元，以保证在第一/二/三滤波单元处于导通状态的同时，其余两个滤波单元处于切断状态。

作为本发明一个可选的实施方式，切换开关还用于在发生切换操作时，同时改变多个移相器中的相移。

移相器1、移相器2、移相器3分别用于调节特定频率的宽带噪声信号的相位并将调节后的宽带噪声信号输入天线阵列，使得天线阵列在特定频率的宽带噪声信号上的增益达到最大。

其中，该增益为天线增益，即为在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述了天线将输入功率集中辐射的程度。增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向（一般指天线的正前方）收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在某一个确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。

天线阵列用于根据调节后的宽带噪声信号，向外辐射电磁波信号，以利用电磁波信号近场驱动离子阱中的离子，其中，该特定频率为离子阱中离子的驱动频率。

作为本发明一个可选的实施方式，天线阵列包括多个微带天线。

具体地，如图4所示，天线阵列由4个微带天线、微带馈线和介质基板组成，其中，单个微带天线的工作频率范围为1.7GHz-12.7GHz，单个微带天线的尺寸为1.5λ×2λ×h，其中，λ为最低工作频率的有效波长，h为介质基板的厚度，h一般不超过2mm，使得单个近场微波转换装置的体积显著小于多个喇叭天线的体积。

本发明实施例提供的波束可调的近场微波转换装置包括噪声源、功率放大器、多个滤波单元、切换开关、多个移相器和天线阵列，其中，噪声源用于制备白噪声信号，功率放大器用于将白噪声信号转换为设定频率范围内的宽带噪声信号，多个滤波单元用于分别从设定频率范围内的宽带噪声信号中选择特定频率的宽带噪声信号，切换开关用于切断或导通多个滤波单元中的各个滤波单元，多个移相器用于分别调节特定频率的宽带噪声信号的相位并将调节后的宽带噪声信号输入天线阵列，使得天线阵列在特定频率的宽带噪声信号上的增益达到最大，天线阵列用于根据调节后的宽带噪声信号，向外辐射电磁波信号，以利用电磁波信号近场驱动离子阱中的离子，通用性强，可满足不同离子驱动的近场微波转换需求，减少了近场微波转换装置的数量，单个微波转换装置的数量体积更小，占用空间小，质量轻。

其中，如图1所示的波束可调的近场微波转换装置的工作原理如下：

当需要驱动离子阱中的25Mg+离子时，将切换开关接入第一滤波单元，第一滤波单元工作，从被功率放大器放大后的宽带噪声信号中选择频率为1.789GHz的宽带噪声信号输入天线阵列，天线阵列输出频率为1.789GHz的电磁波信号。在该过程中，移相器1引入的相移为a1、移相器2引入的相移为a2、移相器3引入的相移为a3、移相器4引入的相移为a4。宽带噪声信号经过这四个移相器后进入天线阵列，使得通过天线阵列能够输出一个增益达到最大的电磁波信号作为场源以驱动离子阱中的25Mg+离子，使其发生能级跃迁。

当需要驱动离子阱中的43Ca+离子时，将切换开关接入第二滤波单元，第二滤波单元工作，从被功率放大器放大后的宽带噪声信号中选择频率为3.2GHz的宽带噪声信号输入天线阵列，通过天线阵列输出一个增益达到最大的电磁波信号作为场源以驱动离子阱中的43Ca+离子，使其发生能级跃迁。同时，开关还控制着各个移相器的相移，每当开关切换一次，移相器中的相移就往右边循环位移一位。即在该过程中，移相器1的相移由a1变为a2、移相器2的相移由a2变为a3、移相器3的相移由a3变为a4、移相器4的相移由a4变为a1，以适应频率为3.2GHz的宽带噪声信号。

当需要驱动离子阱中的171Yb+离子时，将切换开关接入第三滤波单元，第三滤波单元工作，从放大后的宽带噪声信号中选择频率为12.6GHz的宽带噪声信号输入天线阵列，通过天线阵列输出一个增益达到最大的电磁波信号作为场源以驱动离子阱中的43Ca+离子，使其发生能级跃迁。同时，开关还控制着各个移相器的相移，每当开关切换一次，移相器中的相移就往右边循环位移一位。即在该过程中，移相器1的相移由a2变为a3、移相器2的相移由a3变为a4、移相器3的相移由a4变为a1、移相器4的相移由a1变为a2，以适应频率为12.6GHz的宽带噪声信号。

可以理解的是，上述装置中的相关特征可以相互参考。以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种波束可调的近场微波转换装置，其特征在于，包括：

噪声源，用于制备白噪声信号；

功率放大器，用于将所述白噪声信号转换为设定频率范围内的宽带噪声信号；

多个滤波单元，分别用于从所述设定频率范围内的宽带噪声信号中选择特定频率的宽带噪声信号；

切换开关，用于切断或导通多个所述滤波单元中的各个滤波单元；

多个移相器，分别用于调节所述特定频率的宽带噪声信号的相位并将调节后的宽带噪声信号输入天线阵列，使得天线阵列在所述特定频率的宽带噪声信号上的增益达到最大；

所述天线阵列，用于根据所述调节后的宽带噪声信号，向外辐射电磁波信号，以利用所述电磁波信号近场驱动离子阱中的离子，其中，所述特定频率为离子阱中离子的驱动频率。

2.根据权利要求1所述的波束可调的近场微波转换装置，其特征在于：

所述功率放大器，用于将所述白噪声转换为频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号。

3.根据权利要求2所述的波束可调的近场微波转换装置，其特征在于：

多个所述滤波单元包括第一滤波单元、第二滤波单元和第三滤波单元。

4.根据权利要求3所述的波束可调的近场微波转换装置，其特征在于：

所述第一滤波单元用于从频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号中选择频率为1.789GHz的宽带噪声信号。

5.根据权利要求3所述的波束可调的近场微波转换装置，其特征在于：

所述第二滤波单元用于从频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号中选择频率为3.2GHz的宽带噪声信号。

6.根据权利要求3所述的波束可调的近场微波转换装置，其特征在于：

所述第三滤波单元用于从频率范围为1-13GHz的多个宽带噪声信号中选择频率为12.6GHz的宽带噪声信号。

7.根据权利要求1所述的波束可调的近场微波转换装置，其特征在于：

所述切换开关，还用于在发生切换操作时，同时改变多个所述移相器中的相移。

8.根据权利要求1所述的波束可调的近场微波转换装置，其特征在于：

所述天线阵列包括多个微带天线。

9.根据权利要求3所述的波束可调的近场微波转换装置，其特征在于：

所述第一滤波单元、所述第二滤波单元和所述第三滤波单元均为带通滤波器。

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