CN114050408A - 微带天线阵列、离子阱驱动装置及相位参数计算方法 - Google Patents

微带天线阵列、离子阱驱动装置及相位参数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的微带天线阵列、离子阱驱动装置及相位参数计算方法，涉及量子计算技术领域，根据三维空间中某点所在的方位角和俯仰角、离子阱中待驱动离子需要的微波驱动频率及微带天线阵列各个微带天线的位置坐标，得到微带天线阵列在该点的增益分布，根据离子阱中待驱动离子在三维空间中的方位角和俯仰角，得到增益分布最大值时对应的各个相位控制器的相位参数，将相位参数作为对应相位控制器的相位参数，从而无需增加喇叭天线的口径即可提高微带天线阵列的增益，达到不增加喇叭天线口面尺寸即可提高微带天线阵列增益的目的。

Description

微带天线阵列、离子阱驱动装置及相位参数计算方法
技术领域
本发明涉及量子计算技术领域，具体涉及一种微带天线阵列、离子阱驱动装置及相位参数计算方法。
背景技术
在量子计算领域，单量子逻辑门和双量子逻辑门可采用近场微波驱动或者激光来驱动。在采用微波的离子阱驱动系统中，通常包含信号发生器、谐振器、功率放大器、天线等，其中天线为将传输线上的导行波转换为用于驱动离子微波的关键装置。该离子阱驱动系统会因为离子的差异而需要采用不同的频率转换装置，如25Mg+、43Ca+和171Yb+离子的微波驱动频率分别为1.789GHz、3.2GHz和12.6GHz。然而，在1.789GHz、3.2GHz和12.6GHz这三个频点上，为保证天线拥有较窄的主瓣波束，目前主要采用喇叭天线来减小主瓣波束的宽度以提高增益。但是由于喇叭天线本身的尺寸较大，若要进一步提高微带天线阵列的增益，则需要进一步增加喇叭天线的口面，会导致该离子阱驱动系统的体积过大，限制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微带天线阵列、离子阱驱动装置及相位参数计算方法，以解决现有技术存在的缺陷。
为了实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种微带天线阵列，该微带天线阵列包括信号源、多个微带天线、多个相位控制器及介质基板，其中：
所述信号源分别与多个所述相位控制器电学连接，用于产生微波信号。
多个所述微带天线分别与多个所述相位控制器电学连接，其中，一个微带天线对应电学连接一个相位控制器。
多个所述微带天线固定设置于所述介质基板上。
第二方面，本发明实施例提供了一种离子阱驱动装置，该离子阱驱动装置包括喇叭天线及第一方面所述的微带天线阵列，其中，所述微带天线阵列固定设置于所述喇叭天线的内侧壁上。
第三方面，本发明实施例提供了一种可用于第二方面所述的离子阱驱动装置的相位参数计算方法，包括以下步骤：
根据三维空间中某点所在的方位角和俯仰角、离子阱中待驱动离子需要的微波驱动频率及所述微带天线阵列各个微带天线的位置坐标，得到所述微带天线阵列在该点的增益分布；
根据离子阱中待驱动离子在所述三维空间中的方位角和俯仰角，得到所述增益分布最大值时对应的各个相位控制器的相位参数；
将所述相位参数作为对应相位控制器的相位参数。
在第三方面的一种可能的实现方式中，所述增益分布的表达式为：
Figure 537816DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 301373DEST_PATH_IMAGE002
表示微带天线阵列在三维空间中
Figure 151648DEST_PATH_IMAGE003
点的增益分布，三维空间坐标的原点位于微带天线阵列的几何正中心，
Figure 571128DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 719213DEST_PATH_IMAGE005
分别表示离子阱中待驱动的离子在该三维空间中的方位角和俯仰角，n为大于0的自然数，表示微带阵列中的第几根微带天线，（h1 n ，h2 n ）表示第n个微带天线的位置坐标，a n 和b n 为预设的两个待求变量，f表示所述离子阱中待驱动离子需要的微波驱动频率。
在第三方面的一种可能的实现方式中，根据离子阱中待驱动离子在所述三维空间中的方位角和俯仰角，得到所述增益分布最大值时对应的各个相位控制器的相位参数包括：
根据所述增益分布的表达式
Figure 399593DEST_PATH_IMAGE006
，
对所述增益分布求偏导，得到偏导函数
Figure 607720DEST_PATH_IMAGE007
；
令
Figure 248917DEST_PATH_IMAGE008
=0，分别获得待求变量a n 和待求变量b n 的值。
在第三方面的一种可能的实现方式中，在分别将所述第一偏导函数及所述第二偏导函数的值设置为零，得到待求变量a n 和待求变量b n 的值之后，所述方法还包括：
根据公式
Figure 935114DEST_PATH_IMAGE009
，计算得到所述增益分布最大值时对应的各个相位控制器的相位参数p n ，j为虚数单位。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机程序，包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时使处理器执行如第三方面所述的方法。
第五方面，一种计算机设备，包括处理器、与所述处理器耦合的存储器，所述存储器用于存储指令，当所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如第三方面所述的方法。
本发明实施例提供的微带天线阵列、离子阱驱动装置及相位参数计算方法具有以下有益效果：
通过计算微带天线阵列中各个微带天线对应的相位参数，实现了在视场范围内任意一点处提高微带天线阵列的增益，从而无需增加喇叭天线的口径即可减小主瓣波束的宽度以实现进一步提高微带天线阵列的增益。
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微带天线阵列结构示意图。
图2为本发明实施例提供的离子阱驱动装置结构示意图。
图3为本发明实施例提供的相位参数计算方法流程示意图。
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。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供的微带天线阵列包括信号源、多个微带天线、多个相位控制器及介质基板，其中：
信号源分别与相位控制器1、相位控制器2、相位控制器3及相位控制器4电学连接，用于产生微波信号。
具体地，相位控制器1、相位控制器2、相位控制器3及相位控制器4均为移相器。
微带天线1与相位控制器1电学连接，微带天线2与相位控制器2电学连接，微带天线3与相位控制器3电学连接，微带天线4与相位控制器4电学连接。
微带天线1、微带天线2、微带天线3及微带天线4固定设置于介质基板上。
如图1所示，本发明实施例提供的微带天线阵列采用的微带天线及对应连接的相位控制器的数量均为4个，也可以为其他数量，具体数量根据实际情况具体确定，本发明实施例不以此为限。
具体地，相位控制器1、相位控制器2、相位控制器3及相位控制器4分别用于调节信号源产生的微波信号的相位并将调节后的微波信号分别对应输入天线阵列1、天线阵列2、天线阵列3及天线阵列4，使得该微带天线阵列在指定空间点的增益达到最大。其中，在量子计算领域，该指定的空间点为离子阱中待驱动的离子在三维坐标系中的坐标点。
实施例2
为了实现减小该微带天线阵列主瓣波束的宽度，本发明实施例提供了一种离子阱驱动装置。如图2所示，该离子阱驱动装置采用了将喇叭天线与微带天线阵列结合的方式，其中，微带天线阵列固定设置于喇叭天线的内侧壁上，实现了在不需要增加喇叭天线的口面尺寸的同时达到提高微带天线阵列增益的目的。
实施例3
如图3所示，针对本发明实施例1描述的微带天线阵列中各个相位控制器的相位参数的计算，包括以下步骤：
S101，根据公式
Figure 250426DEST_PATH_IMAGE010
，对
Figure 567138DEST_PATH_IMAGE011
求偏导，得到偏导函数
Figure 757948DEST_PATH_IMAGE012
。
S102，令
Figure 310152DEST_PATH_IMAGE013
=0，分别获得待求变量a n 和待求变量b n 的值，其中，
Figure 637228DEST_PATH_IMAGE014
表示微带天线阵列在三维空间中
Figure 390421DEST_PATH_IMAGE003
点的增益分布，
Figure 881576DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 175154DEST_PATH_IMAGE005
分别表示离子阱中待驱动的离子在该三维空间中的方位角和俯仰角，n为大于0的自然数，表示微带阵列中的第几根微带天线，（h1 n ，h2 n ）表示第n个微带天线的位置坐标，a n 和b n 为预设的两个待求变量，f表示离子阱中待驱动离子需要的微波驱动频率，具体地，f可以为1.789GHz、3.2GHz和12.6GHz中的任一个。
其中，得到的待求变量a n 和待求变量b n 的值，能够使得增益分布的值达到最大。
S103，根据公式
Figure 559999DEST_PATH_IMAGE016
，计算得到增益分布
Figure 15251DEST_PATH_IMAGE017
最大值时对应的各个相位控制器的相位参数p n ，j为虚数单位。
S104，将p n 作为对应相位控制器的相位参数，即将p 1作为相位控制器1的相位参数，将p 2作为相位控制器2的相位参数，将p 3作为相位控制器3的相位参数，将p 4作为相位控制器4的相位参数。
进一步地，本发明实施例提供的离子阱驱动装置的工作原理如下：
信号源产生的微波信号经过各个相位控制器后到达对应的微带天线并从微带天线阵列中发射出来，在经过喇叭天线内壁反射后的微波信号最终与直射的微波信号混合，在离子阱待驱动离子的坐标处获得最大增益，能在视场范围内任意一点处增强微带天线阵列的增益，从而无需增加喇叭天线的口径即可提高微带天线阵列的增益，达到不增加喇叭天线口面尺寸即可减小主瓣波束的宽度以进一步提高微带天线阵列增益的目的。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本申请所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请实施例的范围。
应当理解，在本申请实施例的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
可以理解，以上所描述的装置实施例是示意性的，例如，所述模块/单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
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 (8)

1.一种微带天线阵列，其特征在于，包括信号源、多个微带天线、多个相位控制器及介质基板，其中：
所述信号源分别与多个所述相位控制器电学连接，用于产生微波信号；
多个所述微带天线分别与多个所述相位控制器电学连接，其中，一个微带天线对应电学连接一个相位控制器；
多个所述微带天线固定设置于所述介质基板上。
2.一种离子阱驱动装置，其特征在于，包括喇叭天线及如权利要求1所述的微带天线阵列，其中，所述微带天线阵列固定设置于所述喇叭天线的内侧壁上。
3.一种可用于权利要求2所述的离子阱驱动装置的相位参数计算方法，其特征在于，包括：
根据三维空间中某点所在的方位角和俯仰角、离子阱中待驱动离子需要的微波驱动频率及所述微带天线阵列各个微带天线的位置坐标，得到所述微带天线阵列在该点的增益分布；
根据离子阱中待驱动离子在所述三维空间中的方位角和俯仰角，得到所述增益分布最大值时对应的各个相位控制器的相位参数；
将所述相位参数作为对应相位控制器的相位参数。
4.根据权利要求3所述的相位参数计算方法，其特征在于，所述增益分布的表达式为：
Figure 187649DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 839210DEST_PATH_IMAGE002
表示微带天线阵列在三维空间中
Figure 353368DEST_PATH_IMAGE003
点的增益分布，三维空间坐标的原点位于微带天线阵列的几何正中心，
Figure 482998DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 405693DEST_PATH_IMAGE005
分别表示离子阱中待驱动的离子在该三维空间中的方位角和俯仰角，n为大于0的自然数，表示微带阵列中的第几根微带天线，（h1 n ，h2 n ）表示第n个微带天线的位置坐标，a n 和b n 为预设的两个待求变量，f表示所述离子阱中待驱动离子需要的微波驱动频率。
5.根据权利要求4所述的相位参数计算方法，其特征在于，根据离子阱中待驱动离子在所述三维空间中的方位角和俯仰角，得到所述增益分布最大值时对应的各个相位控制器的相位参数包括：
根据所述增益分布的表达式
Figure 696997DEST_PATH_IMAGE006
，对所述增益分布求偏导，得到偏导函数
Figure 698451DEST_PATH_IMAGE007
；
令
Figure 756405DEST_PATH_IMAGE007
=0，分别获得待求变量a n 和待求变量b n 的值。
6.根据权利要求5所述的相位参数计算方法，其特征在于，在分别将所述第一偏导函数及所述第二偏导函数的值设置为零，得到待求变量a n 和待求变量b n 的值之后，所述方法还包括：
根据公式
Figure 159705DEST_PATH_IMAGE008
，计算得到所述增益分布最大值时对应的各个相位控制器的相位参数p n ，j为虚数单位。
7.一种计算机程序，包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时使处理器执行如权利要求3-6中任一项所述的方法。
8.一种计算机设备，包括处理器、与所述处理器耦合的存储器，所述存储器用于存储指令，当所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求3-6中任一项所述的方法。
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