CN116742304A - 低温隔离器及超导量子计算机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低温隔离器及超导量子计算机系统，包括呈对称结构的上腔体和下腔体，所述上腔体开设有用于依次布置第一铁氧体、第一中心介质基片和第一陶瓷介质基片的第一空腔，所述下腔体开设有用于依次布置第二铁氧体、第二中心介质基片和第二陶瓷介质基片的第二空腔，所述第一陶瓷介质基片与所述第二陶瓷介质基片之间布置中心导体；所述上腔体外壁开设的空腔和所述下腔体外壁开设的空腔中均布置永磁体，所述中心导体的电路采用带状线，其阻抗匹配采用三级短阶梯阻抗变换形式，输入端和输出端分别设于所述隔离器腔体的两侧并与所述中心导体连接；该低温隔离器在10mK‑77K的温区下能够满足目前量子计算机对低温隔离器的指标需求。
Description
技术领域
本发明涉及微波器件技术领域，具体涉及一种低温隔离器及超导量子计算机系统。
背景技术
对于超导量子计算机系统，其工作温区在10mK-77K左右，主要关键是能够读出量子位的低温电子器件。低温隔离器用于超导量子计算机中微波信号链路单向传输，防止信号反射，起到去耦的作用。低温隔离器不仅仅应用于超导量子计算机中，同时也广泛应用于射电天文望远镜、深空通信网络等方面。
超导量子计算机接收前端关键指标是噪声系数，而常规隔离器在低温下(环境温度10mK-77K)，由于器件自身材料的特性会随工作温度下降而变化，尤其是饱和磁化强度变化会造成插入损耗增加，导致超导量子计算机系统噪声增大，而端口驻波比与隔离度变差，极易造成在超导接收前端与天线之间、接收前端内部低温滤波器与低温放大器之间的连接中极易产生失配的情况，使之不能应用于超导量子计算机系统。
相关技术中，公布号为CN109326860A的专利申请文献所提出的低温3GHz-9GHz宽温区超宽带微波隔离器，该隔离器在低温4K-100K下其相对工作带宽为100％，但工作温度仍原高于10mK，无法适应超导量子计算机系统。授权公告号为CN205452499U的专利文件中提出了自带磁屏蔽式单结微带隔离器，在永磁铁氧体外侧电镀有磁屏蔽层，避免了器件与外界之间的磁场相互干扰，但该隔离器同样无法在10mK-77K低温区工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何一种应用于超导量子计算机系统的低温隔离器。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一方面，本发明提出了一种低温隔离器，所述低温隔离器包括：呈对称结构的上腔体和下腔体，所述下腔体开设有用于依次布置第一铁氧体、第一中心介质基片和第一陶瓷介质基片的第一空腔，所述上腔体开设有用于依次布置第二铁氧体、第二中心介质基片和第二陶瓷介质基片的第二空腔，所述第一陶瓷介质基片与所述第二陶瓷介质基片之间布置中心导体；
所述上腔体外壁开设的空腔和所述下腔体外壁开设的空腔中均布置永磁体，所述中心导体的电路采用带状线，其阻抗匹配采用三级短阶梯阻抗变换形式，输入端和输出端分别设于所述隔离器腔体的两侧并与所述中心导体连接。
进一步地，所述第一铁氧体与所述第一空腔接触的一面镀银，所述第二铁氧体与所述第二空腔接触的一面镀银。
进一步地，所述中心导体为带线Y结环行器的导体电路，三条金属带线互成120°的夹角，且三条金属带线均与中心结相交。
进一步地，所述第一中心介质基片和所述第二中心介质基片均为聚四氟乙烯介质基片，所述第一中心介质基片布置在所述第一铁氧体与所述中心导体的中心结之间，所述第二中心介质基片布置在所述第二铁氧体与所述中心导体的中心结之间。
进一步地，所述中心导体的三条金属带线放置在所述第一陶瓷介质基片和所述第二陶瓷介质基片之间。
进一步地，所述中心导体采用金属铜制备，且所述中心导体整体镀银。
进一步地，所述第一陶瓷介质基片和所述第二陶瓷介质基片的介电常数为9.6。
进一步地，所述上腔体和所述下腔体嵌套于磁屏蔽外壳内。
进一步地，所述磁屏蔽外壳采用坡莫合金材料制备。
第二方面，本发明提出了一种超导量子计算机系统，所述系统采用如上所述的低温隔离器进行微波信号链路单向传输。
本发明的优点在于：
(1)本发明设计的低温隔离器电路上采用带状线形式，电路的阻抗匹配采用三级短阶梯阻抗变换形式，通过优化匹配电路使其在低温环境下能提高端口驻波比，降低插入损耗，以减少信号反射对接收前端系统带来的不利影响，同时降低系统前端的噪声系数，本发明设计的低温隔离器在10mK-77k温区下工作性能稳定，驻波比、隔离度、插入损耗指标性能较优，在10mK-77K的温区下能够满足目前量子计算机对低温隔离器的指标需求。
另外，低温隔离器的结构上设采用了一种Drop-in的方式，上下结构为对称结构，在实际使用环境中能达到良好的物理稳定性，装配方便，便于调试；且通过设置中心介质基片，满足在低温条件下旋磁基片磁场变化，起到稳定场结构的作用，避免出现简并模，影响低温隔离器工作性能，通过将中心导体放置在陶瓷介质基片上，可以有效缩短中心导体长度，降低隔离器整体体积，使隔离器小型化。
(2)铁氧体与金属腔体接触的一面镀银，放置在腔体中，可以产生良好的接地性能。
(3)中心导体材料为金属铜，且整体镀银方式，可以降低低温隔离器插损。
(4)通过设置磁屏蔽外壳，保证隔离器的工作稳定性；且磁屏蔽层为坡莫合金材料加工，能够有效减少磁场泄露，保证低温隔离器工作稳定性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例提出的低温隔离器的三维爆炸图；
图2是本发明实施例提出的低温隔离器的整体结构示意图；
图3是本发明实施例提出的低温隔离器在温度为10mK下的插入损耗(S21)，隔离度(S12)；
图4是本发明实施例提出的低温隔离器在温度为10mK下的输入驻波(S11)，输出驻波(S22)。
图中：
1-永磁体，1-下腔体，3-第一铁氧体，4-第一中心介质基片，5-第一陶瓷介质基片，6-中心导体，7-上腔体，8-磁屏蔽外壳。
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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动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至图2所示，本发明第一实施例提出了一种低温隔离器，所述低温隔离器包括：呈对称结构的上腔体7和下腔体1，所述下腔体1开设有用于依次布置第一铁氧体3、第一中心介质基片4和第一陶瓷介质基片5的第一空腔，所述上腔体7开设有用于依次布置第二铁氧体、第二中心介质基片和第二陶瓷介质基片的第二空腔，所述第一陶瓷介质基片5与所述第二陶瓷介质基片之间布置中心导体6；
所述上腔体7外壁开设的空腔和所述下腔体1外壁开设的空腔中均布置永磁体1，所述中心导体6的电路采用带状线，其阻抗匹配采用三级短阶梯阻抗变换形式，输入端和输出端分别设于所述隔离器腔体的两侧并与所述中心导体6连接。
需要说明的是，铁氧体材料用于提供偏置磁场，这个竖直方向的恒定磁场可以使旋磁铁氧体材料产生旋磁效应，永磁体1安装在腔体外壁开设的空腔中，且不与铁氧体接触，永磁体1与铁氧体之间有1.5mm金属壁。
本实施例的中心导体6电路采用带状线形式，电路的阻抗匹配采用三级短阶梯阻抗变换形式，通过优化匹配电路使其在低温环境下能提高端口驻波比，降低插入损耗，以减少信号反射对接收前端系统带来的不利影响，同时降低系统前端的噪声系数，在10mK-77K的温区下能够满足目前量子计算机对低温隔离器的指标需求。
具体地，所述输入端和所述输出端的接头可以是SMA、N和DIN中的一种或者多种形式。
在一实施例中，所述第一铁氧体3与所述第一空腔接触的一面镀银，所述第二铁氧体与所述第二空腔接触的一面镀银。
需要说明的是，利用铁磁共振效应，法拉第旋转效应使磁场绕着某一方向旋转，当铁氧体材料在外加磁场的情况下，磁化矩的进动频率逐渐向铁氧体工作频率趋近。通过将铁氧体与金属腔体接触的一面镀银，放置在腔体中，可以产生良好的接地性能。
进一步地，在实际应用中选用具有较高磁饱和强度的旋磁材料，可进一步提高该低温隔离器的带宽。
在一实施例中，所述中心导体6为带线Y结环行器的导体电路，三条金属带线互成120°的夹角，且三条金属带线均与中心结相交。
需要说明的是，整体电路阻抗匹配为三级短阶梯阻抗变换形式，具有大带宽，低损耗特征，能有效扩展低温隔离器带宽，同时具有良好驻波比。
在一实施例中，所述中心导体6采用金属铜制备，且所述中心导体6整体镀银，可以降低低温隔离器插损。
在一实施例中，所述第一中心介质基片4和所述第二中心介质基片均为聚四氟乙烯介质基片，所述第一中心介质基片4布置在所述第一铁氧体3与所述中心导体6的中心结之间，所述第二中心介质基片布置在所述第二铁氧体与所述中心导体6的中心结之间。
需要说明的是，为满足在低温条件下旋磁基片磁场变化，在铁氧体和中心导体6之间填充一层厚度为0.18mm的聚四氟乙烯介质基片，介质基片起到稳定场结构的作用，避免出现简并模，影响低温隔离器工作性能。
在一实施例中，所述中心导体6的三条金属带线放置在所述第一陶瓷介质基片5和所述第二陶瓷介质基片之间。
需要说明的是，本实施例将将中心导体6放置在陶瓷介质基片上，可以有效缩短中心导体6长度，降低隔离器整体体积，使隔离器小型化。
进一步地，陶瓷介质基片介电常数9.6，可以缩短中心导体6的尺寸，从而降低整个低温隔离器的体积，并经验证，其他类型的材料降低尺寸效果没有陶瓷介质基片明显。
在一实施例中，所述上腔体7和所述下腔体1嵌套于磁屏蔽外壳8内。
需要说明的是，为保证隔离器的工作稳定性，需要对隔离器进行磁屏蔽，本实施例设置隔离器的磁屏蔽外壳8的作用是：第一，减少外部磁场对隔离器偏置磁场的影响。当隔离器的结构无磁屏蔽时其周围存在外部磁场时，隔离器的工作磁场将发生变化，从而导致工作频率的改变而影响电性能；第二，保护隔离器周围的微波元器件不受环行器磁场的影响；第三，提供一个低磁阻通道，提高隔离器磁路效率，减小磁体尺寸。
在一实施例中，所述磁屏蔽外壳8采用坡莫合金材料制备。
需要说明的是，磁屏蔽外壳8采用坡莫合金材料加工，能够有效减少磁场泄露，保证低温隔离器工作稳定性。
进一步地，根据图3、图4测试数据可知：本实施例提出的低温隔离器在温度为10mK下，4-8GHz频率范围内，插入损耗≤0.3dB，隔离度≥20dB，输入输出驻波≥18dB；在10mK-77K的温区下能够满足目前量子计算机对低温隔离器的指标需求。
另外，本发明第二实施例提出了一种超导量子计算机系统，所述系统采用如上第一实施例所述的低温隔离器进行微波信号链路单向传输。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种低温隔离器，其特征在于，所述低温隔离器包括：呈对称结构的上腔体和下腔体，所述下腔体开设有用于依次布置第一铁氧体、第一中心介质基片和第一陶瓷介质基片的第一空腔，所述上腔体开设有用于依次布置第二铁氧体、第二中心介质基片和第二陶瓷介质基片的第二空腔，所述第一陶瓷介质基片与所述第二陶瓷介质基片之间布置中心导体；
所述上腔体外壁开设的空腔和所述下腔体外壁开设的空腔中均布置永磁体，所述中心导体的电路采用带状线，其阻抗匹配采用三级短阶梯阻抗变换形式，输入端和输出端分别设于所述隔离器腔体的两侧并与所述中心导体连接。
2.如权利要求1所述的低温隔离器，其特征在于，所述第一铁氧体与所述第一空腔接触的一面镀银，所述第二铁氧体与所述第二空腔接触的一面镀银。
3.如权利要求1所述的低温隔离器，其特征在于，所述中心导体为带线Y结环行器的导体电路，三条金属带线互成120°的夹角，且三条金属带线均与中心结相交。
4.如权利要求3所述的低温隔离器，其特征在于，所述第一中心介质基片和所述第二中心介质基片均为聚四氟乙烯介质基片，所述第一中心介质基片布置在所述第一铁氧体与所述中心导体的中心结之间，所述第二中心介质基片布置在所述第二铁氧体与所述中心导体的中心结之间。
5.如权利要求3所述的低温隔离器，其特征在于，所述中心导体的三条金属带线放置在所述第一陶瓷介质基片和所述第二陶瓷介质基片之间。
6.如权利要求1所述的低温隔离器，其特征在于，所述中心导体采用金属铜制备，且所述中心导体整体镀银。
7.如权利要求1所述的低温隔离器，其特征在于，所述第一陶瓷介质基片和所述第二陶瓷介质基片的介电常数为9.6。
8.如权利要求1所述的低温隔离器，其特征在于，所述上腔体和所述下腔体嵌套于磁屏蔽外壳内。
9.如权利要求8所述的低温隔离器，其特征在于，所述磁屏蔽外壳采用坡莫合金材料制备。
10.一种超导量子计算机系统，其特征在于，所述系统采用如权利要求1-9任一项所述的低温隔离器进行微波信号链路单向传输。
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