CN215773051U - 一种量子计算用c波段低温低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种量子计算用C波段低温低噪声放大器，属于微波器件技术领域，包括外部输入微带匹配电路和宽带单片低噪声放大器，外部输入微带匹配电路和宽带单片低噪声放大器通过金丝W2级联，宽带单片低噪声放大器采用三级mHEMT管芯电路结构。本实用新型采用了混合微波集成电路形式，整个放大器电路除了第一级输入匹配采用外部电路结构，其他均采用微波单片集成电路，在缩小电路体积的同时，拓展了带宽。

Description

一种量子计算用C波段低温低噪声放大器

技术领域

本实用新型涉及微波器件技术领域，特别涉及一种量子计算用C波段低温低噪声放大器。

背景技术

对于超导量子计算机系统，其中的一个关键部分就是用来读出量子位的能够工作在-269℃温度下的低温电子器件。由于这些量子位本身发出非常微弱的射频信号，为了避免热噪声对量子态的干扰，这些信号进入到低温低噪声放大器中，可以在引入极低噪声的条件下，将这些微弱信号进行了放大增强，使得量子位更容易读取。不仅仅是量子计算机受益于低温低噪声放大器，射电天文望远镜、深空通信网络等系统也在使用它们。

低噪声放大器的关键性能噪声温度主要由输入电路与第一级有源HEMT器件的噪声阻抗匹配决定。通常MMIC LNA第一级输入匹配电路都是一起集成到单片上，单片上的电容、电感等无源器件Q值偏低，可以实现宽带匹配，但是损耗较大，影响到低噪放噪声指标的进一步降低。

目前，低温低噪声放大器基本采用分立器件微波电路形式，除了体积较大以外，其电路中的寄生参数也较大，对电路带宽、高频性能都有很大的影响。除此之外，低温放大器一般采用GaAs HEMT场管进行匹配设计，基于此种工艺设计的放大器低温下噪声性能较差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种噪声低、体积小易于集成的C波段低温低噪声放大器。

为实现以上目的，本实用新型采用一种量子计算用C波段低温低噪声放大器，包括：外部输入微带匹配电路和宽带单片低噪声放大器，外部输入微带匹配电路和宽带单片低噪声放大器通过金丝W2级联，宽带单片低噪声放大器采用三级mHEMT管芯电路结构。

进一步地，所述外部输入微带匹配电路包括串联匹配电容C1、第一偏置电路和微带线TL1、TL2；微带线TL1与电容C1串联，电容C1与微带线TL2经金丝W1连接后与第一偏置电路连接，微带线TL2经金丝W2与所述宽带单片低噪声放大器级联。

进一步地，所述第一偏置电路包括微带线TL3、滤波电容C2、C3和电阻R1，微带线TL3接入所述电容C1和所述微带线TL2的连接线上，电阻R1与微带线TL3串联，滤波电容C2、C3并联在电阻R1两端。

进一步地，所述宽带单片低噪声放大器包括第一级管芯T1、第二级管芯T2和第三级管芯T3；第一级管芯T1的栅极通过所述金丝W2连接到所述外部输入微带匹配电路，源极通过微带线TL4接地，漏极通过隔直电容C5与第二级管芯T2的栅极连接；第二级管芯T2的源极通过微带线TL5和微带线TL6接地，漏极通过隔直电容C8与第三级管芯T3的栅极连接；第三级管芯T3的源极通过微带线TL7和微带线TL8接地，漏极通过隔直电容C11和电阻R9与输出PAD相连。

进一步地，所述宽带单片低噪声放大器还包括第二偏置电路、第三偏置电路、第四偏置电路、第五偏置电路和第六偏置电路，第二偏置电路包括电阻R2、电感L1和电容C4，第三偏置电路包括电阻R3、R4和电容C6，第四偏置电路包括电阻R5和电容C7，第五偏置电路电阻R6、R7和电容C9，第六偏置电路包括电阻R8、电感L2和电容C10；

所述第一偏置电路用于提供所述第一级管芯T1的栅压Vg1，第二偏置电路提供所述第一级管芯T1的漏压Vd1且第二偏置电路通过PAD1与外部电源连接，第三偏置电路提供所述第二级管芯T2的栅压Vg2且第三偏置电路通过PAD4与外部电源相连，第四偏置电路提供所述第二级管芯T2的漏压Vd2并通过PAD2与外部电源连接，第五偏置电路提供所述第三级管芯T3的栅压Vg3并通过PAD5与外部电源连接，第六偏置电路提供所述第三级管芯T3的漏压Vd3，并通过PAD3与外部电源连接。

进一步地，所述电容C1、C2和C3均采用芯片电容，所述电阻R1采用薄膜电阻。

进一步地，所述第一级管芯T1的栅指数为2，总栅宽为200um；第二级和第三级管芯T2和T3的栅指数均为2，总栅宽均为100um。

进一步地，所述宽带单片低噪声放大器采用70nm GaAs mHEMT工艺制备，且电路板厚度为100um。

进一步地，所述宽带单片低噪声放大器的输出PAD经金丝W3与微带线TL9连接。

与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：本实用新型采用了混合微波集成电路形式，大大降低了放大器模块的体积，整个放大器电路除了第一级输入匹配采用外部电路结构，其他均采用微波单片集成电路，在缩小电路体积的同时，拓展了带宽；将输入匹配电路放置于单片低噪声放大器外部，通过选用高Q值输入匹配电路保证其在工作频带范围内噪声等关键性指标的性能。

附图说明

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种量子计算用C波段低温低噪声放大器的电路结构图；

图2是低温低噪声放大器的噪声温度实测曲线示意图；

图3是低温低噪声放大器的增益实测曲线示意图。

具体实施方式

为了更进一步说明本实用新型的特征，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本实用新型的保护范围加以限制。

如图1所示，本实施例公开了一种量子计算用C波段低温低噪声放大器，包括：外部输入微带匹配电路和宽带单片低噪声放大器，外部输入微带匹配电路和宽带单片低噪声放大器通过金丝W2级联，宽带单片低噪声放大器采用三级mHEMT管芯电路结构。

需要说明的是，本实施例采用混合微波集成电路(HMIC)形式，整个放大器电路除了第一级输入匹配采用外部电路结构，其他都采用微波单片集成电路(MMIC)形式，缩小体积的同时，拓展了带宽。

作为进一步优选的技术方案，所述外部输入微带匹配电路包括串联匹配电容C1、第一偏置电路和微带线TL1、TL2；微带线TL1与电容C1串联，电容C1与微带线TL2经金丝W1连接后与第一偏置电路连接，微带线TL2经金丝W2与所述宽带单片低噪声放大器级联。

作为进一步优选的技术方案，所述第一偏置电路包括微带线TL3、滤波电容C2、C3和电阻R1，微带线TL3接入所述电容C1和所述微带线TL2的连接线上，电阻R1与微带线TL3串联，滤波电容C2、C3并联在电阻R1两端。

需要说明的是，本实施例中的串联匹配电容C1选用尺寸为0.5×0.5×0.1mm的芯片电容，电容值为100pF；并联滤波电容C2、C3选用尺寸为0.5×0.5×0.1mm的芯片电容，电容值分别为22pF和330pF；电阻R1选用0402封装大小的薄膜电阻，阻值为10Ω；微带线TL1阻抗为50Ω，线长约2mm；微带线TL2阻抗为120Ω，线长约6mm；微带线TL3阻抗为120Ω，线长约4mm；微带基板选用厚度为0.254mm，介电常数为2.2的高频微波板；电容C1与微带TL2连接的金丝W1选用直径为1mil规格，长度约为200um。

本实施例中，宽带单片低噪声放大器的工作频率可以覆盖1～18GHz，输入端匹配电路通过金丝与宽带单片低噪放级联，并通过电路中的微带TL1、TL2和TL3，电容C1、C2、C3和电阻R1对宽带单片低噪放第一级管芯进行匹配优化，通过调节微带线TL2和微带线TL3的阻抗及长度，可以优化低噪放的频率带宽、噪声、回波损耗等指标，因此可针对特定频率范围内的噪声等关键指标进行优化。

需要说明的是，本实施例设计的外部输入微带匹配电路包括采用高频微波基板制作的微带线TL1、TL2和TL3，其中TL1和TL2通过高低阻抗变换，将单片管芯最佳噪声阻抗匹配到系统50欧姆，TL3可等效为电感，避免高频信号泄漏到偏置电路中；串联芯片电容C1一端粘接在微带TL1上，一端通过金丝键合到TL2上，隔离直流电压的同时也实现了射频匹配。整个输入匹配电路通过采用高Q值微波器件电路，在C波段实现了针对第一级mHEMT管芯的最佳噪声匹配，同时也为第一级管芯提供了栅极偏置电压。

作为进一步优选的技术方案，所述宽带单片低噪声放大器包括第一级管芯T1、第二级管芯T2和第三级管芯T3；第一级管芯T1的栅极通过所述金丝W2连接到所述外部输入微带匹配电路，源极通过微带线TL4接地，漏极通过隔直电容C5与第二级管芯T2的栅极连接；第二级管芯T2的源极通过微带线TL5和微带线TL6接地，漏极通过隔直电容C8与第三级管芯T3的栅极连接；第三级管芯T3的源极通过微带线TL7和微带线TL8接地，漏极通过隔直电容C11和电阻R9与输出PAD相连。

作为进一步优选的技术方案，所述宽带单片低噪声放大器还包括第二偏置电路、第三偏置电路、第四偏置电路、第五偏置电路和第六偏置电路，第二偏置电路包括电阻R2、电感L1和电容C4，第三偏置电路包括电阻R3、R4和电容C6，第四偏置电路包括电阻R5和电容C7，第五偏置电路电阻R6、R7和电容C9，第六偏置电路包括电阻R8、电感L2和电容C10；

所述第一偏置电路用于提供所述第一级管芯T1的栅压Vg1，第二偏置电路提供所述第一级管芯T1的漏压Vd1且第二偏置电路通过PAD1与外部电源连接，第三偏置电路提供所述第二级管芯T2的栅压Vg2且第三偏置电路通过PAD4与外部电源相连，第四偏置电路提供所述第二级管芯T2的漏压Vd2并通过PAD2与外部电源连接，第五偏置电路提供所述第三级管芯T3的栅压Vg3并通过PAD5与外部电源连接，第六偏置电路提供所述第三级管芯T3的漏压Vd3，并通过PAD3与外部电源连接；所述宽带单片低噪声放大器的输出PAD经金丝W3与微带线TL9连接。

需要说明的是，本实施例中第一级管芯T1栅宽为2×100um，第二级管芯T2和第三级管芯T3栅宽都为2×50um。第一级管芯T1栅极通过输入PAD和金丝W2与外部输入微带匹配电路连接。放大器电路采用源极负反馈电路，其中第一级管芯T1源极通过微带TL4接地，第二级管芯T2源极通过微带TL5和TL6接地，第三级管芯T3源极通过微带TL7和TL8接地。单片内部偏置电路，包括第一级管芯T1漏极偏置电路、第二级管芯T2栅极和漏极偏置电路、第三级管芯T3栅极和漏极偏置电路，三级管芯偏置电路都是采用RLC电路为管芯提供合适的偏置电压，并通过PAD1～PAD5和金丝与外部电源板连接；放大器级间通过电容C5、C8和C11隔直，第三级输出在电容C11后加入小电阻R9，能够提高单片放大器低温下的稳定性。

作为进一步优选的技术方案，所述宽带单片低噪声放大器采用70nm GaAs mHEMT工艺制备，且电路板厚度为100um。

需要说明的是，针对传统GaAs HEMT工艺低温下性能先天不足的问题，本实施例中电路MMIC LNA流片工艺采用70nm GaAs mHEMT工艺线，GaAs mHEMT即组分缓变高电子迁移率晶体管，是在沟道层与GaAs衬底之间生长一个相对较厚的InAlAs层，其In的组成从某个值x渐变至0，从而使晶格的失配得以缓解。使用渐变组分缓冲层后，沟道层中In的组分x在30％～60％内几乎可以任意选择，以极大的自由度使器件性能优化。mHEMT被认为是GaAs衬底上的InP HEMT技术，其在低噪声方面表现出与InP HEMT相近的性能，是以GaAs相对低成本获得InP的绝对高性能。GaAs基mHEMT器件具有高电子迁移率、高增益、低噪声及低功耗的优点。

所述宽带单片低噪声放大器采用三级mHEMT管芯电路结构，选取低温下合适的工作点，实现最佳噪声的同时也达到了增益大于30dB的要求。此管芯栅宽尺寸被验证在极低温度下可以稳定工作，实现在C波段-269℃温度下等效噪声温度优于6K。

作为进一步优选的技术方案，所述低温低噪声放大器的信号输入和输出端口可以连接SMA、3.5mm和2.92K型同轴连接器，也可以通过微带线与其他低温微波器件集成为超低温微波组件。

本实用新型实施例提供的一种用于量子计算的C波段低温低噪声放大器设计的工作频率范围为4～8GHz，测试时校准仪器后将放大器安装在低温杜瓦内，密封抽空后制冷，当器件工作温度降至-269℃以下后，保持温度1个小时，用高精度噪声测试平台测试器件的噪声温度，实测曲线如图2所示，用矢量网络分析仪测试器件的增益，实测曲线如图3所示，从图2和图3中可以看出器件的噪声温度小于6K，增益大于30dB。

本实施例中的宽带单片低噪放具有如下有益效果：

(1)采用70nm GaAs mHEMT工艺线制作，相对GaAs HEMT工艺具有良好的低温特性，同时相对InP HEMT具有成本低可靠性高的特点。

(2)宽带单片低噪声放大器主要由三级高电子迁移率晶体管、级间匹配电路和偏置电路构成，外部输入微带匹配电路采用高频微波电路板和芯片电容、电阻等组成。所设计的低噪声放大器能够稳定工作在-269℃(4K)温度下，在C波段(4～8GHz)的频段范围内增益大于30dB，等效噪声温度小于6K。

(3)所设计的低温低噪声放大器具有噪声低、体积小、输入易于匹配等特点，能够应用于超导量子计算机的同时，也能够用于深空探测、射电天文等对噪声性能要求极高的领域。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种量子计算用C波段低温低噪声放大器，其特征在于，包括：外部输入微带匹配电路和宽带单片低噪声放大器，外部输入微带匹配电路和宽带单片低噪声放大器通过金丝W2级联，宽带单片低噪声放大器采用三级mHEMT管芯电路结构。

2.如权利要求1所述的量子计算用C波段低温低噪声放大器，其特征在于，所述外部输入微带匹配电路包括串联匹配电容C1、第一偏置电路和微带线TL1、TL2；微带线TL1与电容C1串联，电容C1与微带线TL2经金丝W1连接后与第一偏置电路连接，微带线TL2经金丝W2与所述宽带单片低噪声放大器级联。

3.如权利要求2所述的量子计算用C波段低温低噪声放大器，其特征在于，所述第一偏置电路包括微带线TL3、滤波电容C2、C3和电阻R1，微带线TL3接入所述电容C1和所述微带线TL2的连接线上，电阻R1与微带线TL3串联，滤波电容C2、C3并联在电阻R1两端。

4.如权利要求2所述的量子计算用C波段低温低噪声放大器，其特征在于，所述宽带单片低噪声放大器包括第一级管芯T1、第二级管芯T2和第三级管芯T3；第一级管芯T1的栅极通过所述金丝W2连接到所述外部输入微带匹配电路，源极通过微带线TL4接地，漏极通过隔直电容C5与第二级管芯T2的栅极连接；第二级管芯T2的源极通过微带线TL5和微带线TL6接地，漏极通过隔直电容C8与第三级管芯T3的栅极连接；第三级管芯T3的源极通过微带线TL7和微带线TL8接地，漏极通过隔直电容C11和电阻R9与输出PAD相连。

5.如权利要求4所述的量子计算用C波段低温低噪声放大器，其特征在于，所述宽带单片低噪声放大器还包括第二偏置电路、第三偏置电路、第四偏置电路、第五偏置电路和第六偏置电路，第二偏置电路包括电阻R2、电感L1和电容C4，第三偏置电路包括电阻R3、R4和电容C6，第四偏置电路包括电阻R5和电容C7，第五偏置电路电阻R6、R7和电容C9，第六偏置电路包括电阻R8、电感L2和电容C10；

所述第一偏置电路用于提供所述第一级管芯T1的栅压Vg1，第二偏置电路提供所述第一级管芯T1的漏压Vd1且第二偏置电路通过PAD1与外部电源连接，第三偏置电路提供所述第二级管芯T2的栅压Vg2且第三偏置电路通过PAD4与外部电源相连，第四偏置电路提供所述第二级管芯T2的漏压Vd2并通过PAD2与外部电源连接，第五偏置电路提供所述第三级管芯T3的栅压Vg3并通过PAD5与外部电源连接，第六偏置电路提供所述第三级管芯T3的漏压Vd3，并通过PAD3与外部电源连接。

6.如权利要求3所述的量子计算用C波段低温低噪声放大器，其特征在于，所述电容C1、C2和C3均采用芯片电容，所述电阻R1采用薄膜电阻。

7.如权利要求4所述的量子计算用C波段低温低噪声放大器，其特征在于，所述第一级管芯T1的栅指数为2，总栅宽为200um；第二级和第三级管芯T2和T3的栅指数均为2，总栅宽均为100um。

8.如权利要求1-7任一项所述的量子计算用C波段低温低噪声放大器，其特征在于，所述宽带单片低噪声放大器采用70nm GaAs mHEMT工艺制备，且电路板厚度为100um。

9.如权利要求1-7任一项所述的量子计算用C波段低温低噪声放大器，其特征在于，所述宽带单片低噪声放大器的输出PAD经金丝W3与微带线TL9连接。

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