CN220172003U - 一种控制电路、电路板以及继电器式开关 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种控制电路、电路板以及继电器式开关，属于量子计算领域。控制电路包括第一电路和第二电路。其中，第一电路具有多个端口，第二电路具有多个控制端口和接入端口组，且接入端口组含第一接口和第二接口。控制电路还包括与第一电路的第一输出子端口配合的第二输出子端口。该控制电路可以通过接入端口连接电磁接触器，从而通过对应的控制端口供电实现将第一电路的端口打开或断开，从而可以被用于实现低发热的高频开关控制。

Description

一种控制电路、电路板以及继电器式开关

技术领域

本申请属于量子信息领域，尤其是量子计算技术领域，特别地，本申请涉及一种控制电路、电路板以及继电器式开关。

背景技术

已知地，超导量子比特的控制和读取等操作都需要通过各种线路引入和输出各种信号。并且，超导量子芯片的工作温度非常低(例如在mK毫开附近)。因此，制作和使用超导量子比特、芯片及其制造物如量子计算机时，就要求与其连接的所有测控设备产生的热量也尽量低，从而避免测控过程中温度提高，破坏量子芯片的工作环境。

为了实现测控需要的不同信号通道的快速切换、通断，这些设备中通常会配备诸如继电器式射频开关。在实际使用中，这些开关的电路使用多个线圈的电磁接触器的设计方案使得其在工作过程中会产生对于超导量子计算体系而言不可忽视的高热量。

实用新型内容

本申请的示例提供了一种控制电路、电路板以及继电器式开关。该方案能够被用于通过接入电磁接触器实现以更低的发热实现多通道的打开和关闭。

本申请示例的方案，通过如下内容实施。

在第一方面，本申请的示例提出了一种控制电路，其包括：

第一电路，沿着第一电路的延伸轨迹配置有依次间隔分布的多个端口，多个端口中的至少一个为输入端口、且其余为第一输出子端口；

与第一输出子端口的数量相同的多个第二输出子端口，一个第二输出子端口与一个第一输出子端口成对配置；以及

第二电路，配置有沿着第一电路延伸轨迹的方向依次间隔排列的第一接入端口、偶数个第二接入端口以及第三接入端口；

其中第一接入端口连接第一控制端口，第三接入端口连接第三控制端口；

在偶数个第二接入端口中，相邻的两个第二接入端口构成一个接入端口组，偶数个第二接入端口中的全部接入端口组各自连接对应的第二控制端口。

在控制电路中，第一电路和第二输出子端口用于作为控制电路与有需要开关多通道的设备连接。第二电路则可以与供电设备连接，以便使得连接到控制电路中的具有单个线圈的电磁接触器能够动作，从而使得将第一输出子端口和第二输出子端口接通。又因为第一输出子端口是与输入端口连通的，则通过第二电路控制电磁接触器动作，从而可是打开或断开输入端口和第二输出子端口连接。

根据本申请的一些示例，多个端口中的输入口数量为一个；和/或，输入端口位于第一电路的末端。

根据本申请的一些示例，控制电路还包括切换开关，切换开关被配置为受控地与任意相邻的两个控制端口连接。

根据本申请的一些示例，控制电路还包括保护电路，第一控制端口、第二控制端口以及第三控制端口各自连接一个保护电路。

根据本申请的一些示例，控制电路还包括切换开关，切换开关被配置为受控地与任意相邻的两个控制端口连接，且切换开关通过保护电路与对应的控制端口连接。

在第二方面，本申请的示例提出了一种电路板，包括基板、以及结合到基板的控制电路。

在第三方面，本申请的示例提出了一种继电器式开关，具有如前述的控制电路或电路板。

根据本申请的一些示例，继电器式开关还包括多个电磁接触器，电磁接触器的数量与第二输出子端口的数量相同、且一一对应；

电磁接触器具有铁芯、线圈和磁性衔铁，线圈绕设于铁芯且通过磁力控制磁性衔铁运动、以使第一输出子端口和第二输出子端口受控地处于接通状态或断开状态；

其中的线圈两端与相邻的两个控制端口电连接。

根据本申请的一些示例，继电器式开关还包括壳体、以及多个同轴线接头；

同轴线接头的数量与输入端口和第二输出子端口的总数量相同、且一一对应；

控制电路或电路板被约束于壳体内，同轴线接头固定于壳体并暴露到壳体外，多个同轴线接头分别与输入端口和各个第二输出子端口连接。

根据本申请的一些示例，多个同轴线接头呈一维线性排列；

或者，多个同轴线接头呈二维阵列排布；

或者，多个同轴线接头呈多边形排布。

根据本申请的一些示例，继电器式开关的每个电磁接触器还包括自锁结构，自锁结构具有固定架、限位架以及弹片；

固定架与壳体连接，限位架与固定架连接并约束室，弹片两端固定于约束室内且与磁性衔铁固定连接；

弹片具有相对的第一表面和第二表面，弹片被配置受控地被磁性衔铁驱动向第一表面弯曲并受约束室限制而保持于第一弯曲状态、或向第二表面弯曲并受约束室限制而保持于第二弯曲状态。

有益效果：

本申请示例的控制电路至少具有下述之优点。利用该控制电路可以接入具有单个线圈的电磁接触器，使得控制开关通断过程中电路所产生的热量更少，从而在其被用于超导量子计算系统的测控系统的开关器件时，潜在引入的热噪声更少。

附图说明

为了更清楚地说明，以下将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为相关技术中用于继电器式的射频开关中的电路结构；

图2为本申请示例中的控制电路的电路示意图；

图3为本申请控制电路与电磁接触器配合的连接示意图；

图4示出了图3中的电磁接触器在不同供电方式下的磁性衔铁的两种状态；

图5示出了利用图3的结构制作的继电器射频开关的外观结构示意图；

图6示出了本申请示例中的自锁结构的弹片在第一弯曲状态下与电磁接触器的配合结构示意图；

图7示出了本申请示例中的自锁结构的弹片在第二状态下与电磁接触器的配合结构示意图。

附图标记说明：100-控制电路；101-第一电路；1011-输入端口；1012-第一输出子端口；103-第二输出子端口；102-第二电路；223-第一接入端口；221-第二接入端口；223-第三接入端口；1021-第一控制端口；1023-第二控制端口；1024-第三控制端口；1022-接入端口组；301-电磁接触器；302-壳体；303-同轴线接头；304-磁性衔铁；305-弹片；306-限位架；307-线圈；308-固定架；309-约束室。

具体实施方式

对于超导量子计算体系而言，基于约瑟夫森结实现的超导量子比特的控制、读取操作需要多个信号，因此其需要多路信号线的接入。

例如，需要配置与量子比特经过电容直接耦合的读取谐振腔，以及读取线路，以便对比特进行色散读取。即量子比特与读取谐振腔的频率失谐量(频率之差)远大于耦合强度；通过色散读取可以实现对量子比特的非破坏测量。

又或者，超导量子计算体系还可以配置对量子比特进行XY旋转操作的驱动控制信号线(XY-Control Line，又称xy控制线或脉冲调控信号线)。通过在电路中施加驱动的电压信号，可以对量子比特进行跃迁激发；其通过电容耦合与量子比特关联。

另外，超导量子计算体系还可以配置对量子比特进行Z旋转操作的电路结构，并且由超导量子干涉装置(squid)附近的控制信号线完成；其被称为磁通调控信号线(Z-Control Line，又称z控制信号线或频率调控信号线)。

因此，多比特的超导量子计算体系需要多通道的信号源。而这些通道可能需要复杂的开关状态组合。并且为了高效地实现开关以及考虑超导芯片的工作频率，这样的设备例如多选择继电器式射频开关。

在实践中，发明人使用了具有如图1所示电路结构的继电器式的射频开关。

该射频开关的电路具有一个设备端的通道电路。通道电路具有一个共用的通道输入口IN，以及沿着通道电路的轨迹线依次地间隔分布的六个第一通道输出口；并且这些第一通道输出口还各自配置有编号为1、2、3、4、5、6的第二通道输出口。第一通道输出口和第二通道输出口彼此临近且成对配置。

为了使第二通道输出口与通道输入口IN能够联通，也能够在需要时进行断开，以及考虑操作的便利性和操作速度，考虑使用基于电磁作用的接触器—如图1中的倒“T”字型结构。

在图1所示的方位，当接触器向下运动直至与同一个对中的第一通道输出口和第二通道输出口接触时，使得第一通道输出口和第二通道输出口联通，从而使得通道输入口IN和第二通道输出口联通。相应地，当接触器向上运动直至与同一个对中的第一通道输出口和第二通道输出口分离时，使得第一通道输出口和第二通道输出口断开，从而使得通道输入口IN和第二通道输出口断开。

从射频开关的电路控制端或者说电源端而言，其具有复位电路RESET以及接地电路-G(即GND)。同时在复位电路RESET以及接地电路-G还连接有复位线圈(或者断开线圈)。此外，接地电路还连接有吸附线圈，每个线圈引出一个端口(图1中，具有六个端口，且分别为+1、+2、+3、+4、+5、+6)。

复位线圈和吸附线圈成对配置；在图1中，复位线圈和吸附线圈位于倒“T”字型结构的接触器的左右两侧。

在图1的射频开关的电路中，其控制过程如下：

该-G端口和RESET端口接入电源时，1、2、3、4、5、6号通道全部关闭。将-G端口和+1端口接入电源时，1号通道打开；类似地，将-G端口和+2端口接入电源时，1号通道打开；类似地，将-G端口和+2端口接入电源时，2号通道打开。并且，还可以选择可将-G端口和+1、+2端口接入电源时，1、2号通道打开。

因此，在该电路中，全部的通道会一同被关闭，而可以任意地选择一个打开、或两个以上的通道同时打开。但是在实际进行测量时，可以控制以实现仅有一个通道打开。

但是在世纪的使用中，该射频开关的表现并不总是尽如人意。例如希望其具有更低的发热，以便降低超导量子计算体系需要的低温支持系统的负担，以及超导量子芯片的热冗余设计等。

经过发明人的研究发现，该射频开关在使用时，打开或关闭/断开通道所涉及到使用的都是单个线圈与之对应的接触器相互作用实现。而已知地，该单个线圈热功率可以简化为P＝U²/R，且产生的电磁力被简化为其中，U表示线圈的电压，R表示线圈的电阻，N表示线圈匝数，I线圈电流，μ₀表示真空磁导率，S表示磁路截面积，δ表示气隙长度。

在此基础上，本申请发明人经过研究提出了一种新的控制电路100，其电路结构如图2所示。

在示例中，发明人选择对图1的电路结构进行改进，以使其获得更好的热量表现。

请参阅图2，控制电路100包括第一电路101和第二电路102。

在控制电路100中，第一电路101对应于设备端，而第二电路102则对应于电源端或称为控制端。

在设备端，第一电路101沿着自身的延伸轨迹(图2中为水平方向)配置有依次间隔分布的多个端口。端口的数量可以需要配置，例如是1个，或者两个以上；在图2中配置有7个。并且这些端口中的至少一个为输入端口1011、且其余为第一输出子端口1012。因此，按照图2所示，七个端口中具有一个输入端口1011，以及六个第一输出子端口1012。其他示例中也可以配置根据需要的多个输入端口1011。

在图2中，7个端口中的输入端口1011数量为一个，并且输入端口1011位于第一电路101的末端。其他的示例中，也可以选择将输入端口1011配置到第一电路101中延伸轨迹的中间位置。

如同在图1中记载的类似，在该控制电路100中，还配置有与第一输出子端口1012的数量相同且一一配对的多个第二输出子端口103。因此，可以理解，一个第二输出子端口103与一个第一输出子端口1012成对配置。1号通道的打开，是通过将1号第一输出子端口1012和1号第二输出子端口103联通，又因为1号第一输出子端口1012是与输入端口1011通过第一电路101联通的。因此，1号第一输出子端口1012和1号第二输出子端口103联通，也在实质上形成了输入端口1011和第二输出子端口103的联通。类似地，输入端口1011和2号第二输出子端口103的联通，可以通过将2号第一输出子端口1012和2号第二输出子端口103联通来实现，并且其他通道的情况与次相同。

在控制端，第二电路102配置有沿着第一电路101延伸轨迹的方向依次间隔排列的第一接入端口223、偶数个第二接入端口221(图2中为12个，分为6组，且仅作示例标注了一个第二接入端口221)以及第三接入端口223。即，第二接入端口221位于第一接入端口223和第三接入端口223之间。在图2中，具有5个第二接入端口221，且两两为一组，并且仅示例地标示了一个第二接入端口221。

除次之外，第一接入端口223还接第一控制端口1021，第三接入端口223连接第三控制端口1024。同时，在偶数个第二接入端口221中，相邻的两个第二接入端口221构成一个接入端口组1022(图2中为6组)，并且偶数个第二接入端口221中的全部接入端口组1022各自连接对应的第二控制端口1023。图2中，具有6组第接入端口组1022，且仅示例性地标示了一个。

为了在不同通道进行切换或者是更高效、准确地进行通道的切换，部分示例中，还可以为控制电路100配置切换开关。因此，切换开关被用来受诸如人工操纵或上位机控制，从而与任意的相邻的两个控制端口连接，并且切换开关通过保护电路与对应的控制端口连接。

例如，将切换开关使用开关电路来实现。或者，其中的切换开关能够受控地与任意相邻的两个控制端口连接。在一些有此必要的情况下，例如有两个通道，则可以使用诸如双刀双掷(DPDT)开关。

考虑到在使用该控制电路100的电路系统中可能存耐压能力相对较弱的电子元气件，因此，控制电路100还可以选择配置保护电路。并且一种可替代的选择中，第一控制端口1021、第二控制端口1023以及第三控制端口1024各自连接一个保护电路。

为了方便使用，该控制电路100可以配构造为电路板的形式，例如印刷电路板，或者其被构造为电路芯片等。进一步地，在此控制电路100的基础上，接入电磁接触器301，就能够实现配置一种继电器式开关，并且可以直晓其具有上述的控制电路100，或者电路板。

为了方便对比，在图3中给出了基于控制电路100配置了电磁接触器301的结构图。在图3中，给出了配置倒“T”字型结构的电磁接触器301。电磁接触器301与通道数量相同，每个通道对应地配置一个电磁接触器301。因此，在图3中，1至6共计六个通道具有6个电磁接触器301。因此，继电器式开关可以含有多个电磁接触器301，并且电磁接触器301的数量与第二输出子端口103的数量相同、且一一对应。

其中，电磁接触器301具有铁芯、线圈307和磁性衔铁304。线圈307绕设于铁芯，其中的线圈307两端与相邻的两个控制端口电连接。通过磁力能够控制磁性衔铁304运动、以使第一输出子端口1012和第二输出子端口103受控地处于接通状态或断开状态。

磁性衔铁304与铁芯和线圈307的组合结构配合。当该组合结构中的线圈307通电时，将产生磁场，从而吸附磁性衔铁304；当通电方向相反时，则推开磁性衔铁304。通过这样的方式使得磁性衔铁304运动。如图4所示，其中A表示了磁性衔铁304被吸附的情况，衔铁受到吸引力而上升；其中B表示了磁性衔铁304被释放的情况，衔铁受到排斥力而下降。

结合图3和图4，当0号的控制端口和+1号的控制端口按照图4中的A方式接入电源时，磁性衔铁304离开并使1号第一输出子端口1012和1号第二输出子端口103断开，IN和1构成的通道断开。

如果按照图4中的B方式接入电源时，磁性衔铁304接触并使将1号第一输出子端口1012和1号第二输出子端口103连接，从而IN和1构成的通道打开/接通。依此类推，通过将相邻的n号控制端口和n-1控制端口(n为自然数，并且依据图3的取值为1、2、3、4、5、6)。

类似地，当+1号的控制端口和+2号的控制端口按照图4中的A方式接入电源时，磁性衔铁304离开并使2号第一输出子端口1012和2号第二输出子端口103断开，IN和2构成的通道断开。如果按照图4中的B方式接入电源时，磁性衔铁304接触并使将2号第一输出子端口1012和2号第二输出子端口103连接，从而IN和2构成的通道打开/接通。

在图3所示的结构中，每个电磁接触器301使用两个线圈307进行配合，从而在满足吸附力和排斥力作用的前提下，获得各低的工作发热。

这是因为，根据前文分析，图1的电路中，热功率可以简化为P＝U²/R；而对应地在图3电路中，热功率可以简化为P＝U²/2R。那么，可知电阻变为原来2倍，则功率P降为原来的一半，即产生的热量减半。也因此，在用于低温超导量子芯片的测量中，产生的热量更低。

并且，由I＝U/R可知，电阻变为原来2倍，则电流I降为原来的一半，即单个线圈307产生的磁场强度减半，但由于此时是两个线圈307同时作用，所以总的吸引力大小与改动前(图1中的构造方式)保持不变。

为了实现集成、方便使用，避免损坏，可以为继电器式开关配置壳体302以及多个同轴线接头303。其中，控制电路100或具有控制电路100的电路板被约束于壳体302内。而同轴线接头303固定于壳体302并暴露到壳体302外，向设备提供接入端口。其中的同轴线接头303的数量与输入端口1011和第二输出子端口103的总数量相同、且一一对应；并且因此多个同轴线接头303分别与输入端口1011和各个第二输出子端口103连接。对于示例中的六通道方案，则具有7个同轴线接头303，分别与输入端口1011和第二输出子端口103一对一配合连接。

其中的，可以根据数量、所占空间等考虑，使多个同轴线接头303呈一维线性排列；或者，多个同轴线接头303呈二维阵列排布；或者，多个同轴线接头303呈多边形排布。如图5示，与壳体302连接的7个同轴线接头303呈一维线性排列(其中省略了与电源连接的接头)。

在上述电路中，断开和打开各通道需要持续地进行供电。而这也就意味着在持续供电的过程中热量的产生是持续的，从而与超导量子计算体系的热设计相违背。为了克服该问题，可以为电磁开关配置自锁结构。以单个电磁接触器301为例。

请参阅图6，继电器式开关的每个电磁接触器301还可选地配置有自锁结构。从功能上而言，自锁结构能够实现使接触器的线圈307在断电后，仍然能够保持其通电时的状态。

在图6中，自锁结构具有固定架308、限位架306以及弹片305。其中的固定架308被固定到壳体302；因此，固定架308与壳体302固定连接如焊接或铆接。其中的限位架306则与固定架308连接并约束室309，弹片305两端固定于约束室309内且与磁性衔铁304固定连接。图6共，弹片305以自身的大致中部与磁性衔铁304。并且由于磁性衔铁304能够上下运动，因此，固定架308在不同的实现中可以配置孔、槽或其他允许磁性衔铁304运动的结构。

结合图6和图7，可以知晓，弹片305具有两个状态，并且在该两个状态下，弹片305均具有弯曲的形状。为了方便描述，定义弹片305具有在厚度方向的相对的第一表面和第二表面。

以第一表面和第二表面作为基准，弹片305能够受控地被磁性衔铁304驱动，从而向第一表面弯曲并受约束室309限制而保持于第一弯曲状态、或向第二表面弯曲并受约束室309限制而保持于第二弯曲状态。

由于弹片305能够不接触外力而保持在上述两个状态，从而使得一旦通过向线圈307加电后而经由磁性衔铁304的运动被趋使进入对应的状态，并且在随后线圈307断电后不失去该对应的状态。那么，这样的结构使得，可以在不使用继续使用电能的情况下保持需要的状态，从而极大地减少了发热。

上面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，前文参考附图描述一个或多个实施例。其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在上文的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

另外，应该理解的是，当层(或膜)、区域、图案或结构被称作在衬底、层(或膜)、区域和/或图案“上”时，它可以直接位于另一个层或衬底上，和/或还可以存在插入层。另外，应该理解，当层被称作在另一个层“下”时，它可以直接位于另一个层下，和/或还可以存在一个或多个插入层。另外，可以基于附图进行关于在各层“上”和“下”的指代。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种控制电路，其特征在于，包括：

第一电路，沿着第一电路的延伸轨迹配置有依次间隔分布的多个端口，所述多个端口中的至少一个为输入端口、且其余为第一输出子端口；

与第一输出子端口的数量相同且一一配对的多个第二输出子端口，一个第二输出子端口与一个第一输出子端口成对配置；以及

第二电路，配置有沿着第一电路延伸轨迹的方向依次间隔排列的第一接入端口、偶数个第二接入端口以及第三接入端口；

其中第一接入端口连接第一控制端口，第三接入端口连接第三控制端口；

在偶数个第二接入端口中，相邻的两个第二接入端口构成一个接入端口组，所述偶数个第二接入端口中的全部接入端口组各自连接对应的第二控制端口。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述多个端口中的输入端口数量为一个；

和/或，输入端口位于第一电路的末端；

和/或，所述控制电路还包括切换开关，所述切换开关被配置为受控地与任意相邻的两个控制端口连接。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括保护电路，第一控制端口、第二控制端口以及第三控制端口各自连接一个保护电路。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括切换开关，所述切换开关被配置为受控地与任意相邻的两个控制端口连接，且切换开关通过保护电路与对应的控制端口连接。

5.一种电路板，其特征在于，包括基板、以及结合到所述基板的如权利要求1至4中任意一项所述的控制电路。

6.一种继电器式开关，其特征在于，具有根据权利要求1至4中任意一项所述的控制电路或根据权利要求5所述的电路板。

7.根据权利要求6所述的继电器式开关，其特征在于，所述继电器式开关还包括多个电磁接触器，电磁接触器的数量与第二输出子端口的数量相同、且一一对应；

所述电磁接触器具有铁芯、线圈和磁性衔铁，线圈绕设于铁芯且通过磁力控制磁性衔铁运动、以使第一输出子端口和第二输出子端口受控地处于接通状态或断开状态；

其中的线圈两端与相邻的两个控制端口电连接。

8.根据权利要求6所述的继电器式开关，其特征在于，继电器式开关还包括壳体、以及多个同轴线接头；

同轴线接头的数量与输入端口和第二输出子端口的总数量相同、且一一对应；

控制电路或电路板被约束于壳体内，同轴线接头固定于壳体并暴露到壳体外，所述多个同轴线接头分别与输入端口和各个第二输出子端口连接。

9.根据权利要求8所述的继电器式开关，其特征在于，所述多个同轴线接头呈一维线性排列；

或者，所述多个同轴线接头呈二维阵列排布；

或者，所述多个同轴线接头呈多边形排布。

10.根据权利要求8所述的继电器式开关，其特征在于，继电器式开关的每个电磁接触器还包括自锁结构，自锁结构具有固定架、限位架以及弹片；

固定架与壳体连接，限位架与固定架连接并约束室，弹片两端固定于约束室内且与磁性衔铁固定连接；

弹片具有相对的第一表面和第二表面，弹片被配置受控地被磁性衔铁驱动向第一表面弯曲并受约束室限制而保持于第一弯曲状态、或向第二表面弯曲并受约束室限制而保持于第二弯曲状态。