DE102022205469A1

DE102022205469A1 - Mikrowellenkoppler und Sensor mit einem Mikrowellenkoppler

Info

Publication number: DE102022205469A1
Application number: DE102022205469.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Rölver; Ferdinand Schiller; Katharina Jag-Lauber
Original assignee: QAnt GmbH
Current assignee: QAnt GmbH
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-11-30
Also published as: WO2023232649A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenkoppler (1) zur Einkopplung eines Mikrowellenfeldes (1a) in ein zwischen einem ersten und einem zweiten Leiterbahnabschnitt (3a, 3b) angeordnetes Kopplungsvolumen (4), mit einer Leiterplatte (2), die auf einer ersten Seitenfläche (2a) den ersten Leiterbahnabschnitt (3a) und auf einer zweiten, insbesondere der ersten Seitenfläche (2a) bezüglich der Leiterplatte (2) gegenüberliegenden, Seitenfläche (2b) den zweiten Leiterbahnabschnitt (3b) aufweist, wobei die beiden Leiterbahnabschnitte (3a, 3b) windungsartig ausgebildet sind und sich bezüglich der Leiterplatte (2) gegenüberliegen, um in dem Kopplungsvolumen (4) ein homogenes Magnetfeld auszubilden. Die Erfindung betrifft auch einen Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße, insbesondere eines Magnetfelds, der mindestens einen solchen Mikrowellenkoppler (1) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrowellenkoppler zur Einkopplung eines Mikrowellenfeldes in ein Kopplungsvolumen, insbesondere in ein Kopplungsvolumen innerhalb eines mit Farbzentren, insbesondere mit NV-Zentren, dotierten Diamant-Kristalls. Die Erfindung betrifft auch einen (Quanten-)Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße, insbesondere eines Magnetfelds, der einen solchen Mikrowellenkoppler umfasst.
Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in einem Diamant sind eines der dominierenden Qbit-Systeme zur Realisierung von Quantensensoren und Quantenrechnern. Da das Messprinzip von Diamant-basierten Quantensensoren auf der Auswertung mikrowellenempfindlicher, optisch detektierbarer Magnetresonanzen („optical detected magnetic resonance“, ODMR) beruht, ist eine effiziente Kopplung von Mikrowellenfeldern in einen NV-dotierten Diamant entscheidend für die Erreichung hoher Sensor-Empfindlichkeiten.
Sensoren auf Basis von optisch detektierbaren Magnetresonanzen von NV-Zentren können zur Messung unterschiedlicher Messgrößen eingesetzt werden. Beispielsweise können derartige Sensoren zur Messung von Verspannungen bzw. zur Druckmessung mit Hilfe von Diamantmembranen, zur Messung der Temperatur oder zur Messung von elektrischen Feldern dienen. Nachfolgend wird ein Sensor zur Messung eines Magnetfeldes beschrieben, es versteht sich aber, dass die nachfolgend beschriebenen Zusammenhänge analog auch für auf dem weiter oben beschriebenen Messprinzip basierende Sensoren gelten, die zur Messung anderer Messgrößen verwendet werden.
Das Messprinzip der ODMR-Messung wird im Folgenden am Beispiel eines NV-Zentrums erläutert. Bei einem NV-Zentrum handelt es sich um ein spezielles Farbzentrum in dem Diamantkristallgitter, das aus einem Stickstoff-Atom und einer benachbarten Fehlstelle besteht. Genauer wird im Rahmen dieser Anmeldung unter einem NV-Zentrum ein negativ geladenes NV-Zentrum verstanden.
Die Energieniveaus eines NV-Zentrums umfassen einen Grundzustand und einen angeregten Zustand in Form jeweils eines Tripletts. Die jeweils drei Zustände jedes Tripletts unterscheiden sich in ihrer magnetischen Spinquantenzahl, m_S = -1,0, +1. Die m_S = ±1 Zustände sind aufgrund der Spin-Spin-Wechselwirkung höherenergetisch als der m_S = 0 Zustand. Ohne Magnetfeld sind die m_S = ±1 Zustände entartet (bei Vernachlässigung der Hyperfeinstruktur), haben also die gleiche Energie. In Gegenwart eines Magnetfelds ist aufgrund des Zeeman-Effekts die Entartung der m_S = ±1 Zustände hingegen proportional zum Magnetfeld aufgehoben.
Mittels Einstrahlung von Anregungslicht im grünen Wellenlängenbereich, typischerweise bei Wellenlängen zwischen 510 nm und 550 nm, idealerweise bei einer Wellenlänge von 520 nm, können die NV-Zentren aus dem Grundzustand in den angeregten Zustand m_S = ±1 gepumpt werden. Die Rückkehr in den Grundzustand erfolgt teilweise unter Emission von rotem Fluoreszenzlicht, typischerweise in einem Wellenlängenbereich zwischen 630 nm und 750 nm. Die Intensität dieses Fluoreszenzlichts hängt von der Populationsverteilung zwischen den m_S = -1,0, +1 Zuständen des Triplett-Grundzustands ab. Durch Wechselwirkung mit einem resonanten Mikrowellen-Magnetfeld (nachfolgend: Mikrowellenfeld), typischerweise in einem Frequenzbereich zwischen 2,5 GHz und 3,2 GHz, kann diese Populationsverteilung beeinflusst werden. Genauer kommt es bei einem Mikrowellenfeld mit den Frequenzen f₊ und f_-, entsprechend den Übergängen zwischen dem m_S = 0 und dem m_S = +1 Zustand beziehungsweise dem m_S = -1 Zustand, zu einem Abfall der detektierten Intensität des Fluoreszenzlichts, einer so genannten Magnetresonanz. Die Lage der Magnetresonanzen im Frequenzraum ist direkt mit dem Magnetfeld verknüpft, das in dem Kopplungsvolumen des Diamantkristalls mit dem NV-Zentren herrscht. Das Magnetfeld kann daher anhand der Magnetresonanzen berechnet werden, vgl. beispielsweise den Artikel „Integrated and portable magnetometer based on nitrogen-vacancy ensembles in diamond“ von F. Stürner et al., arXiv:2012.01053. Wie diesem Artikel zu entnehmen ist, ergibt sich die durch den Photon-Shot-Noise limitierte Empfindlichkeit des Sensors, d.h. das kleinste messbare Magnetfeld B_min, aus der Formel $B_{min} = N F \cdot \frac{F W H M}{γ} \cdot \frac{1}{K \cdot \sqrt{R \cdot τ}},$
wobei FWHM die Linienbreite der Magnetresonanz, γ das gyromagnetische Verhältnis, K der Fluoreszenzkontrast, R die Photonenrate des Fluoreszenzlichts und τ die Integrationszeit bezeichnen. Ferner ist NF ein numerischer Faktor, der von der mathematischen Beschreibung der Resonanzkurve abhängt. Bei Annahme einer Gauß-Verteilung liegt dieser bei ungefähr 1. In Fall von NV-Zentren gilt für das gyromagnetische Verhältnis γ ≈ 28 GHz/T.
Die Empfindlichkeit eines Farbzentren-Diamant-Magnetfeld-Sensors hängt gemäß obiger Formel neben der Anregungsleistung des Anregungslichts und der Sammeleffizienz der Fluoreszenzphotonen (Photonenrate R) sowie der Qualität des Diamanten (ODMR-Linienbreite, FWHM) auch von der Intensität und Homogenität des Mikrowellenfeldes am Ort des Kopplungsvolumens an dem Diamanten ab, da letztere den Fluoreszenzkontrast K beeinflussen. Damit spielt die Art der Kopplung des Mikrowellenfeldes an den Diamanten und deren technische Umsetzung eine entscheidende Rolle für die erzielbare Empfindlichkeit eines Diamant-Magnetfeld-Sensors. Weiterhin führt eine effiziente Kopplung dazu, dass eine hohe Sensorempfindlichkeit auch mit wenig eingesetzter Mikrowellenleistung erzielt werden kann, was die Leistungsaufnahme des Sensors reduziert.
Zur Bewertung der Qualität eines in den Diamant-Kristall eingekoppelten Mikrowellenfeldes können die folgenden Kriterien herangezogen werden:

Homogenität des Mikrowellenfelds: Ein inhomogenes Mikrowellenfeld in dem Kopplungsvolumen mit den Farbzentren bzw. den NV-Zentren kann zur Dekohärenz der Spinzustände und somit zu einer Verschlechterung der Linienbreite der optisch detektierten Magnetresonanz beitragen. Das Mikrowellenfeld sollte daher am Ort der anzuregenden Farbzentren eine möglichst hohe Homogenität aufweisen. Zusätzlich sollte das Mikrowellenfeld in dem Messbereich mit den Farbzentren bzw. den NV-Zentren linear polarisiert sein und der Vektor des Mikrowellenfeldes sollte so zerlegt werden können, dass eine nicht-verschwindende Komponente existiert, die senkrecht auf der entsprechenden kristallographischen Achse der Farbzentren steht. Letzteres kann typischerweise durch eine geeignete Ausrichtung des Diamant-Kristalls erreicht werden.
Abstrahlungseffizienz: Der Mikrowellenkoppler sollte das geführte Mikrowellenfeld möglichst leistungseffizient in das Kopplungsvolumen mit den Farbzentren abstrahlen. Ein geeignetes Bewertungsmaß für die Abstrahlungseffizienz stellt die Magnetfeld-Transfereffizienz η dar, welche über die Magnetfeldstärke H der Mikrowelle am Ort des Kopplungsvolumens mit den Farbzentren und der zugeführten Eingangsleistung P wie folgt definiert ist: $η = H / \sqrt{P} .$
Die Rückflussdämpfung beschreibt das Verhältnis aus reflektierter Spannung V_r zu hinlaufender Spannung V_i des Mikrowellenfeldes in Einheiten von dB: S₁₁ = 10 log₁₀(|V_r / V_i|²).
Spektraler Bereich der Abstrahlung: Ein großer spektraler Abstrahlungsbereich ermöglicht einen großen Dynamikumfang der Magnetfeldmessung. Der spektrale Abstrahlungsbereich ist definiert über die Resonanzfrequenz des resonanten Mikrowellenkopplers und über die Bandbreite.

In dem genannten Artikel von F. Stürner et al. dient ein Zweifach-Split-RingResonator als Mikrowellenkoppler zur Bereitstellung eines magnetischen Wechselfeldes im Mikrowellenbereich. Die Bandbreite des Resonanzbereichs von Split-Ring-Resonatoren ist jedoch vergleichsweise gering und liegt typischerweise bei weniger als 40 MHz, was zu einem eingeschränkten Dynamikbereich des Diamant-Magnetfeld-Sensors führt. Aufgrund der geringen Bandbreite ist auch die gleichzeitige Anregung mehrerer Magnetresonanzen nicht ohne weiteres möglich.
Aufgabe der Erfindung
Demgegenüber war es Aufgabe der Erfindung, einen Mikrowellenkoppler und einen Sensor mit einem solchen Mikrowellenkoppler bereitzustellen, bei denen die Einkopplung eines Mikrowellenfeldes im Hinblick auf mindestens eines der oben genannten Kriterien verbessert ist.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch einen Mikrowellenkoppler zur Einkopplung eines Mikrowellenfeldes in ein zwischen einem ersten und einem zweiten Leiterbahnabschnitt angeordnetes Kopplungsvolumen, mit: einer Leiterplatte, die auf einer ersten Seitenfläche den ersten Leiterbahnabschnitt und auf einer zweiten, insbesondere der ersten Seitenfläche bezüglich der Leiterplatte gegenüberliegenden, Seitenfläche den zweiten Leiterbahnabschnitt aufweist, wobei die beiden Leiterbahnabschnitte windungsartig ausgebildet sind und sich bezüglich der Leiterplatte gegenüberliegen, um in dem Kopplungsvolumen ein homogenes Magnetfeld auszubilden. Die beiden windungsartigen Leiterbahnabschnitte sind in Form einer strukturierten Metallisierung an der jeweiligen Seitenfläche der Leiterplatte gebildet. Die beiden windungsartigen Leiterbahnabschnitte laufen typischerweise um eine gemeinsame Windungsachse um, die in Dickenrichtung der Leiterplatte verläuft.
Im Gegensatz zu Split-Ring-Resonatoren, die in Form einer strukturierten Metallisierung an einer Seitenfläche einer Leiterplatte angebracht werden, werden bei dem hier beschriebenen Mikrowellenkoppler Leiterbahnabschnitte an beiden Seitenflächen der Leiterplatte angebracht. Der hier beschriebene Mikrowellenkoppler orientiert sich hierbei an einer Helmholtz-Spulenanordnung, die konventionell dazu genutzt wird, homogene, niederfrequente Magnetfelder zu erzeugen. Bei einer solchen Helmholtz-Spulenanordnung wird durch die Überlagerung von zwei Magnetfeldern, die von zwei Spulen erzeugt werden, die gleichsinnig von einem Strom durchflossen werden, in der Mitte zwischen den beiden Spulen ein sehr homogenes Magnetfeld erzeugt. Dieses Prinzip wird auch bei dem hier beschriebenen Mikrowellenkoppler verwendet, bei dem die Leiterbahnabschnitte mit einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld angeregt werden, um das Mikrowellenfeld zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform weist die Leiterplatte eine Ausnehmung auf, in der sich das Kopplungsvolumen befindet. Unter dem Kopplungsvolumen wird ein Volumen verstanden, das sich in lateraler Richtung (d.h. parallel zur Leiterplatte) innerhalb der beiden Leiterbahnabschnitte und in Dickenrichtung der Leiterplatte zwischen den beiden Seitenflächen der Leiterplatte befindet. Bei dem hier beschriebenen Mikrowellenkoppler wird ein besonders homogenes Mikrowellenfeld in der Regel in Dickenrichtung der Leiterplatte ungefähr bei der halben Dicke der Leiterplatte erzeugt. Um an dem Kopplungsvolumen einen Diamant-Kristall oder eines anderes Objekt, in welches das Mikrowellenfeld eingekoppelt werden soll, anzuordnen, ist es typischerweise erforderlich, in der Leiterplatte eine Ausnehmung vorzusehen. Die Ausnehmung ist so dimensioniert, dass zumindest das Teilvolumen des Diamantkristalls mit den Farbzentren, die durch das Mikrowellenfeld angeregt werden sollen, in dem Kopplungsvolumen positioniert werden kann. Die Ausnehmung sollte eine Tiefe aufweisen, die zumindest der Hälfte, in der Regel mindestens zwei Dritteln der Dicke der Leiterplatte entspricht.
Bei einer Weiterbildung ist die Ausnehmung entlang einer Windungsachse der Leiterbahnabschnitte ausgeformt. Wie weiter oben beschrieben wurde, sind die Leiterbahnabschnitte windungsartig ausgebildet und laufen typischerweise um eine gemeinsame Windungsachse um, die in Dickenrichtung der Leiterplatte verläuft. Die Windungsachse verläuft durch das Kopplungsvolumen hindurch und bildet in der Regel die Mittelachse des Kopplungsvolumens. Es ist daher günstig, wenn die Ausnehmung entlang der Windungsachse ausgeformt ist bzw. entlang der Windungsachse verläuft.
Bei einer weiteren Weiterbildung erstreckt sich die Ausnehmung von der ersten zur zweiten Seitenfläche und bildet vorzugsweise eine Öffnung, die an beiden Seitenflächen ausmündet. Für den Fall, dass die Leiterplatte eine Öffnung bzw. einen Durchbruch aufweist, kann diese beispielsweise in der Art einer Bohrung ausgebildet sein, die so dimensioniert ist, dass der Diamantkristall in die Bohrung gesteckt und dort fixiert werden kann.
Bei einer Ausführungsform entsprechen ein Radius des ersten Leiterbahnabschnitts und ein Radius des zweiten Leiterbahnabschnitts im Wesentlichen einer Dicke der Leiterplatte. Dies entspricht der Anforderung an die Radien und die Abstände zwischen den beiden Spulen einer Helmholtz-Spulenanordnung. Unter dem Begriff „im Wesentlichen der Dicke der Leiterplatte entsprechen“ wird im Sinne dieser Anmeldung verstanden, dass für den jeweiligen Radius r₁, r₂ und die Dicke d der Leiterplatte folgende Bedingung gilt: 0,9 < r₁ / d < 1,1 bzw. 0,9 < r₂ / d < 1,1. Unter dem Radius wird der Radius an der Innenkontur des jeweiligen Leiterbahnabschnitts verstanden. Die Leiterbahnabschnitte weisen nicht zwingend eine kreisförmige Geometrie auf, vielmehr können diese auch eine z.B. quadratische oder rechteckige Geometrie aufweisen, was fertigungstechnische Vorteile haben kann. In diesem Fall wird unter dem Radius der jeweiligen Leiterbahn der Abstand zwischen gegenüberliegenden Kanten an der Innenkontur des Quadrats bzw. der arithmetische Mittelwert aus den Abständen zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Kanten an der Innenkontur des Rechtecks verstanden.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Leiterplatte an der ersten Seitenfläche eine elektrische Zuleitung, bevorzugt in Form einer Streifenleitung, auf, die mit dem ersten Leiterbahnabschnitt verbunden ist. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Einkopplung des Wechselfeldes in den ersten Leiterbahnabschnitt über eine elektrische Zuleitung erfolgt und nicht über eine kapazitive Kopplung, wie dies in der Regel bei Split-Ring-Resonatoren der Fall ist.
Bevorzugt weist die elektrische Streifenleitung eine Impedanz von 50 Ohm auf. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Streifenleitung so dimensioniert wird, dass deren Impedanz bei 50 Ohm liegt, da in diesem Fall das Wechselfeld mit einem herkömmlichen SMA-Adapter bzw. einer SMA-Einbaubuchse (50 Ohm) ohne Reflexionsverluste in den ersten Leiterbahnabschnitt an der ersten Seitenfläche der Leiterplatte eingekoppelt werden kann. Die Impedanz der Streifenleitung kann insbesondere durch die Wahl einer geeigneten Breite der Streifenleitung vorgegeben werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Leiterplatte an der zweiten Seitenfläche einen Metallisierungsbereich auf, der über eine Kopplungslücke kapazitiv mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt gekoppelt ist. Der Metallisierungsbereich dient als Massefläche, an welche die Helmholtz-Spulenanordnung kapazitiv gekoppelt ist, um deren Impedanz anzupassen. Die Impedanz der Helmholtz-Spulenanordnung wird durch die Länge der Kopplungslücke vorgegeben, d.h. durch den Abstand zwischen dem zweiten Leiterbahnabschnitt und dem Metallisierungsbereich. Die Impedanz kann verändert werden, beispielsweise indem ein elektrisch leitendes Bauteil an der Kopplungslücke angebracht wird, beispielsweise in Form einer Kupferfolie oder dergleichen, welches den Abstand zwischen dem zweiten Leiterbahnabschnitt und dem Metallisierungsbereich verringert.
Die Anpassung bzw. die geeignete Vorgabe der Impedanz der Helmholtz-Spulenanordnung ist für die energieeffiziente Erzeugung von hochfrequenten Mikrowellen-Magnetfeldern erforderlich, d.h. die Impedanz Z der Helmholtz-Spulenanordnung sollte an die Impedanz Z₀ der angeschlossenen Leitung angepasst werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Impedanz einer Spule mit der Frequenz ω des erzeugten Magnetfeldes skaliert. Dies impliziert für hochfrequente Felder eine große Impedanz der Helmholtz-Spulenanordnung und damit einen hohen Reflexionskoeffizienten Γ = (Z - Z₀) / (Z + Z₀), was in einer schwachen Abstrahlungseffizienz resultiert. Für die energieeffiziente Nutzung eines hochfrequenten Magnetfelds mit der hier beschriebenen Helmholtz-Spulenanordnung ist somit eine Impedanz-Anpassung erforderlich. Da die Resonanzfrequenz der Helmholtz-Spulenanordnung mit der Impedanz skaliert, kann durch die Einstellung der Impedanz die Resonanzfrequenz verändert werden. Beispielsweise kann durch die weiter oben beschriebene Verringerung der Länge der Kopplungslücke die Resonanzfrequenz des Mikrowellenkopplers zu niedrigeren Wellenlängen verstimmt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der erste Leiterbahnabschnitt elektrisch leitend mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt verbunden. Dies ist günstig, da das elektrische Wechselfeld mit dem der Mikrowellenkoppler beaufschlagt wird, in diesem Fall nur einem der beiden Leiterbahnabschnitte zugeführt werden muss. Die elektrische Kontaktierung der beiden Leiterbahnabschnitte wird derart durchgeführt, dass die beiden Leiterbahnabschnitte gleichsinnig vom Strom einer jeweiligen Halbwelle des hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes durchflossen wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die beiden von den Leiterbahnabschnitten erzeugten hochfrequenten Magnetfelder sich in der Mitte zwischen den beiden Leiterbahnabschnitten zu einem möglichst homogenen Magnetfeld überlagern.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der erste Leiterbahnabschnitt mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt über eine Durchkontaktierung elektrisch leitend verbunden. Eine Durchkontaktierung stellt die einfachste Form der Verbindung zwischen den beiden Leiterbahnabschnitten dar. Es ist auch möglich, dass die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Leiterbahnabschnitten auf andere Weise hergestellt wird.
Bei einer Weiterbildung ist die Durchkontaktierung benachbart zu einem zweiten Windungsende des ersten Leiterbahnabschnitts und benachbart zu einem ersten Windungsende des zweiten Leiterbahnabschnitts angeordnet, wobei das zweite Windungsende des ersten Leiterbahnabschnitts dem ersten Windungsende des zweiten Leiterbahnabschnitts bezüglich der Leiterplatte gegenüberliegt. Die Durchkontaktierung ist typischerweise in einem geringen Abstand von einem jeweiligen Windungsende des jeweiligen Leiterbahnabschnitts angeordnet, um die Länge des jeweiligen Leiterbahnabschnitts möglichst vollständig für die Stromführung zu nutzen.
Zwischen dem ersten Windungsende und dem zweiten Windungsende des ersten Leiterbahnabschnitts befindet sich eine Lücke. Das erste Windungsende des ersten Leiterbahnabschnitts befindet sich an derjenigen Seite des ersten Leiterbahnabschnitts, an der die Zuleitung angeschlossen ist. Entsprechend verläuft die Stromrichtung des zugeführten Stroms vom ersten Windungsende zum zweiten Windungsende des ersten Leiterbahnabschnitts. Die beiden Windungsenden des zweiten Leiterbahnabschnitts sind ebenfalls durch ein Lücke voneinander getrennt. Das erste Windungsende des zweiten Leiterbahnabschnitts befindet sich auf derjenigen Seite der Lücke, die der Seite der Lücke abgewandt ist, an der das zweite Windungsende über die Kopplungslücke kapazitiv mit dem Metallisierungsbereich gekoppelt ist. Die Durchkontaktierung ist so angeordnet, dass die Stromrichtung in dem zweiten Leiterbahnabschnitt ebenfalls vom ersten Windungsende zum zweiten Windungsende verläuft. Die beiden Leiterbahnabschnitte werden daher gleichsinnig vom Strom (bzw. von der jeweiligen Halbwelle des Wechselfeldes) durchflossen.
Grundsätzlich ist es möglich, dass der erste Leiterbahnabschnitt und der zweite Leiterbahnabschnitt jeweils mit einer eigenen Zuleitung verbunden sind, um ein Wechselfeld in den ersten bzw. in den zweiten Leiterbahnabschnitt einzukoppeln. In diesem Fall kann auf die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Leiterbahnabschnitten verzichtet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform liegt die Summe der Länge des ersten Leiterbahnabschnitts, der Länge des zweiten Leiterbahnabschnitts und bevorzugt der Länge der Durchkontaktierung bei weniger als 20 mm. Die Länge des ersten bzw. zweiten Leiterbahnabschnitts wird an der dem Kopplungsvolumen zugewandten Innenkontur des jeweiligen Leiterbahnabschnitts (abzüglich der jeweiligen Lücke) gemessen. Die Phase des Stroms, welcher in den beiden Leiterbahnabschnitten das Magnetfeld induziert, sollte entlang der Gesamtlänge der beiden Leiterbahnabschnitte in guter Näherung konstant sein, damit die Magnetwirbelfelder, die an jedem Punkt entlang der Länge der beiden Leiterbahnabschnitte induziert werden, in Phase sind. Auf diese Weise können die Magnetwirbelfelder konstruktiv interferieren, sodass der Mikrowellenkoppler ein polarisiertes und homogenes Magnetfeld erzeugt. Für den Fall, dass die beiden Leiterbahnabschnitte durch die Durchkontaktierung miteinander verbunden sind, ist bei der Gesamtlänge der stromdurchflossenen Spulenanordnung auch die Länge der Durchkontaktierung zu berücksichtigen. Die Länge der Durchkontaktierung entspricht üblicherweise der Dicke der Leiterplatte.
Bei einer weiteren Ausführungsform entspricht die Summe der Länge des ersten Leiterbahnabschnitts, der Länge des zweiten Leiterbahnabschnitts und bevorzugt der Länge der Durchkontaktierung höchstens der halben Wellenlänge, bevorzugt höchstens einem Viertel der Wellenlänge des abgestrahlten Mikrowellenfeldes. Wie weiter oben beschrieben wurde, sollte die stromdurchflossene Gesamtlänge der Spulenanordnung, d.h. des ersten und des zweiten Leiterbahnabschnitts sowie ggf. der Durchkontaktierung deutlich kleiner sein als die Wellenlänge des abgestrahlten Mikrowellenfeldes, die bei der Einkopplung in einen Diamantkristall in der Regel bei ca. 2,87 GHz liegt. Die oben beschriebene Gesamtlänge von 20 mm ist ungefähr zehnmal kleiner als die der Frequenz von 2,87 GHz entsprechende Wellenlänge in Luft. Entsprechend ist auch die Phase des induzierten Stroms über die Gesamtlänge der beiden Leiterbahnabschnitte (ggf. mit Durchkontaktierung), welche die Helmholtz-Spulenanordnung bilden, näherungsweise konstant.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße, insbesondere eines Magnetfelds, umfassend: eine Anregungslichtquelle zur Emission von Anregungslicht, einen Diamant-Kristall, der einen Kopplungsvolumen mit Farbzentren, bevorzugt mit NV-Zentren, aufweist, die bei einer Anregung mit dem Anregungslicht Fluoreszenzlicht emittieren, einen Detektor zur Detektion des Fluoreszenzlichts aus dem Kopplungsvolumen, einen Mikrowellenkoppler, der wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist, zum Einkoppeln eines Mikrowellenfelds in das Kopplungsvolumen, sowie eine Auswerteeinrichtung, die zur Bestimmung der mindestens einen Messgröße, insbesondere des Magnetfeldes, anhand des detektierten Fluoreszenzlichts aus dem Kopplungsvolumen ausgebildet ist.
Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es für eine hohe Empfindlichkeit eines Quanten-Sensors erforderlich, ein Mikrowellenfeld mit einer möglichst großen Intensität und Homogenität in das mit den NV-Zentren dotierte Volumen des Diamant-Kristalls einzukoppeln. Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Magnetfeld-Sensor (ein Magnetometer) handeln, oder um einen Sensor, der zur Messung einer anderen Messgröße, beispielsweise der Temperatur, des Drucks, eines elektrischen Feldes, etc. ausgebildet ist. Bei dem Magnetfeld-Sensor kann es sich auch um ein Gradiometer handeln, das zur Messung eines Magnetfeldgradienten ausgebildet ist. Die Messgröße kann in der Auswerteeinrichtung auf bekannte Weise bestimmt werden. Für die Bestimmung des Magnetfelds anhand des detektierten Fluoreszenzlichts sei beispielsweise auf den weiter oben zitierten Artikel von M. Stürner verwiesen, der durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Bei einer Ausführungsform ist das Kopplungsvolumen des Diamant-Kristalls mit den Farbzentren, insbesondere mit den NV-Zentren, in der Ausnehmung, insbesondere in der Öffnung, der Leiterplatte des Mikrowellenkopplers angeordnet. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist das Mikrowellenfeld in etwa in der Mitte zwischen den beiden Seitenflächen der Leiterplatte besonders homogen, weshalb der Diamant-Kristall bzw. das mit den NV-Zentren dotierte Teilvolumen, ungefähr auf Höhe der halben Dicke der Leiterplatte positioniert werden sollte.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und ihrer nachfolgenden Beschreibung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1a,b schematische Darstellungen eines Mikrowellenkopplers, der eine Leiterplatte mit zwei an entgegengesetzten Seitenflächen der Leiterplatte aufgebrachten windungsartigen Leiterbahnabschnitten aufweist, um ein Mikrowellenfeld zu erzeugen,
2 eine schematische Darstellung eines Magnetfeld-Sensors, der den Mikrowellenkoppler von 1a,b aufweist,
3a,b schematische Darstellungen der Feldstärke des von dem Mikrowellenkoppler abgestrahlten Mikrowellenfeldes in zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Ebenen,
4 eine Darstellung der Rückflussdämpfung als Funktion der Frequenz des von dem Mikrowellenkoppler abgestrahlten Mikrowellenfeldes.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. entsprechende Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1a,b zeigen einen Mikrowellenkoppler 1, der eine Leiterplatte 2 („printed circuit board“, PCB) umfasst. An einer ersten Seitenfläche 2a (Oberseite) weist die Leiterplatte 2 einen ersten Leiterbahnabschnitt 3a auf, der windungsartig ausgebildet ist und der im gezeigten Beispiel eine quadratische Form aufweist. Wie in 1b zu erkennen ist, die ein Detail der Leiterplatte 2 von 1a an ihrer Oberseite 2a (in 1b links) und an ihrer zweiten Seitenfläche 2b (in 1b rechts) zeigt, weist die zweite Seitenfläche 2b (Unterseite) der Leiterplatte 2 einen zweiten Leiterbahnabschnitt 3b auf, der ebenfalls windungsartig ausgebildet ist und der im gezeigten Beispiel ebenfalls eine quadratische Form aufweist. Die beiden Leiterbahnabschnitte 3a,b sind in Form einer strukturierten Metallisierung auf die Leiterplatte 2 aufgebracht und liegen sich bezüglich der Leiterplatte 2 gegenüber. Die beiden windungsartigen Leiterbahnabschnitte 3a, 3b laufen um eine gemeinsame zentrale Windungsachse A um, die sich in Dickenrichtung (z-Richtung) der Leiterplatte 2 erstreckt. In 1b ist zur Verdeutlichung der Darstellung der nicht von einer Metallisierung bedeckte Teilbereich der Leiterplatte 2 schraffiert dargestellt.
Ein Kopplungsvolumen 4 für die Einkopplung eines von dem Mikrowellenkoppler 1 erzeugten Mikrowellenfeldes 1a (vgl. 2) befindet sich zwischen den beiden Leiterbahnabschnitten 3a, 3b, genauer gesagt innerhalb einer Öffnung 5 in Form einer Bohrung in der Leiterplatte 2, durch deren Zentrum die Windungsachse A verläuft. In der Öffnung 5 wird ein Diamant-Kristall 6 eines Magnetfeld-Sensors 7 positioniert, der in 2 dargestellt ist. Der Diamant-Kristall 6 weist eine kreiszylindrische Geometrie auf, wird durch die kreisförmige Öffnung 5 gesteckt und ist dort fixiert. In dem Diamant-Kristall 6 befindet sich das gestrichelt dargestellte Kopplungsvolumen 4, das mit NV-Zentren 8 dotiert ist, die in 2 durch Punkte angedeutet sind. Der Magnetfeld-Sensor 7 weist einen Signalgenerator 9 zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes auf, das dem Mikrowellenkoppler 1 zugeführt wird.
Zur Bestimmung der Stärke des Magnetfeldes in dem Kopplungsvolumen 4 wird der Diamant-Kristall 6 zusätzlich zu der Einkopplung des Mikrowellenfelds 1a in dem Kopplungsvolumen 4 mit Anregungslicht 10 einer Anregungslichtquelle 11 bestrahlt. Das Anregungslicht 10 weist Wellenlängen im Bereich zwischen 510 nm und 550 nm auf. Bei der Bestrahlung der NV-Zentren 8 emittieren diese Fluoreszenzlicht 12, das von einem Detektor 13 in Form einer Fotodiode detektiert wird. Eine Auswerteeinrichtung 14 dient zur Bestimmung des Magnetfelds B in dem Kopplungsvolumen 4. Die Bestimmung des Magnetfeldes B erfolgt auf an sich bekannte Weise, beispielsweise wie dies in dem weiter oben zitierten Artikel von M. Stürner et al. beschrieben ist.
Für eine möglichst hohe Empfindlichkeit des in 2 gezeigten Magnetfeld-Sensors 7 ist es günstig, wenn das in das Kopplungsvolumen 4 eingekoppelte Mikrowellenfeld 1a möglichst homogen ist. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Einkopplung möglichst effizient erfolgen kann, d.h. wenn eine hohe Sensorempfindlichkeit mit wenig von dem Signalgenerator 9 erzeugter Mikrowellenleistung erzielt werden kann.
Um dies zu erreichen, werden bei dem in 1a,b gezeigten Mikrowellenkoppler 1 die beiden Leiterplattenabschnitte 3a,b verwendet, die in der Art einer Helmholtz-Spulenanordnung ausgebildet sind: Bei der in 1a,b gezeigten Anordnung weist der erste Leiterbahnabschnitt 3a ein Radius n_l1 von 0,8 mm auf und auch der zweite Leiterbahnabschnitt 3b weist einen Radius r_l2 von 0,8 mm auf. Eine Dicke d der Leiterplatte 2 beträgt ebenfalls 0,8 mm. Der Radius r_l1, r_l2 ist bei dem in 2a,b gezeigten Beispiel als die Hälfte des Abstandes zwischen zwei einander gegenüberliegenden Innenkanten der quadratischen Leiterbahnabschnitte 3a, 3b definiert. Durch die möglichst genaue Einhaltung dieser Bedingung kann in Dickenrichtung der Leiterplatte (z-Richtung) in der Mitte zwischen den beiden Leiterbahnabschnitten 3a, 3b (d.h. bei etwa der halben Dicke d /2) ein besonders homogenes Mikrowellenfeld 1a erzeugt werden, wie dies auch bei einer Helmholtz-Spulenanordnung der Fall ist.
Für die Zuführung des von dem Signalgenerator 9 erzeugten Wechselfeldes zu dem ersten Leiterbahnabschnitt 3a weist die Leiterplatte 2 eine elektrische Zuleitung in Form einer Streifenleitung 15 auf. Die Streifenleitung 15 weist im gezeigten Beispiel eine Impedanz von 50 Ohm auf, um die Einkopplung des Wechselfeldes über einen SMA-Adapter ohne Reflexionsverluste zu ermöglichen. Um die Impedanz von 50 Ohm zu realisieren, weist die Streifenleitung eine geeignete Geometrie, insbesondere eine geeignete Breite ws auf, die im gezeigten Beispiel bei ca. 1,5 mm liegt.
Wie in 1b zu erkennen ist, weist die Leiterplatte 2 an der zweiten Seitenfläche 2a einen Metallisierungsbereich 16 auf, der über eine Kopplungslücke g_c kapazitiv mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt 3b gekoppelt ist. Die Kopplungslücke g_c weist im gezeigten Beispiel eine Länge von ca. 1,5 mm auf. Durch die Wahl der Länge der Kopplungslücke g_c kann die Resonanzfrequenz des Mikrowellenkopplers 1 bzw. die Frequenz des abgestrahlten Mikrowellenfeldes 1a verstimmt werden, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Der zweite Leiterbahnabschnitt 3b ist mit dem ersten Leiterbahnabschnitt 3a über eine Durchkontaktierung 17 elektrisch leitend verbunden. Die Durchkontaktierung 17 ist benachbart zu einem zweiten Windungsende 18b des ersten Leiterbahnabschnitts 3a angeordnet. Das zweite Windungsende 18b mit der Durchkontaktierung 17 ist von einem ersten Windungsende 18a, an dem die Streifenleitung 15 angebracht ist durch eine Lücke g_l1 in dem ersten Leiterbahnabschnitt 3a getrennt. Die Lücke g_l1 weist im gezeigten Beispiel eine Länge von 0,3 mm auf. Der zweite Leiterbahnabschnitt 3b weist ebenfalls eine Lücke g_l2 auf, deren Länge in der gleichen Größenordnung liegt. Wie in 1b zu erkennen ist, ist die Durchkontaktierung 17 benachbart zu einem ersten Windungsende 19a des zweiten Leiterbahnabschnitts 3b angeordnet, und zwar auf derjenigen Seite der Lücke g_l2, die einem zweiten Windungsende 19b des zweiten Leiterbahnabschnitts 3b gegenüberliegt, an dem die kapazitive Kopplung des zweiten Leiterbahnabschnitts 3b mit der Metallisierungsbereich 16 erfolgt. Das zweite Windungsende 18b des ersten Leiterbahnabschnitts 3a ist dem ersten Windungsende 19a des zweiten Leiterbahnabschnitts 3b bezüglich der Leiterplatte 2 gegenüberliegend angeordnet. Der Strom fließt vom ersten Windungsende 18a zum zweiten Windungsende 18b des ersten Leiterbahnabschnitts 3a und vom ersten Windungsende 19a zum zweiten Windungsende 19b des zweiten Leiterbahnabschnitts 3b.
Durch die gewählte Anordnung der Durchkontaktierung 17 wird erreicht, dass der Strom in dem ersten Leiterbahnabschnitt 3a gegen den Uhrzeigersinn umläuft und im zweiten Leiterbahnabschnitt 3b, der auf der zweiten Seitenfläche 2b der Leiterplatte 2 verläuft, im gleichen Drehsinn umläuft. Auf diese Weise kann eine konstruktive Überlagerung bzw. Interferenz der in den beiden Leiterbahnabschnitten 3a,b induzierten Magnetwirbelfelder erfolgen, um in dem Kopplungsvolumen 4 ein möglichst homogenes Magnetfeld zu erzeugen.
Für die Erzeugung eines möglichst homogenen Mikrowellenfelds 1a ist es erforderlich, dass die Phase des induzierten Stroms entlang der beiden Leiterbahnabschnitte 3a,b in guter Näherung konstant ist. Dies kann bei der hier gewünschten Frequenz des Mikrowellenfeldes 1b von ca. 2,7 GHz an Luft typischerweise erreicht werden, wenn die gesamte Länge der Spulenanordnung, d.h. die Summe aus der Länge l₁ des ersten Leiterbahnabschnitts 3a, der Länge l₂ des zweiten Leiterbahnabschnitts 3b und der Länge der Durchkontaktierung 17, die der Dicke d der Leiterplatte 2 entspricht, bei weniger als 20 mm liegt. Die Länge l₁, l₂ der beiden Leiterbahnabschnitte 3a,b entspricht hierbei der Länge der jeweiligen Innenkonturen der Leiterbahnabschnitte 3a,b (abzüglich der Länge der Lücken g_l1, g_l2). Die Gesamtlänge der beiden Leiterbahnabschnitte 3a,b liegt im gezeigten Beispiel bei ca. 12,2 mm, die Dicke der Durchkontaktierung liegt bei 0,8 mm, so dass die Gesamtlänge der Spulenanordnung bei ca. 13 mm liegt. Diese Länge ist ca. einen Faktor Zehn kleiner als die Wellenlänge des Mikrowellenfeldes 1a, welche 2,7 GHz an Luft entspricht. Die Länge der Spulenanordnung sollte höchstens der halben Wellenlänge, bevorzugt höchstens einem Viertel der Wellenlänge des abgestrahlten Mikrowellenfeldes 1a entsprechen, damit die Phase des induzierten Stroms in guter Näherung konstant ist.
Die Breite der beiden Leiterbahnabschnitte 3a, 3b ist konstant und liegt im gezeigten Beispiel bei w_l1 = 1,2 mm für den ersten Leiterbahnabschnitt 3a bzw. bei w_l2 = 1,3 mm für den zweiten Leiterbahnabschnitt 3b. Es versteht sich, dass von den weiter oben angegebenen Geometrieparametern in gewissen Grenzen abgewichen werden kann, ohne die Funktionalität des Mikrowellenkopplers 1 zu beeinflussen. Auch ist es möglich, an Stelle einer Öffnung 5 eine Ausnehmung in der Leiterplatte 2 vorzusehen, die nur an einer Seite der Leiterplatte 2 ausmündet. Die Ausnehmung ist typischerweise entlang der Windungsachse A der Leiterbahnabschnitte 3a, 3b ausgeformt.
3a,b zeigen das bei einer Simulation des Mikrowellenkopplers 1 mit den weiter oben beschriebenen Geometrieparametern erzeugte Mikrowellenfeld 1a, genauer gesagt dessen Magnetfeldstärke H, in der xz-Ebene in der Mitte der Bohrung 5 (bei y = 0, vgl. 3a) bzw. in der xy-Ebene auf Höhe der halben Dicke d /2 der Leiterplatte 2 (bei z = 0, vgl. 3b). Die in 3a gezeigten Pfeile deuten die Projektion des Magnetfeld-Vektors auf die xz-Ebene an. In 3b gestrichelt angedeutet ist das im gezeigten Beispiel würfelförmige Kopplungsvolumen 4. Die Homogenität des in 3a,b gezeigten Mikrowellenfeldes 1a wurde in dem würfelförmigen Volumenbereich des Kopplungsvolumens 4 ausgewertet, der eine Kantenlänge von 0,4 mm aufweist.
Für die Simulation wurde davon ausgegangen, dass das Mikrowellenfeld 1a mit einer Frequenz von 2,87 GHz abgestrahlt wird und dass die Eingangsleistung des von dem Signalgenerator 9 erzeugten Wechselfeldes bei 1 Watt liegt. Die bei der Simulation berechnete Inhomogenität des Magnetfeldes in dem würfelförmigen Kopplungsvolumen von (0,4 mm)³ beträgt 2.35 % und die Magnetfeld-Transfereffizienz liegt bei $η = 347 A/m/ \sqrt{W} .$
Ebenfalls simuliert wurde die Rückflussdämpfung S₁₁ in Abhängigkeit von der Frequenz, die in 4 dargestellt ist. Anhand der simulierten Rückflussdämpfung S₁₁ lässt sich die Resonanzfrequenz zu 2.87 GHz und eine Bandbreite von mehr als 250 kHz (S₁₁ < -2 dB) ablesen (vgl. die durchgezogene Kurve in 4). In 4 ebenfalls dargestellt ist die gemessene Rückflussdämpfung S₁₁ (vgl. die grob gestrichelte Kurve) eines mit den obigen Geometrieparametern hergestellten Mikrowellenkopplers 1. Durch Fertigungstoleranzen bedingte Abweichungen von den oben genannten Geometrieparametern in der Größenordnung von ca. 10% haben die in 4 anhand der grob gestrichelten Messkurve erkennbare Verstimmung der Resonanzfrequenz auf ca. 3,1 GHz zur Folge.
Die Resonanzfrequenz des Mikrowellenkopplers 1 lässt sich zu niedrigeren Frequenzen verstimmen, indem die Kopplungslücke g_c verringert wird, beispielsweise indem ein Stück Kupferfolie im Bereich der Kopplungslücke g_c angebracht wird. Auf diese Weise lässt sich die Resonanzfrequenz des gefertigten Mikrowellenkopplers 1 von 3.1 GHz zu ca. 2.9 GHz verstimmen, wie in 4 anhand der fein gestrichelten Kurve zu erkennen ist.
Zusammenfassend lässt sich der hier beschriebene Mikrowellenkoppler 1 einfach fertigen, da lediglich Standard-PCB-Technologie benötigt wird. Auch erzeugt der Mikrowellenkoppler 1 ein Mikrowellenfeld 1a mit einen breiten Resonanzbereich in der Größenordnung von ca. 250 MHz, was das Adressieren mehrerer Magnetresonanzen ermöglicht. Zudem weist der Mikrowellenkoppler 1 hohe Resonanz- bzw. Kopplungsgüten von ca. -5 dB auf und ermöglicht daher die Erzeugung von hohen Mikrowellenfeldstärken mit geringer Mikrowellenleistung. Auch ermöglicht der Mikrowellenkoppler 1 die Erzeugung eines homogenen Mikrowellenfelds 1a mit Abweichungen von weniger als ca. 2 % in einem Kopplungsvolumen 4, das in der Größenordnung von ca. 0,125 mm³ liegt.

Claims

Mikrowellenkoppler (1) zur Einkopplung eines Mikrowellenfeldes (1a) in ein zwischen einem ersten und einem zweiten Leiterbahnabschnitt (3a, 3b) angeordnetes Kopplungsvolumen (4), mit einer Leiterplatte (2), die auf einer ersten Seitenfläche (2a) den ersten Leiterbahnabschnitt (3a) und auf einer zweiten, insbesondere der ersten Seitenfläche (2a) bezüglich der Leiterplatte (2) gegenüberliegenden, Seitenfläche (2b) den zweiten Leiterbahnabschnitt (3b) aufweist, wobei die beiden Leiterbahnabschnitte (3a, 3b) windungsartig ausgebildet sind und sich bezüglich der Leiterplatte (2) gegenüberliegen, um in dem Kopplungsvolumen (4) ein homogenes Magnetfeld (B) auszubilden.
Mikrowellenkoppler nach Anspruch 1, bei dem die Leiterplatte (2) eine Ausnehmung (5) aufweist, in der sich das Kopplungsvolumen (4) befindet.
Mikrowellenkoppler nach Anspruch 2, bei dem die Ausnehmung (5) entlang einer Windungsachse (A) der Leiterbahnabschnitte (3a, 3b) ausgeformt ist.
Mikrowellenkoppler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmung von der ersten zur zweiten Seitenfläche (2a, 2b) erstreckt, und vorzugsweise eine Öffnung (5) bildet, die an beiden Seitenflächen (2a, 2b) ausmündet.
Mikrowellenkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Radius (n_l1) des ersten Leiterbahnabschnitts (3a) und ein Radius (r_l2) des zweiten Leiterbahnabschnitts (3b) im Wesentlichen einer Dicke (d) der Leiterplatte (2) entsprechen.
Mikrowellenkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leiterplatte (2) an der ersten Seitenfläche (2a) eine elektrische Zuleitung, bevorzugt in Form einer Streifenleitung (15), aufweist, die mit dem ersten Leiterbahnabschnitt (3a) verbunden ist.
Mikrowellenkoppler nach Anspruch 6, bei dem die Streifenleitung (15) eine Impedanz von 50 Ohm aufweist.
Mikrowellenkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leiterplatte (2) an der zweiten Seitenfläche (2b) einen Metallisierungsbereich (16) aufweist, der über eine Kopplungslücke (g_c) kapazitiv mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt (3b) gekoppelt ist.
Mikrowellenkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Leiterbahnabschnitt (3a) elektrisch leitend mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt (3b) verbunden ist.
Mikrowellenkoppler nach Anspruch 9, bei dem der erste Leiterbahnabschnitt (3a) über eine Durchkontaktierung (17) elektrisch leitend mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt (3b) verbunden ist.
Mikrowellenkoppler nach Anspruch 10, bei dem die Durchkontaktierung (17) benachbart zu einem zweiten Windungsende (18b) des ersten Leiterbahnabschnitts (3a) und benachbart zu einem ersten Windungsende (19a) des zweiten Leiterbahnabschnitts (3b) angeordnet ist, wobei das zweite Windungsende (18b) des ersten Leiterbahnabschnitts (3a) dem ersten Windungsende (18a) des zweiten Leiterbahnabschnitts (3b) bezüglich der Leiterplatte (2) gegenüberliegt.
Mikrowellenkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Summe der Länge (l₁) des ersten Leiterbahnabschnitts (3a), der Länge (l₂) des zweiten Leiterbahnabschnitts (3b) und bevorzugt der Länge (d) der Durchkontaktierung (17) bei weniger als 20 mm liegt.
Mikrowellenkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Summe der Länge (l₁) des ersten Leiterbahnabschnitts (3a), der Länge (l₂) des zweiten Leiterbahnabschnitts (3b) und bevorzugt der Länge (d) der Durchkontaktierung (17) höchstens der halben Wellenlänge, bevorzugt höchstens einem Viertel der Wellenlänge des abgestrahlten Mikrowellenfeldes (1a) entspricht.
Sensor (7) zur Messung mindestens einer Messgröße, insbesondere eines Magnetfelds (B), umfassend: eine Anregungslichtquelle (11) zur Emission von Anregungslicht (10), einen Diamant-Kristall (6), der ein Kopplungsvolumen (4) mit Farbzentren, bevorzugt mit NV-Zentren (8), aufweist, die bei einer Anregung mit dem Anregungslicht (10) Fluoreszenzlicht (12) emittieren, einen Detektor (13) zur Detektion des Fluoreszenzlichts (12) aus dem Kopplungsvolumen (4), einen Mikrowellenkoppler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Einkoppeln eines Mikrowellenfelds (1a) in das Kopplungsvolumen (4), sowie eine Auswerteeinrichtung (14), die zur Bestimmung der mindestens einen Messgröße, insbesondere des Magnetfeldes (B), anhand des detektierten Fluoreszenzlichts (12) aus dem Kopplungsvolumen (4) ausgebildet ist.
Sensor nach Anspruch 14, bei dem das Kopplungsvolumen (4) des Diamant-Kristalls (6) mit den Farbzentren, insbesondere mit den NV-Zentren, in der Ausnehmung, insbesondere der Öffnung (5), der Leiterplatte (2) des Mikrowellenkopplers (1) angeordnet ist.