DE19714191C1

DE19714191C1 - Mikrowellenschaltkreis mit Josephson-Elementen und Verwendung des Schaltkreises

Info

Publication number: DE19714191C1
Application number: DE19714191A
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Dr Meyer; Marco Schubert; Gerd Dr Wende
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date: 1997-04-07
Filing date: 1997-04-07
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2017-04-08

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenschaltkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Schaltkreis ist bspw. aus der DE 41 37 953 C2 bekannt. Die Erfindung betrifft ferner Verwendungen dieses Mikrowellenschaltkreises.

Josephson-Einrichtungen, wie insbesondere Josephson-Spannungs normale, die auf der Grundlage des Wechselstrom-Josephson-Effektes arbeiten, haben bereits Eingang in die Präzisionsmeßtechnik gefunden. Bei diesen Spannungsnormalen nutzt man die Frequenz-Spannungs- Umsetzung an einem Josephson-Element aus. Bringt man nämlich ein Josephson-Element in ein hochfrequentes Wechselfeld der Frequenz f ein, so wird die interne Josephson-Oszillation durch das externe Wechselfeld synchronisiert. Dabei treten in der Strom-Spannungs- Kennlinie Stufen konstanter Spannung, sogenannte Shapiro-Stufen, auf, die auf folgende Weise mit der Frequenz f verknüpft sind:

(h: Planck'sches Wirkungsquantum, e: Elementarladung). Für eine Frequenz f von z. B. 10 GHz beträgt die mit der Shapiro-Stufe n = 1 verknüpfte Spannung etwa 20 µV. Da in diesem Frequenzbereich nur Stufen bis zur Ordnung n ≈ 50 sinnvoll genutzt werden können, sind Serienschaltungen von 1000 und mehr Josephson-Elementen erforderlich, um das 1-V-Spannungsniveau zu erreichen.

Ein aus der Literaturstelle J. Hinken: "Supraleiter-Elektronik: Grundlagen, Anwendungen in der Mikrowellentechnik", Springer-Verlag, Berlin 1988, Seiten 87 bis 95 zu entnehmendes Josephson- Spannungsnormal ist wie folgt aufgebaut: Es enthält 1440 Josephson- Elemente, die in vier als Mikrostreifenleiter gestalteten Ketten mit jeweiligem Abschlußwiderstand äquidistant hintereinander angeordnet sind. Zur Aufsummierung der Spannungen an den einzelnen Josephson- Elementen sind die vier Ketten gleichstrommäßig hintereinander geschaltet. Um eine optimale Mikrowellenanregung der Josephson- Elemente gewährleisten zu können, werden die Ketten mikrowellenmäßig parallel geschaltet. Die entsprechenden Mikrowellen mit einer Frequenz von 70 oder 90 GHz werden über einen Hohlleiter und über einen sogenannten Flossenleitungsübergang ("finline taper") auf die einzelnen Mikrostreifenleitungen mit den Josephson-Elementen als fortlaufende Welle transformiert (vgl. auch "Appl. Phys. Lett.", Bd. 47, 1985, Seiten 1222-23). Damit sich auf den Mikrostreifenleitungen eine fortlaufende Welle ausbreiten kann, werden die Mikrostreifenleitungen mit absorbierenden Leitungen abgeschlossen, von denen praktisch die gesamte eingekoppelte Mikrowellenleistung in Wärme umgesetzt wird. Der Aufwand für die entsprechende Mikrowellentechnik ist bei diesen Josephson-Spannungsnormalen verhältnismäßig hoch. Der für 70 bzw. 90 GHz bekannte Aufbau läßt sich auch nicht ohne weiteres auf niedrigere Frequenzen, z. B. bei 10 bis 20 GHz, übertragen, da dann die für den Mikrowellenschaltkreis erforderlichen Abmessungen zu groß würden.

Ein anders gearteter Mikrowellenschaltkreis für Josephson- Spannungsnormale wird in der eingangs genannten DE 41 37 953 C2 beschrieben. In diesem Falle sind die Wellenleiterstücken als Resonatoren gestaltet, die eine Leitungslänge von dem Ein- oder Mehrfachen der halben Wellenlänge aufweisen. Eine hinreichend homogene Mikrowellenanregung der Josephson-Elemente wird dadurch erreicht, daß die Josephson-Elemente nur am Ort oder in der Nähe der Maxima des Mikrowellenstromes eingebettet bzw. integriert sind. Bei diesem Anregungsprinzip ist keine Endlast zur Energieabsorption am Ende jedes Resonators erforderlich und es muß nur eine relativ geringe Mikrowellenleistung eingekoppelt werden, um die sehr geringen Verluste der supraleitenden Resonatoren zu kompensieren. Diese Schaltkreise können bei niedrigen Betriebsfrequenzen von beispielsweise 10 bis 20 GHz eingesetzt werden, wodurch das System zur Einkopplung der Mikrowelle vereinfacht werden kann.

Obwohl in dem erstbeschriebenen Mikrowellenschaltkreis die aktiven Mikrostreifenleiter vollständig mit Josephson-Elementen belegt werden können, steht doch nur ein Teil der Chipfläche für die Integration von Josephson-Elementen zur Verfügung, da die verfügbare Fläche durch den Platzbedarf der absorbierenden Leitungen eingeschränkt wird. Nachteilig ist weiterhin, daß praktisch die gesamte eingekoppelte Mikrowellenleistung in Wärme umgesetzt werden muß, was beim Einsatz von Kleinkühlem zur Erzeugung der notwendigen tiefen Betriebstemperaturen sehr nachteilig ist.

Nachteil des zweitbeschriebenen Mikrowellenschaltkreises ist, daß die als Resonatoren gestalteten aktiven Mikrostreifenleiter nur teilweise, etwa zu 25%, mit Josephson-Elementen belegt werden können. Dadurch ist es nicht möglich, mit derartigen Mikrowellenschaltkreisen Josephson- Spannungsnormale bspw. auf dem 10-V-Spannungsniveau zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellenschaltkreis mit Josephson-Elementen anzugeben, der bei relativ niedrigen Betriebsfrequenzen von 10 bis 20 GHz hochpräzise Josephson- Spannungen bis zu 10 V erzeugen läßt, welcher sich für die Verwendung als Josephson-Spannungsnormal oder eine Josephson-Potentiometer einrichtung eignet, ohne die Nachteile des bekannten Standes der Technik auszuweisen.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß ein mit Josephson-Elementen möglichst vollflächig besetzter Mikrostreifenleiter beidseitig mit kapazitiven Koppelspalten und geeignet dimensionierten Transformationsleitungen versehen ist, die eine reflexionsfreie Ein- und Auskopplung von Mikrowellen bei einer bestimmten Betriebsfrequenz ermöglichen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs beispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausbildungsmöglichkeit eines Mikrowellenschalt kreises nach vorliegender Erfindung,

Fig. 2 eine zweite, vereinfachte Ausbildungsmöglichkeit eines Mikrowellenschaltkreises nach vorliegender Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer vorgesehenen Transmissionsleitung nach den Fig. 1 oder 2 und

Fig. 4 eine detailliertere Schaltkreisausbildung nach Fig. 2 und 3.

Der erfindungsgemäße Mikrowellenschaltkreis ist insbesondere Teil einer Einrichtung zur Erzeugung eines hochpräzisen Spannungsstandards mit Hilfe von Josephson-Elementen. Der nach der Erfindung geschaffene Schaltkreis läßt sich in gleicher Weise für hochpräzise Potentiometer- Einrichtungen mit Josephson-Elementen verwenden.

Fig. 1 zeigt als Aufsicht die erfindungswesentlichen Teile eines in Dünnfilmtechnik hergestellten Mikrowellenschaltkreises für eine Josephson-Einrichtung, z. B. für ein Spannungsnormal zur Erzeugung einer Standardspannung von 1 V oder 10 V. Auf einem Substrat 1 ist eine Mikrostreifenleiterstruktur aus einem supraleitenden Material ausgebildet, die bezüglich Längs- und Querachse spiegelsymmetrisch ausgeführt ist. Die Grundplatte der Mikrostreifenleiterstruktur wird in der Weise gebildet, daß die Rückseite des Substrates 1 mit einem supra- oder normalleitendem Material beschichtet ist oder daß der Schaltkreis auf einen supra- oder normalleitenden Träger montiert wird. Der Schaltkreis ist als Zweitor ausgebildet, er besitzt einen Eingang und einen Ausgang. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Wellenwiderstand von nicht näher dargestellten externen Standardwellenleiter, im allgemeinen 50 Ω, am Ein- und Ausgang von Exponentialtapern 2 an den Wellenwiderstand von Transformations leitungen 3 angepaßt. Die Ausbildung derartiger Exponentialtaper ist z. B. in Robert E. Collin: "Grundlagen der Mikrowellentechnik", Verlag Technik, Berlin 1973, Seiten 267 und 268, beschrieben und braucht hier nicht weiter ausgeführt zu werden. Durch eine geeignete Wahl der Länge l_Tr der Transformationsleitungen 3 im Bereich von (λ/4) < l_Tr < (λ/2) und der Breite einer kapazitiven Koppelspalte 4 wird erreicht, daß bei einer vorbestimmbaren Betriebsfrequenz f_B am Ende einer Transmissionsleitung 5 keine Welle reflektiert wird. Die am Eingang eingespeiste Mikrowellenleistung wird bei der Betriebsfrequenz f_B über den Exponentialtaper 2, die Transformationsleitung 3 und die kapazitiven Koppelspalte 4 vollständig in die Transmissionsleitung 5, deren detailliertere Ausbildung in Fig. 3 und 4 näher dargestellt ist, eingekoppelt und am Ende der Transmissionsleitung 5 über kapazitive Koppelspalte 4, eine weitere Transformationsleitung 3 und einen weiteren Exponentialtaper 2 reflexionsfrei ausgekoppelt. Die ausgekoppelte Mikrowellenleistung wird entweder im kalten Bereich von einem nicht dargestellten Abschlußwiderstand dissipiert oder sie wird über einen Wellenleiter aus dem Kaltbereich herausgeführt und bei Raumtemperatur in einem Abschlußwiderstand verbraucht. Auf der Transmissionsleitung 5 existiert bei der Betriebsfrequenz f_B nur eine hinlaufende Welle, und es wird eine vollkommen homogene Mikrowellenverteilung erzeugt. Deshalb kann die gesamte Transmissionsleitung 5 mit Josephson- Elementen 70 (vgl. Fig. 3) belegt werden. Die Breite und damit der Wellenwiderstand der Transformationsleitungen 3 wird bevorzugt identisch mit der Breite bzw. dem Wellenwiderstand der Transmissionsleitung 5 gewählt. Wesentlich ist im Fall einer Ausführung nach Fig. 1, daß die Breite der Koppelspalte 4 möglichst klein, im Ausführungsbeispiel zu 5 µm, gewählt wird, um große Koppelkapazitäten C und möglichst kürze Transformationsleitungen 3 zu erreichen, deren Länge l_Tr entsprechend einer Beziehung

festgelegt ist, wobei λ die Wellenlänge auf der Transformationsleitung, Z_L den Wellenwiderstand der Transformationsleitung, f_B die Betriebsfrequenz und C die Koppelkapazität der Koppelspalte 4 bezeichnen.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Mikrowellenschalt kreises mit einer vereinfachten Mikrostreifenleiterstruktur. Diese Struktur kann vorteilhaft verwendet werden, wenn sich der Wellenwiderstand der Transmissionsleitung 5 von dem Wellenwiderstand der Standardwellen leiter, im allgemeinen 50 Ω, unterscheidet. In der Praxis ist der Wellenwiderstand der Transmissionsleitung allgemein niedriger als 50 Ω, so daß die genannte Bedingung keine Einschränkung bedeutet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die nicht dargestellten externen Standardwellenleiter über zusätzliche Mikrostreifenleiter 6, deren Wellenwiderstand mit dem der Standardwellenleiter übereinstimmt, direkt galvanisch an die Transformationsleitungen 3 angekoppelt. Es ist auch möglich, die zusätzlichen Mikrostreifenleiter 6 wegzulassen und die externen Standardwellenleiter unmittelbar galvanisch an die Transformationsleitungen 3 zu kontaktieren. Weiterhin ist es möglich, die zusätzlichen Mikrostreifenleiter 6 als (λ/4)-Leitungen auszubilden, um den Wellenwiderstand der Standardwellenleiter auf einen anderen Wert zu transformieren und damit in vorteilhafter Weise einen größeren Wellenwiderstandssprung an den Transformationsleitungen 3 zu realisieren. Auch in diesen Fällen wird durch eine geeignete Wahl der Länge l_Tr der Transformationsleitungen 3 im Bereich von 1,5.(λ/4) < l_Tr < (λ/2) und der Breite der kapazitiven Koppelspalte 4 erreicht, daß bei einer vorbestimmbaren Betriebsfrequenz f_B am Ende der Transmissionsleitung 5 keine Reflexionen auftreten und auf der Transmissionsleitung 5 eine vollkommen homogene Mikrowellenverteilung erzeugt wird. Insbesondere ist in diesem Ausführungsbeispiel die Breite der Koppelspalte 4 in der Weise zu wählen, daß die daraus resultierende Koppelkapazität C die Bedingung

mit Z₀ als dem Wellenwiderstand der externen Standardwellenleiter, i.a. 50 Ω, erfüllt, und die Länge der Transmissionsleitung 3 ist entsprechend einer Beziehung

festlegt.

Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, daß die Transmissionsleitung 5 im Vergleich zu einer Ausführung nach Fig. 1 bei identisch vorgegebener Schaltkreisfläche länger gewählt und damit die Transmissionsleitung 5 mit einer noch größeren Anzahl von Josephson- Elementen belegt werden kann.

Die Transmissionsleitung, die insbesondere aus einer Vielzahl von Mikrostreifenleitern 7 und 7' besteht, ist in Fig. 3 im Detail ausschnittsweise dargestellt. In bekannter Weise sind die Mikrostreifenleiter 7 und 7' durch wechselseitige nicht näher bezeichnete Kontaktverbindungen gleichstrommäßig in Form eines Mäanders in Reihe geschaltet und durch sehr geringe Abstände von im Beispiel 5 µm zwischen den Mikrostreifenleitern 7 und 7' sind sie mikrowellenmäßig parallel geschaltet. Für die Mikrowelle bilden sie einen einheitlichen Wellenleiter, die Transmissionsleitung 5. Die inneren Mikrostreifenleiter 7 sind außerhalb der Bereiche der Kontaktverbindungen durchgehend mit den Josephson-Elementen 70 belegt. Wegen der typischen Stromüberhöhung werden auf den äußeren ein bis zwei Mikrostreifenleitern 7' keine Josephson-Elemente plaziert. Die Breite der äußeren Mikrostreifenleiter 7' kann weiterhin anders festgelegt sein als die Breite der inneren Mikrostreifenleiter 7, insbesondere wird sie so festgelegt, daß die Stromüberhöhung an den Rändern der Transmissionsleitung 5 keinen Einfluß auf die inneren Mikrostreifenleiter ausübt.

Fig. 4 zeigt schließlich eine weitergehend detailliertere Ausbildung des Mikrowellenschaltkreises. Die Verbindung zwischen den Josephson- Elementen 70, die sogenannte Verdrahtung, Mikrowellenfilter 9, Bondpads 8 sowie die Transformationsleitungen 3 und die zusätzlichen Mikrostreifenleiter 6 oder die Exponentialtaper 2 bestehen aus supraleitendem Niob mit einer Schichtdicke von ca. 200 nm. Die Festlegung der Größen l_TR und w_TR sind in diesem Beispiel wie folgt gewählt: l_TR = 3225 µm, w_TR = 5185 µm, bei einer Breite der kapazitiven Koppelspalte 4 von 5 µm. Die Transmissionsleitung 5 belegt im Beispiel eine Fläche von 30170 µm. 5185 µm. Ist die Transmissionsleitung 5 aus achtzehn inneren Mikrostreifenleitern 7 mit einer Breite von jeweils 240 µm und je zwei äußeren Mikrostreifenleitern 7' mit einer Breite von jeweils 190 µm gebildet, so können die inneren Mikrostreifenleiter 7 mit 12420 Josephson-Elementen 70 einer jeweiligen Abmessung von 35 µm.235 µm belegt sein. Mit einem solchen Mikrowellenschaltkreis ist ein Josephson-Spannungsnormal für das 10-V-Niveau realisierbar, das bei einer Frequenz von 17 GHz betrieben wird. Die Einkopplung des Biasstromes und die Auskopplung der hochpräzisen Josephson-Spannung erfolgt in üblicher Weise über die Bondpads 8 und über die Mikrowellenfilter 9, die im Beispiel als (λ/4)- Stubfilter ausgeführt sind, wie das in Fig. 4 dargestellt ist. Vorteilhafterweise werden die Mikrowellenfilter 9 mit den Bondpads 8 nahe am Eingang der Transmissionsleitung 5 an diese kontaktiert, um störende Einflüsse auf die Transmissionsleitung 5 zu vermeiden.

Die anhand der Fig. 1 bis 4 erläuterten Mikrowellenschaltkreise sind nicht nur auf den Einsatz in Josephson-Spannungsnonnal-Einrichtungen beschränkt. Vielmehr können sie auch in bekannter Weise für hochpräzise Potentiometer-Einrichtungen verwendet werden. Hierbei läßt sich durch Variation der von einer Mikrowellenquelle gelieferten Leistung eine entsprechende Variation der an den Bondpads 8 abzugreifenden Josephson-Gesamtspannung erzeugen, bzw. können durch einen zusätzlichen Abgriff beliebige Spannungsverhältnisse hochgenau dargestellt werden.

Bezugszeichenliste

1

Substrat

2

Exponentialtaper

3

Transformationsleitungen

4

kapazitive Koppelspalte

5

Transmissionsleitung

6

zusätzliche Mikrostreifenleiter

7

innere Mikrostreifenleiter der Leitung

5

7'

äußere Mikrostreifenleiter der Leitung

5

70

Josephson-Elemente

8

Bondpads

9

Mikrowellenfilter
l_Tr

Länge der Transformationsleitungen

3

w_Tr

Breite der Transformationsleitungen

3

Claims

1. Mikrowellenschaltkreis in Mikrostreifenleitertechnik, der als Zweitor mit einem Eingang und einem Ausgang ausgebildet ist und eine mit Josephson-Elementen besetzte Transmissionsleitung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig der Transmissionsleitung (5) kapazitive Koppelspalte (4) und diesen nachgeordnet Transformationsleitungen (3) derart vorgesehen sind, daß die Länge (l_Tr) der Transformationsleitungen (3) in einem Bereich in der Größenordnung von λ/4 < l_Tr < λ/2, mit λ als der sich auf der Transformationsleitung (3) bei einer vorgebbaren Betriebsfrequenz f_B ausbildenden Mikrowellenlänge, und die Breite der kapazitiven Koppelspalte (4) mit der Maßgabe festgelegt sind, daß an den Enden der Transmissionsleitung (5) eine reflexionsfreie Ein- bzw. Auskopplung der Mikrowelle erfolgt.

2. Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenein- und -auskopplung in die Transformationsleitungen (3) über jeweils einen, ebenfalls durch einen kapazitiven Koppelspalt (4) beabstandeten Exponentialtaper (2) erfolgt.

3. Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Breite der Koppelspalte (4) vorgegebene Koppelkapazität C die Länge l_Tr der Transformationsleitungen (3) entsprechend einer Beziehung
festgelegt ist,
wobei Z_L den Wellenwiderstand der Transformationsleitungen bezeichnet.

4. Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenein- und -auskopplung in die Transformationsleitungen (3) über galvanisch an diese angekoppelte Standardwellenleiter erfolgt.

5. Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenein- und -auskopplung in die Transformationsleitungen (3) über galvanisch an diese angekoppelte zusätzliche Mikrostreifenleiter (6) erfolgt, die ihrerseits mit einem Standardwellenleiter verbunden sind.

6. Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Mikrostreifenleiter (6) als λ/4-Leitungen ausgebildet sind

7. Mikrowellenschaltkreis nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Koppelspalte (4) derart festgelegt ist, daß die daraus resultierende Koppelkapazität C die Bedingung
mit Z₀ als dem Wellenwiderstand der externen Standardwellenleiter, erfüllt, und die Länge l_Tr der Transformationsleitungen (3) entsprechend einer Beziehung
festgelegt ist.

8. Mikrowellenschaltkreis nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionsleitung (5) durch eine Vielzahl gleichstrommäßig in Reihe und mikrowellenmäßig parallel geschalteter Mikrostreifenleiter (7, 7') gebildet ist, wobei ausschließlich die inneren Mikrostreifenleiter (7) mit Josephson- Elementen (70) besetzt sind.

9. Mikrowellenschaltkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der äußeren Mikrostreifenleitern (7') von der Breite der inneren Mikrostreifenleitern (7) abweichend festgelegt ist.

10. Verwendung eines Mikrowellenschaltkreises, ausgebildet nach einem der Ansprüche 5 bis 7 und 8 oder 9 zur Realisierung eines Josephson- Spannungsnormals oder einer Josephson-Potentiometeranordnung, der mit Betriebsfrequenzen von 10 bis 20 GHz betrieben, hochgenaue Josephson-Spannungen bis zu 10 V liefert oder beliebige hochgenaue Spannungsverhältnisse in diskreten Spannungsstufen von 20 bis 40 µV erzeugen läßt.

11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Biasstrom und die Josephson-Spannung über Bondpads (8) und Mikrowellenfilter (9) ein- bzw. ausgekoppelt werden, wobei die Mikrowellenfilter (9) mit den Bondpads (8) nahe am Eingang der Transmissionsleitung (5) an diese kontaktiert sind.