CC BY
13Научный вестник НГТУ. - 2011. - № 4(45)
УДК 62.3.083.2
Микрополосковые фильтры шпилечного типа для криогенных высокочувствительных систем измерений*
Б.И. ИВАНОВ, Д.Н. КЛИМЕНКО
Разработаны и исследованы новые структуры полосно-пропускающих фильтров СВЧ-диапазона с широкой полосой заграждения, используемые для высокочувствительных измерений, одними из которых являются измерения характеристик состояний трехконтактных сверхпроводниковых квантовых битов, работающих при температурах ниже 50 мК на частотах 1-10 ГГц. Основой предложенных фильтрующих систем является структура, выполненная на встречно включенных полуволновых резонаторах, комбинированная с разомкнутыми на конце плавно-нерегулярными линиями. Приводятся результаты экспериментальных исследований S-матриц разработанного фильтра при температурах 298 К и 77 К на частотах от 9 кГц до 6 ГГц. Экспериментально полученная амплитудно-частотная характеристика фильтрующей структуры показывает эффективность предложенного фильтра в улучшении уровня внеполосного подавления более 40 дБ в широком частотном спектре и способность работать при криогенных температурах.
Ключевые слова: широкополосный фильтр гармоник, нерегулярные линии передачи, детекторы в криогенных температурах, кубит.
ВВЕДЕНИЕ
Современные требования для высокочувствительных систем измерений требуют снижения общего уровня шума в рабочем диапазоне частот. Для этих целей используются чувствительные детекторы, связанные непосредственно с исследуемым образцом и обладающие низким уровнем собственных шумов в измеряемом частотном спектре [1-3]. Соответственно, при проектировании низкошумящих систем измерений повышение чувствительности достигается за счет уменьшения собственного уровня шума детектора до его минимального значения и путем сужения полосы измерения при увеличении внеполосного затухания. Последнее требование можно выполнить в случае использования фильтров с широкой полосой заграждения [4, 8].
В настоящее время в аппаратуре СВЧ-диапазона в основном применяются миниатюрные частотно-избирательные устройства на микрополосковых линиях передачи [5-9]. Микропо-лосковые структуры в виду малых габаритных размеров и конструктивных особенностей являются претендентами для криогенных фильтров. К недостаткам микрополосковых фильтров (МПФ) относят трудности получения высокой крутизны склонов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и большого затухания в полосах заграждения [6]. Одним из возможных путей эффективного подавления нежелательных частот за рабочей полосой пропускания СВЧ-устройств является применение в их составе отрезков нерегулярных линий передачи (НЛП), первичные параметры которых зависят от продольной координаты [7, 8].
Для измерительной установки состояний квантовых систем, выполненных на основе трехконтактных потоковых сверхпроводящих квантовых битов (далее кубит) [9, 10], индуктивно связанных с высокодобротным сверхпроводящим резонатором на основе компланарной линии [10, 12] был разработан полосно-пропускающий микрополосковый фильтр на параллельно связных линиях передачи, комбинированный с нерегулярными линиями. Особенностями данного фильтра являются широкая полоса заграждения, высокая крутизна АЧХ и малые габаритные размеры.
* Получена 10 октября 2011 г.
Частота основной гармоники сверхпроводящего осциллятора, связанного с кубитом, составляет 2,589 ГГц. Центральная частота полосно-пропускающего фильтра (ППФ) рассчитывается из учета данной резонансной частоты и составляет 2,6 ГГц. По результатам расчета фильтра был проведен электромагнитный анализ структуры, который характеризует фильтр с вносимыми потерями 1,5 дБ в полосе пропускания, полосой задерживания на 40 дБ в полосе от 9 кГц до 11 ГГц. Данный фильтр был реализован с использованием материала подложки FR-4. Экспериментальные измерения фильтра выявили уровень внеполосного затухания 40 дБ на частотах от 9 кГц до 6 ГГц, полоса пропускания фильтра составила 100 МГц с затуханием в 5 дБ.
1. СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ КУБИТА СВЯЗАННОГО С СВЧ РЕЗОНАТОРОМ
Сверхпроводящий кубит является квантовой макроскопической системой. Одним из главных требований при постановке экспериментов, связанных со сверхпроводящими кубита-ми, является использование высокоточного измерительного оборудования, способного регистрировать сигналы, превосходящие общий уровень шума системы. Установка для измерений кубитов представляет собой систему, состоящую из СВЧ входных и выходных цепей, цепей смещения кубита по постоянному магнитному потоку и многоуровневой охладительной системы на основе криостата растворения, где охладителями являются изотопы гелия: 4Не и 3Не. Схема измерительной установки представлена на рис. 1. Обеспечение правильных температурных и измерительных режимов является предпосылкой для получения точной информации о состоянии квантовой среды.
Векторный анализатор _цепей_
Ч-II II-н
Рис. 1. Измерительная система состояний кубитов
Непосредственным детектором, индуктивно связанным с кубитом, является высокодобротный сверхпроводящий резонатор, выполненный на основе компланарной линии (рис. 1 -резонатор б). Материал изготовленного проводящего слоя резонатора - ниобий, температура сверхпроводящего перехода которого, 9 К. Добротность такого сверхпроводящего резонатора может достигать до 500000. Потоковый кубит (на рис. 1 обозначен а ) и сверхпроводящий резонатор изготовлены в непосредственной близости друг от друга на одной кремниевой подложке в два технологических цикла.
Резонансная частота является основным компонентом в спектре сигнала, на которой происходит считывание информации о кубите. Управление состояниями кубита осуществляется при помощи постоянного магнитного поля от отдельного источника тока. В цепях постоянного тока целесообразно применять фильтры нижних частот для уменьшения влияния паразитных внеполосных эфирных составляющих, внеполосных помех различных блоков, входящих в измерительную систему, шумов измерительных усилителей. Облучающий кубит СВЧ-сигнал имеет узкий частотный спектр, полоса которого 100 кГц на центральной частоте 2,6 ГГц. Диапазон мощности этого сигнала лежит в пределах -150 ^ -100 dBm или 10-18 ^ 10-12 Вт. Исполь-
зование низкошумящих криогенных усилителей и ограничение создание фильтров измерения способствуют выделению сигнала из уровня шума. Следовательно, создание частотно-избирательных полосовых фильтров для ВЧ-линий в системах измерения квантовых объектов является актуальной задачей на сегодняшний день. Интеграция данного фильтра в измерительную систему состояний кубита представлена на рис. 1. Фильтр является частотно-селективной цепью во входных СВЧ-цепях облучения кубита.
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРА С ШИРОКОЙ ПОЛОСОЙ ЗАГРАЖДЕНИЯ
В основу фильтра была положена структура микрополоскового ППФ шпилечного типа 5 порядка (рис. 2, а). Такой фильтр представляет собой ансамбль включенных полуволновых резонаторов. Для подавления паразитных полос пропускания в полосе задерживания мы заменили последовательные линии передачи Т-образными плавно-нерегулярными линиями, разомкнутыми на концах. Схема замещения показана на рис. 2, б. Т-образные шлейфы, разомкнутые на конце, имеют лучшее ослабление на собственных резонансных частотах и малые вносимые потери в остальном спектре частот. Настройка резонансных частот таких шлейфов на паразитные гармоники фильтра шпилечного типа позволяет обеспечить их подавление. Так как шлейф имеет нерегулярный профиль и позволяет настроить его резонансные частоты так, чтобы достичь максимального подавления паразитных гармоник, то достаточно заменить 3 последовательные линии передачи. После замены, шаблон трансформированного ППФ представлен на рис. 3, а. Эти три разомкнутых на концах плавно-нерегулярных шлейфа добавляют нули передачи в полосу задерживания, что позволяет устранить паразитные гармоники.
б
I
21 , ©1
Рис. 2. а - полосно-пропускающий фильтр шпилечного типа 5 порядка на основе полуволновых резонаторов; б - схема замещения последовательной линии передачи Т-образной плавно-нерегулярной разомкнутой на конце
2
I , ©1
Дт)2 , © 2
2 ! , ©1
а
1)ИПМ[Г
Рис. 3. а - шаблон полосно-пропускающего фильтра шпилечного типа с разомкнутыми на конце плавно-нерегулярными линиями; б - реализация ППФ шпилечного типа с плавно-нерегулярными линиями
Рис. 4. Сравнительная АЧХ полосно-пропускающих фильтров в спектре до 6 ГГц
а
Расчетная АЧХ полосно-пропускающих фильтров шпилечного типа с плавно-нерегулярными линиями и без них представлены на рис. 4. Моделирование таких фильтров подтвердило, что структура с плавно-нерегулярными линиями передачи обеспечивает затухание паразитных полос пропускания по уровню 40 дБ в широком частотном спектре.
Реализация такого фильтра была выполнена на двухсторонне металлизированной подложке материала FR-4 толщиной 500 мкм с диэлектрической проницаемостью е = 4,6 . Толщина медной пленки составляет 35 мкм. Размеры фильтра - 5,4х3,3х1,5 мм (длина, ширина, высота). Входные и выходные цепи фильтра согласованы на 50 Ом и подключены через разъемы ЗМА. Реализация фильтра представлена на рис. 3, б.
3. СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
Для полной характеристики микрополоскового фильтра шпилечного типа, комбинированного с плавно-нерегулярными линиями, были произведены измерения S-матриц при комнатной температуре и температуре кипения жидкого азота (77 К). Схемы измерений представлены на рис. 5, а и 5, б, соответственно. Измерительной системой является векторный анализатор цепей (В.А.Ц.) компании, позволяющий одновременно производить измерения $-матрицы в полосе от 9 кГц до 6 ГГц в различных режимах мощности, согласованный с 50 омным волновым сопротивлением. Для подключения исследуемого фильтра к анализатору цепей использовались 50-омные гибкие коаксиальные кабели малых омических потерь общей длиной 1 м. Далее производилась калибровка измерительной системы с учетом этой длины линий передачи.
I
б
Рис. 5. Схема измерений характеристик полосно-пропускающего фильтра шпилечного типа при а - комнатной и б - криогенной температурах:
1 - фильтр на подложке, 2 - 50-омные соединяющие разъемы 8МА, 3, а - гибкий 50-омный коаксиальный кабель, 3, б - интегрированный 50-омный коаксиальный кабель в измерительную штангу
В случае измерения образца при температуре кипения жидкого азота, использовалась измерительная штанга со встроенными медными коаксиальными полугибкими кабелями общей длиной 2,6 м, которая помещалась в сосуд Дьюара с жидким азотом. В обоих случаях мощность сигнала, на которой происходили измерения и калибровка, составляет - 40 dBm (0,1 мкВт).
S-матрица, измеренная в диапазоне частот от 9 кГц до 6 ГГц при комнатной температуре, представлена на рис. 6. Справа - характеристика в диапазоне частот 2-3 ГГц. Потери в полосе составляют 16 дБ и обусловливаются низкой добротностью резонаторов, связанной с потерями в диэлектрике. Тангенс диэлектрических потерь для данной подложки при комнатной температуре составляет 0.02. Непрямоугольность АЧХ фильтра также связана с диссипацией элект-
2G 3G 4G
Frequency(Hz)
Рис. 6. Экспериментально полученные S-параметры полосно-про-пускающего фильтра шпилечного типа при комнатной температуре
ромагнитной энергии в диэлектрике. Решением данной проблемы может быть использование материалов подложки с меньшим тангенсом диэлектрических потерь.
Другим решением для уменьшения потерь в диэлектрике является охлаждение фильтрующей структуры до криогенных температур, что приводит к компенсации омические потери в проводящем металле.
Были произведены измерения ППФ шпилечного типа с плавно-нерегулярными линиями при температуре 77 К. Передаточная характеристика такого фильтра представлена на рис. 7, а и б, соответственно.
-Е4.7 77К
J U J ^ «Ч/уД / f Л^^ч.
м f /V W
г II1
0,0 700,ОМ 1.4G 2,1 G 2,8G 3,5G 4,2G 4,9G 5,6G 6,3G Frequency (Hz)
а
— E4. 7_77K
r \
/ \
/ \ \
\
i i i i
2,52G 2,54G 2,56G 2,58G 2,60G 2,63G 2,65G 2,67G 2,69G Frequency (Hz)
б
Рис. 7. Экспериментально полученные S-параметры полосно-пропускающего фильтра шпилечного типа комбинированного с плавно-нерегулярными линиями при 77 К
Измерения показали характеристику с прямыми потерями в полосе 5 дБ. Коэффициент прямоугольности фильтра возрос и стал равен 2 по уровню 30 дБ. Возросло внеполосное затухание на частотах 5-6 ГГц до уровня 40 дБ. Улучшение технологии травления, использование материалов с лучшими характеристиками подложки повысило характеристики фильтров.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представлен новый полосно-пропускающий фильтр шпилечного типа, содержащий плавно-нерегулярные линии передачи с высоким коэффициентом внеполосного подавления. Основу фильтра составляет стуктура, выполненная на встречно включенных полуволновых
резонаторах, комбинированная с разомкнутыми на конце плавно-нерегулярными линиями. Экспериментальные измерения фильтра подтвердили, что данная комбинированная структура обеспечивает полосу пропускания 117 МГц на центральной частоте 2,6 ГГц, имеет внеполос-ное затухание в спектре от 9 кГц до 6 ГГц по уровню 40 дБ, внутриполосное затухание по уровню 5 дБ, коэффициент прямоугольности 2 по уровню 30 дБ. Приводятся результаты экспериментальных исследований S-матриц фильтров при температурах 298 К и 77 К на частотах от 9 кГц до 6 ГГц. Одним из направлений использования данных фильтрующих структур является частотная селекция во входных СВЧ-цепях измерения характеристик состояний трехконтактных кубитов, работающих при температурах ниже 50 мК на частотах 1-10 ГГц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Oukhanski N.,. Grajcar M, Il'ichev E., Meyer H.-G. Low noise, low power consumption high electron mobility transistors amplifier, for temperatures below 1 K. Review of Scientific Instruments 74, 1145 (2003).
[2] Kiviranta M. Use of SiGe bipolar transistors for cryogenic readout of SQUIDs. Supercond. Sci. Technol. 19, 1297
(2006).
[3] Oukhanski N.,Stolz R., Meyer H.-G. High slew rate, ultra stable direct-coupled readout for dc superconducting quantum interference devices. Applied Physics Letters 89, 063502 (2006).
[4] Иванов Б.И. Фильтры гармоник для систем измерения характеристик сверхпроводниковых квантовых битов / Научный вестник НГТУ, 2010. - № 2(39).
[5] Алексеев Л.В., Знаменский А.Е., Лоткова Е.Д. Электрические фильтры метрового и дециметрового диапазонов. - М.: Связь, 1976.
[6] Ильченко М.Е., Захаров А.В., Карякин Е.Е Расширение полосы заграждения фильтров с резонаторами последовательного типа / Изв. вузов СССР. Сер. «Радиоэлектроника». - Т. 27. - № 5, 1984.
[7] Литвиненко О.Н., Сошников В.И. Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике. - М.: Сов. Радио, 1964. - 535 с.
[8] Клименко Д.Н., Плавский Л.Г. Особенности проектирования фильтров с широкими полосами заграждения. Современные проблемы технических наук / под ред. Л.А. Федотова. - М. : Сибстрин, 2006.
[9] Clarke J., Frank K. Wilhelm. Superconducting quantum bits. Nature Volume 453, 19 June 2008.
[10] Mooij J.E. Josephson Persistent-Current Qubit. Science Volume 285, 1036.
[11] Macha P., S.H.W. van der Ploeg, Oelsner G., Il'ichev E., Meyer H.-G., Wuensch S., Siegel M. Losses in co-planar waveguide resonators at millikelvin temperatures. Applied Physics Letters 96, 062503 (2010).
[12] Oelsner G., S. H.W. van der Ploeg, Macha P., Hübner U., Born D., Il'ichev E., Meyer H.-G., Grajcar M., Wünsch S., Siegel M., Omelyanchouk A.N., Astafiev O. Weak continuous monitoring of a flux qubit using coplanar waveguide resonator. Phys. Rev. B 81, 172505 (2010).
Иванов Борис Игоревич, аспирант кафедры конструирования и технологии радиоэлектронных средств Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований -измерительные электронные устройства для систем детектирования слабых сигналов на фоне шумов. Автор имеет 4 печатных труда. E-mail: boris_ivanov@ngs.ru
Клименко Денис Николаевич, магистр техники и технологии, научный сотрудник Сибирского физико-технологического института Российской сельскохозяйственной академии. Основное направление научных исследований - фильтрующие устройства с широкими полосами заграждения на плавно-нерегулярных линиях передачи. E-mail: angryn@mail.ru
B.I. Ivanov, D.N. Klimenko
Microstrip hair-pin filters for high frequency sensitive measurement systems
We have studied and analyzed the new structures of band-pass filters for microwave frequency range 9 kHz -6 GHz. These filters can be used as a part of superconducting quantum bit measurement equipment. The filter operation temperature is 4.2 K. Unlike other types of filters the suggested structures have broad suppressed frequency band with more than 40 dB attenuation, significantly small dimensions and opportunity to operate at low temperatures. The main idea of the filter structure is to use band-pass hair pin filter in a combination with non-regular transmission lines. The measurements were performed at 298 K and 77.4 K in 9 kHz - 6 GHz frequency range. The filters dissipations in a pass band (from 2.55 GHz to 2.667 GHz) are 5 dB. The stop band attenuation (9 kHz - 6 GHz) is more than 40 dB. The results of the experiments confirm the lack of parasitic pass bands at higher frequency range. All experiments were performed in the laboratory of the quantum detection at Institute of the Photonic Technology (IPHT, Jena, Germany).
Key words: fatigue cracks, fracture growth duration, airframe, residual strength, stress state, finite element method.
