張博 賀青 楊欣達(dá) 歐陽(yáng)鵬輝 王軼文 韋聯(lián)福3)?

1) (西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 信息量子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031)

2) (西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 量子光電實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031)

3) (東華大學(xué)理學(xué)院, 光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620)

功分器是將信號(hào)按照一定比例進(jìn)行功率分配的微波器件, 廣泛應(yīng)用于微波電路.鑒于超導(dǎo)功分器是超導(dǎo)量子計(jì)算電路和超導(dǎo)微波光子探測(cè)器的重要器件單元, 本文首先采用奇偶模方法分析三端口微波網(wǎng)絡(luò)傳輸特性以獲取無(wú)隔離電阻功分器的參數(shù), 其次通過(guò)商用電磁仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)了中心頻率為5 GHz、功分比為等分的共面波導(dǎo)型超導(dǎo)微波功分器.然后利用微加工技術(shù)在硅基上制備了該原型器件, 并在極低溫平臺(tái)對(duì)其功分特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試.結(jié)果表明, 所制備的功分器在5—5.5 GHz頻段內(nèi)的功分參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)一致.因此, 本文工作可推廣應(yīng)用于超導(dǎo)微波電路中其他無(wú)源器件的設(shè)計(jì)和制備.

1 引 言

共面波導(dǎo)型超導(dǎo)微波功分器是一種典型的微波無(wú)源器件[1], 近年來(lái)它在微波光子計(jì)數(shù)、弱光探測(cè)、超導(dǎo)量子計(jì)算和射電天文等研究中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[2-8].例如, 文獻(xiàn)[2]提出了利用超導(dǎo)功分器實(shí)現(xiàn)微波單光子分束來(lái)實(shí)現(xiàn)基于約瑟夫森結(jié)的微波單光子探測(cè); 文獻(xiàn)[9-12]設(shè)計(jì)了應(yīng)用于弱光探測(cè)的微波動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器以及分析了超導(dǎo)微波器件在探測(cè)陣列中的應(yīng)用; 文獻(xiàn)[13,14]分別設(shè)計(jì)了具有寬帶共模抑制性能的新型單端平衡功分器與小型化功分器; 文獻(xiàn)[15] 指出, 利用耦合線型濾波器所設(shè)計(jì)的高隔離率的功分器可有效提高非等分威爾金森(Wilkinson)功分器隔離度.但是,設(shè)計(jì)并制備出適用于各種超導(dǎo)量子計(jì)算電路和超導(dǎo)微波光子探測(cè)器應(yīng)用的超導(dǎo)功分器仍是一個(gè)急需解決的問(wèn)題.本文應(yīng)用文獻(xiàn)[16,17]中所報(bào)道的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)估計(jì)方法, 設(shè)計(jì)了中心頻率為5 GHz、功分比為等分的超導(dǎo)微波功分器, 并利用電磁仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)器件的微波傳輸特性進(jìn)行了仿真.進(jìn)而, 利用微加工技術(shù)制備了鋁金屬膜的三端口共面波導(dǎo)型微波功分器.由于鋁金屬的超導(dǎo)臨界溫度為1.2 K, 所以在低于此溫度的環(huán)境下,該功分器就是一款超導(dǎo)微波功分器.在工作溫度為20 mK 的極低溫稀釋制冷機(jī)環(huán)境下, 對(duì)該器件的微波傳輸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試.結(jié)果表明, 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)和仿真的功分特性符合得很好.

2 共面波導(dǎo)型微波功分器設(shè)計(jì)和仿真

共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一般是由襯底基板、接地板以及中心導(dǎo)體構(gòu)成, 如圖1所示.圖中 S (S=2a) 為共面波導(dǎo)中心導(dǎo)體寬度, W為中心導(dǎo)體到接地板寬度,2b(2b=2W+S=2W+2a)為接地板間隔, t 為金屬層厚度, h為襯底基板厚度, εoεr為襯底基板介電常數(shù).

圖1 共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[18]Fig.1.Coplanar waveguide structure[18].

共面波導(dǎo)特征阻抗按公式[18]

計(jì)算.式中, εeff=CCPW/Cair=(εr+1)/2 為有效介電常數(shù), CCPW=C1+Cair為共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的總電容, C1=2ε0(ε1-1)K(k)/K(k′) 為介電層部分電容, Cair=4ε0K(k)/K(k′) 為除介電層外的部分電容,為波導(dǎo)中電磁波傳輸?shù)南嗨俣? c為真空中光速.此外,為第一類完全橢圓積分定義的橢圓函數(shù), 它是滿足K′(k)=K(k′),K′(k′)=K(k)關(guān)系的雙周期亞純函數(shù).參量

由共面波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)確定.

本文的功分器是按照?qǐng)D2所示的威爾金森功分器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì), 其微波傳輸特性可通過(guò)奇偶模方法進(jìn)行分析.威爾金森功分器特點(diǎn)是當(dāng)輸出端口2與端口3匹配時(shí), 具有無(wú)耗特性.通過(guò)輸出端口2與3之間的隔離電阻耗散掉反射功率, 實(shí)現(xiàn)端口2與端口3的隔離.為簡(jiǎn)化分析, 我們假定歸一化參量威爾金森功分器的端口1、端口2與端口3的歸一化特征阻抗為1, 四分之一波長(zhǎng)傳輸線的歸一化特征阻抗為隔離電阻的歸一化阻值R為2.

奇偶模方法是在功分器的輸出端口用對(duì)稱與反對(duì)稱激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)來(lái)分析器件的微波傳輸特性.其中, 偶模激勵(lì)信號(hào)為 Vg2=Vg3=2V0, 奇模激勵(lì)信號(hào)為 Vg2=-Vg3=2V0, 因此有效激勵(lì)為Vg2=4V0,Vg3=0.當(dāng)偶模信號(hào)激勵(lì)時(shí), 端口2與端口3對(duì)稱, 這時(shí)圖2中的A與B點(diǎn)處于開(kāi)路狀態(tài).因此, 對(duì)端口2而言, 輸入阻抗, 端口2電壓為, 端口1電壓為當(dāng)奇模信號(hào)激勵(lì)時(shí), 端口2與端口3激勵(lì)相反, 這時(shí)圖2中的A與B處于短路(零電位)狀態(tài).相應(yīng)地, 對(duì)端口2而言, 輸入阻抗=R/2=1 , 端口2電壓仍為但端口1電壓則為=0.所以, 三端口威爾金森功分器的散射矩陣可表示為

圖2 歸一化參量的威爾金森功分器[19]Fig.2.Wilkinson power divider with the normalized parameters[19].

本文的目的是, 在介電常數(shù) εr=11.9 的高阻硅襯底基板上制備中心頻率 fc=5 GHz的微波功分器.假定襯底基板厚度為 h =500 μm、金屬層厚度為 t =120 nm, 則基于以上的模型分析, 可以合適地設(shè)計(jì)中心導(dǎo)體寬度S、中心導(dǎo)體到接地板間距W、以及接地板間隔 2b.我們采用特征阻抗應(yīng)為70.7 Ω的四分之一波長(zhǎng)傳輸線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配.此外, 為方便設(shè)計(jì)微波功分器測(cè)試焊點(diǎn), 將共面波導(dǎo)的接地板間隔 2b 設(shè)計(jì)為相同數(shù)值, 即皆為50 μm.這樣, 通過(guò)改變中心導(dǎo)體寬度S的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)共面波導(dǎo)阻抗的相應(yīng)變化.根據(jù)(1)式和(2)式,表1列出了該微波功分器的結(jié)構(gòu)參數(shù), 即: 模數(shù)k=a/b、中心導(dǎo)體寬度S和中心導(dǎo)體到接地板之間的間距W等的設(shè)計(jì)值.

表1 共面波導(dǎo)型微波功分器的參數(shù)設(shè)計(jì)值Table 1.Parameters of the designed coplanar waveguide microwave power divider.

根據(jù)角頻率為 ω 、波矢為 β 、波長(zhǎng)為 λg的電磁波傳輸?shù)南嗨俣裙?/p>

可知, 實(shí)現(xiàn)以上所述的阻抗匹配的四分之一波長(zhǎng)傳輸線的長(zhǎng)度 l =λg/4 應(yīng)為由高阻硅襯底基板的介電常數(shù)值可得εeff=(εr+1)/2=6.45 , 所以對(duì)工作中心頻率 fc為5 GHz的微波功分器實(shí)現(xiàn)所需阻抗匹配的四分之一波長(zhǎng)傳輸線的長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)為: l =λg/4≈5.906 mm.

根據(jù)以上參數(shù), 設(shè)計(jì)了如圖3所示的微波功分器, 其尺寸為18 mm × 12 mm.圖3中白色為金屬鋁膜, 綠色為空隙.圖中方框A為點(diǎn)焊區(qū)域, 總長(zhǎng)度為2500 μm; 方框B依次為3200 μm的50 Ω?jìng)鬏斁€與用于連接50 Ω?jìng)鬏斁€到70.7 Ω?jìng)鬏斁€的800 μm漸變線; 方框C是兩段特征阻抗為70.7 Ω、半徑為1500 μm的 9 0°圓弧; 方框D依次為2050 μm的70.7 Ω?jìng)鬏斁€、800 μm的漸變線以及3150 μm的50 Ω?jìng)鬏斁€.

利用電磁仿真軟件, 建立了功分器參數(shù)化模型、設(shè)置合適的邊界和激勵(lì)條件, 進(jìn)而對(duì)所設(shè)計(jì)的共面波導(dǎo)型功分器的微波傳輸特性進(jìn)行了仿真, 獲得了其S參數(shù)、插入損耗、回波損耗和工作帶寬等參數(shù).如圖4所示, 當(dāng)頻率范圍為4.75—5.25 GHz時(shí), 功分器的 S11參數(shù)值小于—30 dB, S21參數(shù)值大于—3.096 dB.仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求.

圖4 中心頻率為5 GHz的微波功分器仿真結(jié)果Fig.4.Simulation results of the designed microwave power divider whose center frequency at 5 GHz.

為器件測(cè)試的需要, 還設(shè)計(jì)了連接測(cè)試樣品與SMA接頭的高頻傳輸線(PCB板), 如圖5所示.仿真結(jié)果表明, 對(duì)信號(hào)頻率為4—6 GHz的微波信號(hào), 單進(jìn)單出的高頻傳輸線的 S21大于—0.1 dB(圖5(a)); 兩進(jìn)兩出的高頻傳輸線的 S21大于—0.145 dB.插入損耗符合測(cè)試要求(圖5(b)), 圖中尺寸標(biāo)注的單位為mm.

圖5 (a)用于連接的單端口高頻傳輸線設(shè)計(jì)(單位: mm);(b)用于連接的兩端口高頻傳輸線設(shè)計(jì)(單位: mm)Fig.5.(a) Designed single-port high-frequency transmission line for connection (unit: mm); (b) the designed twoport high-frequency transmission line for connection (unit:mm).

3 共面波導(dǎo)型超導(dǎo)微波功分器制備和測(cè)試

基于以上的理論分析、設(shè)計(jì)和仿真, 完成了器件的制備及極低溫下的微波傳輸特性測(cè)試.

3.1 共面波導(dǎo)型超導(dǎo)微波功分器制備

器件的微加工工藝采用兩英寸高阻硅片, 按以上功分器的設(shè)計(jì)尺寸首先設(shè)計(jì)了3個(gè)相同的功分器的掩膜版CAD圖形, 其中心頻率為5 GHz.掩膜版是在玻璃上制備相應(yīng)圖案的鉻膜, 一般掩膜版比所使用的的硅片尺寸大一寸, 其三英寸掩膜版最小線寬精度為5 μm.

本文中的微波功分器采用單層結(jié)構(gòu)微加工工藝進(jìn)行制備, 流程如圖6所示.制備步驟主要包含清洗硅片、磁控濺射鍍膜、凃光刻膠、紫外線曝光、顯影、刻蝕以及去除光刻膠等.磁控濺射鍍膜厚度為120 nm左右, 鍍膜硅片電阻為2—4 Ω; 紫外線曝光時(shí)間為3 s; 刻蝕是非常關(guān)鍵的步驟, 需要邊觀察邊刻蝕, 未刻蝕完全以及過(guò)分刻蝕都會(huì)導(dǎo)致微波器件阻抗不匹配問(wèn)題.

圖6 制備流程圖Fig.6.Flow chart of microfabrication.

3.2 共面波導(dǎo)型超導(dǎo)微波功分器測(cè)試

圖7 為所制備的功分器器件與測(cè)試用的高頻傳輸線的連接實(shí)物圖.左端為微波出入端口, 右端為兩個(gè)輸出端口.

圖7 超導(dǎo)微波功分器實(shí)物圖, 器件尺寸為18 mm ×12 mmFig.7.Fabricated superconducting microwave power divider.Its size is 18 mm × 12 mm.

測(cè)量線路如圖8所示, 主要包含矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率放大器、低溫低噪聲放大器、隔離器、衰減器.微波器件性能指標(biāo)主要是回波損耗、插入損耗和駐波比等.它們與S參數(shù)的關(guān)系為

圖8 測(cè)量線路, 其中DUT (device under test)表示測(cè)試樣品, Attenuator為衰減器, LNA為低溫低噪聲放大器,Amplifier為功率放大器, VNA為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀, PC為計(jì)算機(jī)[20]Fig.8.Measuring system.Here, DUT (device under test)means the tested sample, Attenuator is used to attenuated the measurement signals, LNA is low-temperature low-noise amplifier, Amplifier is for power amplification, VNA is the vector network analyzer, and PC is the computer[20].

器件的測(cè)試是放置在稀釋制冷機(jī)中溫度為20 mK的MC (mixing chamber)盤(pán)上進(jìn)行的.這個(gè)溫度遠(yuǎn)低于鋁鍍層1.2 K左右的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,所以該微波功分器實(shí)際上就是一種超導(dǎo)功分器.受稀釋制冷機(jī)的制冷功率影響, 為保證測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度和噪聲系數(shù)等的要求.在溫度為3 K的盤(pán)處測(cè)量信號(hào)輸入側(cè)采用低溫同軸衰減器衰減輸入信號(hào), 測(cè)量信號(hào)輸出側(cè)采用低溫低噪聲放大器放大輸出信號(hào).由此, 實(shí)現(xiàn)了噪聲的有效抑制, 并使測(cè)量系統(tǒng)獲得合適的增益.表2是本射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)噪聲系數(shù)(NF)和增益指標(biāo)(Gain)分析結(jié)果.測(cè)量過(guò)程中, 信號(hào)流向?yàn)槭噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀端口1發(fā)出—60 dBm 的信號(hào), 經(jīng)過(guò)兩個(gè)—20 dB的低溫同軸衰減器, 到達(dá)超導(dǎo)微波功分器.經(jīng)過(guò)增益為39 dB的低溫低噪聲放大器, 在常溫溫區(qū)再經(jīng)過(guò)增益為26 dB的功率放大器, 到達(dá)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口2.這就完成了超導(dǎo)微波功分器微波傳輸特性的測(cè)量.

表2 4—8 GHz射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)指標(biāo)分析Table 2.Index analysis of the 4—8 GHz RF signal measurement system.

由于所采用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只有兩個(gè)端口,所以本微波功分器的測(cè)試需要進(jìn)行3次測(cè)量, 其中包含1次背景噪聲測(cè)量.測(cè)量 S21(S31) 時(shí), 需要在端口3 (端口2)接50 Ω匹配; 測(cè)量系統(tǒng)增益時(shí), 直接將信號(hào)輸入側(cè)與輸出側(cè)短接.圖9 中所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與表2中所示的射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)增益計(jì)算結(jié)果相符, 均為21 dB左右.這表明測(cè)量系統(tǒng)工作正常.圖9為 S21與 S31測(cè)量的原始數(shù)據(jù), 圖中的黃線表示無(wú)功分器時(shí)測(cè)量系統(tǒng)傳輸特性的原始數(shù)據(jù).

圖9 超導(dǎo)微波功分器微波傳輸特性測(cè)量原始數(shù)據(jù)Fig.9.Measurement data of the superconducting microwave power divider.

將 S21與 S31的原始數(shù)據(jù)減去無(wú)功分器時(shí)測(cè)量系統(tǒng)傳輸特性的原始數(shù)據(jù), 便可得到圖10所示的超導(dǎo)微波功分器 S21與 S31測(cè)試結(jié)果.通過(guò)與圖4所示的仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn), 實(shí)際制備的功分器, 其中心頻率在5.25 GHz左右, 這與設(shè)計(jì)仿真的結(jié)果存在少許差異.主要原因有兩點(diǎn): 第一, 由于微加工工藝的精度有限, 特征阻抗為70.7 Ω的四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配線部分可能刻蝕未完全, 導(dǎo)致阻抗匹配線變短, 頻率變高; 第二, 采用的仿真軟件并不是超導(dǎo)器件的專用軟件, 所以器件仿真設(shè)置的參數(shù)與實(shí)際超導(dǎo)條件下的器件參數(shù)存在差異.

圖10 超導(dǎo)微波功分器的S21與S31測(cè)試結(jié)果Fig.10.Measured S21 and S31 data of the superconducting microwave power divider.

4 結(jié)論與討論

共面波導(dǎo)型超導(dǎo)微波功分器是超導(dǎo)電路的基本組成器件, 在超導(dǎo)量子計(jì)算和微波單光子探測(cè)等精密測(cè)量領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用.本文采用奇偶模方法分析三端口微波網(wǎng)絡(luò)傳輸特性, 獲取無(wú)隔離電阻功分器參數(shù).進(jìn)而通過(guò)仿真軟件設(shè)計(jì)了共面波導(dǎo)超導(dǎo)微波功分器.利用微加工工藝制備了該功分器器件, 并在極低溫條件下對(duì)其微波傳輸特性進(jìn)行測(cè)量.結(jié)果表明, 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)和仿真的預(yù)期功分效果符合得很好.本文工作可推廣應(yīng)用于超導(dǎo)微波電路中其他無(wú)源器件的設(shè)計(jì)和制備.

需要說(shuō)明的是, 在超導(dǎo)微波功分器測(cè)試系統(tǒng)中, 需要進(jìn)行多次衰減導(dǎo)致器件輸入端的輸入信號(hào)過(guò)小.所以, 反射信號(hào)極小, 使得測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量器件的 S11參數(shù).其次, 本文所設(shè)計(jì)的樣品和所使用的樣品盒均符合文獻(xiàn)[21]中的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求, 因此樣品盒本身其對(duì)所測(cè)試的功分器微波傳輸特性的影響是可以忽略, 本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的S21與 S31結(jié)果并不是理論預(yù)計(jì)的—3 dB左右, 主要是由于SMA接頭與高頻傳輸線焊接、高頻傳輸線與功分器樣品點(diǎn)焊、高頻傳輸線與功分器樣品中的不連續(xù)導(dǎo)致阻抗失配而引入的插損導(dǎo)致的.