張 愷，許云鵬，陳秋菊，李 秦，柴熙源，吳叢鳳，唐運蓋

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026）

0 引言

量子計算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式[1]。量子計算機的理論模型是用量子力學(xué)規(guī)律重新詮釋的通用圖靈機[2]。從計算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要大大快于傳統(tǒng)的電子計算機[3-4]。量子計算芯片本身的物理架構(gòu)是多輸入多輸出，在芯片測試過程中，需要幾十甚至上百路高頻微波信號作為輸入[5-6]。量子超導(dǎo)計算芯片的測試需要幾十甚至上百路高頻微波信號輸入，普通微波信號源一般只有1～2 個通道，遠遠不能滿足測試需求；若集成多個信號源以擴展信號通道，不但體積龐大，成本昂貴，信號源的同步控制也是一個難題。

本文針對上述問題，基于功放及功分技術(shù)，提出了對微波信號源的一路輸出進行等功率擴展的方法，設(shè)計了集成了衰減器、功放和功分模塊的信號源等幅擴展裝置。利用微波信號源、頻譜儀、網(wǎng)分等測量儀器搭建實驗平臺，對所設(shè)計信號源擴展裝置的性能開展實驗研究，同時驗證基于功放、功分技術(shù)的微波信號源擴展方法，并對實驗結(jié)果進行了分析。

1 基于功放、功分技術(shù)的微波信號源擴展方法及裝置設(shè)計

1.1 擴展方法

由于功放的特性是將-10 dBm 以下的小信號線性放大20 dB 以上，因此想要將信號源的某一路輸出信號等功率擴展，必須先使用衰減器將原始信號衰減成-10 dBm以下的小信號，然后在功率放大器的線性范圍內(nèi)盡可能低噪聲地放大，再經(jīng)過功率分配器一路到多路分配后，根據(jù)輸出大小選擇合適的衰減器將信號功率衰減到原始信號的大小，才能實現(xiàn)等功率擴展，即整個擴展鏈路的增益為0 dB。上述擴展方法的流程如圖1 所示。這種擴展方法需要特別注意功放的1 dB 壓縮點以及功分的相位穩(wěn)定性，它們分別決定了擴展裝置輸出信號的功率大小及相位穩(wěn)定程度能否滿足量子超導(dǎo)計算芯片測試的需要。

圖1 信號源等功率擴展流程

1.2 擴展裝置設(shè)計

按照圖1 的信號源擴展流程，等功率擴展裝置的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 信號源等功率擴展裝置結(jié)構(gòu)

而實際情況是，信號源的輸出功率一般不會低于0 dBm，最高需要23 dBm，因此擴展裝置需采用1 dB 壓縮點要高于23 dBm 的功放，同時選取相位穩(wěn)定性能優(yōu)良的功分和衰減器。經(jīng)過綜合比較，功放選用美國PE 公司的大功率功放模塊PE15A3506，功分選用國產(chǎn)模塊RS4-W2080-S，衰減器選用瑞貝斯可調(diào)衰減器RBS-70-12.4-6-5W，器件的性能參數(shù)列于表1～表3 中[7-9]。

表1 PE15A3506 性能參數(shù)

表2 RS4W2080-S 性能參數(shù)

表3 RBS-70-12.4-6-5W 性能參數(shù)

2 實驗研究及數(shù)據(jù)分析

2.1 實驗平臺搭建

為了驗證所提出方法的可行性與效果，搭建了實驗平臺。實驗平臺由信號源、擴展裝置、直流穩(wěn)壓電源、頻譜儀及網(wǎng)絡(luò)分析儀組成，各儀器、裝置之間采用同等長度的機械穩(wěn)相電纜線連接。先將擴展裝置上電，再將待擴展信號源接入，由頻譜儀監(jiān)測所設(shè)計擴展裝置4 路輸出通道的信號，驗證這4 路擴展信號與源信號的功率、頻率一致性；再用網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21 模式測試各個擴展通道的相位穩(wěn)定性。

在量子超導(dǎo)計算芯片測試中使用的信號源為羅德施瓦茨SMR20，其輸出頻率為1 GHz～20 GHz，輸出功率范圍為-30 dBm～+20 dBm；頻譜儀選用安捷倫N9020A；網(wǎng)分選用安捷倫E5071C。

2.2 信號源單通道C 波段擴展實驗

實驗將在C 波段（6～8 GHz）對擴展裝置的性能進行測試。首先，將擴展裝置上電，同時對需要擴展的信號源進行設(shè)置。將信號源輸出頻率設(shè)為6 GHz，幅度設(shè)為16.00 dBm，連續(xù)波（CW）模式，頻譜儀測得原始信號的頻譜如圖3 所示。

圖3 待擴展通道的原始信號參數(shù)及頻譜

接著使用頻譜儀測試擴展裝置的5 路輸出信號的頻譜，如圖4 所示。

圖4 4 路擴展通道輸出信號的頻譜

重復(fù)上述實驗步驟，對C 波段6 GHz、7 GHz、8 GHz 3 個頻點進行擴展信號中心頻率及功率的測試，結(jié)果列于表4 中。

表4 各路擴展通道輸出信號的幅度（dBm）

由于功放的頻率響應(yīng)在6 GHz、7 GHz、8 GHz 處略有不同，因此擴展裝置4 個通道的輸出有所變化。但在同一頻率點，4 路擴展信號的中心頻率、功率與源信號保持高度一致。

接著，再使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量4 路擴展通道的相位一致性，掃描范圍為6～8 GHz，掃描步進為3 kHz，如圖5所示。將6 GHz、7 GHz、8 GHz 作為標記點，每隔1 h 記錄4 個通道的相位，每個頻點記錄15 h 的數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)列于表5 中。

表5 擴展通道的信號相位 （°）

圖5 使用網(wǎng)分測量4 路擴展通道輸出信號的相位

對上述相位數(shù)據(jù)做標準差，該標準差體現(xiàn)的是每個通道在不同頻率點的相位穩(wěn)定性，實驗結(jié)果見表6。

表6 擴展通道輸出信號相位的長時間穩(wěn)定性（°）

綜合上述實驗結(jié)果，可見所設(shè)計的擴展裝置在C 波段能對信號源有效地進行信號的等功率擴展，4 路擴展信號在功率、頻率上與原信號高度一致，而且每路擴展信號的相位穩(wěn)定性好，相位長期漂移控制在±1°以內(nèi)，滿足了量子超導(dǎo)計算芯片測試的要求。

3 結(jié)論

本文基于功放及功分技術(shù)，提出了對微波信號源的一路輸出進行等功率擴展的方法，設(shè)計了集成了衰減器、功放和功分模塊的信號源等幅擴展裝置。利用微波信號源、頻譜儀、網(wǎng)分等測量儀器搭建實驗平臺，對所設(shè)計信號源擴展裝置的性能開展實驗研究，同時驗證基于功放、功分技術(shù)的微波信號源擴展方法。實驗結(jié)果表明，所提出的方法能保證所擴展信號的中心頻率、功率與源信號高度一致，各擴展通道的信號相位能夠保持長時間穩(wěn)定，滿足了量子超導(dǎo)計算芯片測試的需求。