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Weiterentwicklung von Leistungsteilern für pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormale

04.12.2019

Zur Optimierung des in der PTB vorhandenen pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormals (JAWS) wurden breitbandige On-Chip-Leistungsteiler weiterentwickelt, die eine optimale Übertragung der elektrischen Anregungspulse in parallele JAWS-Schaltungen ermöglichen. Mit Hilfe des Leistungsteilers sollen die Ausgangsspannung des JAWS-Systems erhöht werden und die Anzahl von Hochfrequenzkabeln, die zur gekühlten JAWS-Schaltung geführt werden müssen, verringert werden.

 

 

In den pulsgetriebenen Josephson-Wechselspannungsnormalen (JAWS: Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer) werden Reihenschaltungen von SNS-Josephson-Kontakten (S: Supraleiter; N: Normalleiter) durch eine sehr schnelle Abfolge kurzer Strompulse betrieben. Diese pulsgetriebenen Reihenschaltungen ermöglichen die Synthese von spektral reinen Wechselspannungen in einem breiten Frequenzbereich von einigen Hertz bis hinauf in den Megahertz-Bereich.

Um die Zahl von Josephson-Kontakten, die mit einem Kanal des Pulsgenerators betrieben werden können, und damit die Ausgangsspannung der Schaltung zu erhöhen, werden an der PTB zwei verschiedene Arten von breitbandigen On-Chip-Leistungsteilern untersucht.

Der erste Typ von Leistungsteiler ist ein zweistufiger Serien-Parallel-Leistungsteiler, der auf einem Vorschlag des AIST (Japan) für programmierbare Spannungsnormale beruht [H. Yamamori et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 26(8), 2016, 1400404]. Basierend auf diesem Konzept wurden an der PTB neue On-Chip-Layouts für Leistungsteiler entwickelt, die in die Reihenschaltungen von Josephson-Kontakten integriert werden können. Der zweite Typ ist ein einstufiger Wilkinson-Leistungsteiler, wie er in JAWS-Schaltungen vom NIST (USA) eingesetzt wird [N. Flowers-Jacobs et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 26(6), 2016, 1400207]. In der PTB wird eine andere Variante dieses Teilers entwickelt, der einen Viertelwellenresonator beinhaltet. Diese Variante liefert bereits sehr vielversprechende Ergebnisse. Verschiedene Varianten der Leistungsteiler wurden mit der Software CST-Microwave-Studio simuliert. Die vielversprechendsten Designs wurden in JAWS-Arrays integriert und im Reinraumzentrum der PTB hergestellt. Anschließend wurde die Schaltungen mit den unterschiedlichen Varianten der Leistungsteiler bei tiefen Temperaturen von 4,2 K mit dem 8-Kanal-JAWS-Aufbau der PTB untersucht.

Die Messungen zeigen, dass sich alle Josephson-Kontakte Pulsfrequenzen ≤ 15 GHz einwandfrei betreiben lassen, und dass die Shapiro-Stufen erster Ordnung bei beiden Teilertypen eindeutig ausgebildet werden. Bild 1 zeigt, dass Testchips mit einem zweistufigen Serien-Parallel-Leistungsteiler und 2000 Josephson-Kontakten bis zu einer Taktfrequenz von 13 GHz in einem breiten Betriebsbereich funktionieren. Bild 2 zeigt, dass der einstufige On-Chip-Wilkinson-Leistungsteiler bis zu einer Taktfrequenz von 15 GHz arbeitet. Mit insgesamt 1000 Josephson-Kontakten konnten erfolgreich spektral reine Sinuswellen mit Ausgangsspannungen von 17,55 mV (RMS) synthetisiert werden. Dabei ist der Betriebsbereich noch breiter als beim Serien-Parallel-Leistungsteiler. Aufgrund dieses guten Verhaltens wurden auch Reihenschaltungen mit 3-fach gestapelten Josephson-Kontakten in den Wilkinson-Leistungsteiler integriert. Bild 3 zeigt, dass der JAWS-Chip mit einstufigem Wilkinson-Leistungsteiler und 3000 Kontakten bis zu einer Taktfrequenz von 15 GHz arbeitet. So konnten spektral reine Wellenformen mit Ausgangsspannungen von 32,9 mV (RMS) synthetisiert werden.

 

 

Diagramm Frequenzspektrum des synthetisierten Signals eines Test-Chips

Bild 1: Frequenzspektrum des synthetisierten Signals eines Test-Chips mit Serien-Parallel-Leistungsteiler und insgesamt 2000 Josephson-Kontakten.

 

 

Diagramm Frequenzspektrum des synthetisierten Signals eines Test-Chips

Bild 2: Frequenzspektrum des synthetisierten Signals eines Test-Chips mit Wilkinson-Leistungsteiler und insgesamt 1000 Josephson-Kontakten.

 

 

Diagramm Frequenzspektrum des synthetisierten Signals eines Test-Chips

Bild 3: Frequenzspektrum des synthetisierten Signals eines Test-Chips mit Wilkinson-Leistungsteiler und insgesamt 3000 Josephson-Kontakten.



Basierend auf diesen vielversprechenden Ergebnissen soll beim nächsten Iterationsschritt die Anordnung der Reihenschaltungen von Josephson-Kontakten weiter geändert und optimiert werden, um spektral reine Wellenformen mit noch höheren Ausgangspannungen zu erzeugen.