02.12.2020
Der Grundton und die Oberwellen eines kommerziellen Signalgenerators können jetzt mittels quantenbasierter Wechselspannungen, erzeugt mit einem Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer, präzise gemessen werden.
In einer Differenzschaltung wird die synthetisierte Josephson-Wechselspannung so eingestellt, dass nicht nur der Grundton, sondern auch die harmonischen Komponenten des Signalgenerators kompensiert werden. Durch diese Anwendung einer Grundidee in der Metrologie, eines Null-Abgleichs bezogen auf ein bekanntes Normal, werden nichtideale Einflüsse des Spektrum-Analysators nahezu vollständig unterdrückt.
Periodische Wechselspannungen werden durch ihr Frequenzspektrum charakterisiert, welches durch eine Fourier-Analyse ermittelt wird. Das Wechselspannungssignal wird dabei als Summe eines Grundtons mit der Frequenz f, sowie zusätzlicher Oberwellen mit den Frequenzen 2f, 3f, usw. und jeweils unterschiedlichen Phasenwinkeln relativ zum Grundton dargestellt. Ein sogenannter Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) bietet die Möglichkeit, ein nahezu frei programmierbares Frequenzspektrum mit quantengenauen Amplituden der jeweiligen spektralen Signalkomponenten zu generieren (Bild). Der quantenbasierte Josephson-Spektrumanalysator nutzt dieses programmierbare Spektrum, um den Grundton und die Oberwellen des zumessenden Signals abzugleichen.
Das Prinzip wurde zunächst durch die Auslöschung einer JAWS-generierten Sinus-Wechselspannung mit einer zweiten, ebenfalls mittels JAWS erzeugten Wechselspannung überprüft. Erste Messungen bei einer Frequenz von 1 kHz sowie einer effektiven Amplitude von 100 mV zeigten, dass eine Auflösung im Bereich von 1 nV in einer Messzeit von nur etwa 45 Sekunden erreicht werden konnte [1]. Die gesamten Vorbereitungen für diese schnelle Charakterisierung erfolgten innerhalb von nur 30 Minuten.
Nun wurde dieses Verfahren auf Messungen an einem kommerziellen Signalgenerator übertragen. In diesem Fall ist die Auflösung durch die Amplitudenstabilität des Generators beschränkt. Der Grundton konnte bis auf eine Restamplitude von -106 dB bezogen auf die 100 mV Sinuswelle ausgelöscht werden. Die benötigte Messzeit betrug dabei nur 10 Sekunden [2]. In einer zweiten Iteration wurde dann die größte Oberwelle bei 3f ausgelöscht, d.h. unterhalb des Rauschniveaus von -150 dB des Grundtons gedrückt.
Mit dem neuen Verfahren sind schnelle Messungen mit hoher Auflösung zur Charakterisierung kommerzieller Signalgeneratoren möglich.
Bild: Frequenzspektrum des JAWS, der eine 100 mV Sinuswelle bei 950 Hz erzeugt.
Veröffentlichungen:
[1] Luis Palafox, Ralf Behr, Jonas Herick, Oliver Kieler, and Marco Schubert, “Josephson based spectrum analysis,” Conference Conf. Digest CPEM 2018, Paris, France, 2018.
[2] Luis Palafox, Jonas Herick, Stephan Bauer, Marco Kraus, Oliver Kieler and Ralf Behr, “Applications of the Josephson based spectrum analyzer,” Conference Conf. Digest CPEM 2020, Denver, USA, 2020.