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Untersuchung von modifizierten HF-Leistungsteilern für das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal

04.12.2020

Verschiedene Versionen breitbandiger On-Chip-Leistungsteiler basierend auf dem Konzept der Wilkinson-Teiler wurden entwickelt und untersucht, um das von der PTB entwickelte pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormal (JAWS) zu optimieren und den experimentellen Aufbau zu vereinfachen. Ziel dieser Entwicklung ist es, die Bandbreite der Leistungsteiler zu erhöhen und damit eine größere Anzahl paralleler Arrays von Josephson-Kontakten betreiben zu können.

 

In 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 Schaltungen werden als Quantennormale für Wechselspannungen eingesetzt und ermöglichen die Synthese von spektral reinen Wellenformen in einem breiten Frequenzbereich von einigen Hertz bis in den Megahertz-Bereich. Ein wichtiges Ziel aktueller Entwicklungen ist es, die Ausgangsspannung dieser Systeme zu erhöhen. Dies erfordert, die Zahl der Josephson-Kontakte zu vergrößern, die mit jeweils einem Kanal eines Pulsgenerators betrieben werden können. Hierzu werden an der PTB verschiedene Arten breitbandiger On-Chip-Leistungsteiler entwickelt und untersucht.

Zunächst wurde ein einstufiger Wilkinson-Leistungsteiler mit einem Viertelwellenresonator (siehe Veröffentlichung) entwickelt und erfolgreich in JAWS-Schaltungen integriert. Um die Bandbreite dieses Teilers zu vergrößern wurde ein einstufiger Wilkinson-Leistungsteiler mit mehreren Sektionen, beispielsweise mit drei Sektionen, entworfen. Außerdem wurde ein zweistufiger Wilkinson-Teiler mit einem Viertelwellenresonator untersucht, der auf dem einstufigen Wilkinson-Leistungsteiler basiert. Mit diesem Design lassen sich mit einem einzelnen Kanal des Hochfrequenz-Pulsgenerators vier parallele Ketten von Josephson-Kontakten betreiben. Verschiedene Designs der Leistungsteiler wurden mittels Software simuliert und evaluiert. Die auf den vielversprechendsten Designs beruhenden Leistungsteilerschaltungen wurden in Reihenschaltungen mit dreifach gestapelten Josephson-Kontakten integriert und im Reinraumzentrum der PTB hergestellt.

Die Schaltungen wurden bei tiefen Temperaturen von 4,2 K mit dem 8-Kanal-JAWS-Aufbau der PTB untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass sich die Josephson-Kontakte bei Pulsfrequenzen bis 15 GHz einwandfrei betreiben lassen und die Shapiro-Stufe erster Ordnung bei beiden Teilertypen dabei eindeutig ausgebildet ist. Bild 1 zeigt das Frequenzspektrum einer synthetisierten Sinuswelle eines JAWS-Chips mit insgesamt 3000 Josephson-Kontakten, kombiniert mit einem einstufigem Wilkinson-Leistungsteiler mit drei Sektionen. Die effektive Ausgangsspannung beträgt etwa 52 mV. Für die Untersuchungen des zweistufigen Wilkinson-Teilers wurde ein neuer kommerzieller und leistungsstarker Pulsverstärker in den Messaufbau integriert. Bild 2 zeigt, dass sich der JAWS-Chip mit dem zweistufigem Wilkinson-Leistungsteiler ebenfalls bis zu einer Taktfrequenz von 15 GHz betreiben lässt. Mit insgesamt 6000 Kontakten konnten erfolgreich spektral reine Sinuswellen mit einer effektiven Ausgangsspannung von mehr als 105 mV synthetisiert werden. Die vielversprechenden Ergebnisse ermöglichen als nächsten Schritt, Reihenschaltungen mit einer deutlich erhöhten Anzahl von Josephson-Kontakten mit diesen Leistungsteilern zu integrieren und weiter zu optimieren, um spektral reine Wellenformen mit noch höheren Ausgangspannungen zu erzeugen.

 

Frequenzspektrum der synthetisierten Sinuswelle eines JAWS-Chips mit insgesamt 3000 Josephson-Kontakten und einem einstufigen Wilkinson-Leistungsteiler mit drei Sektionen.

Bild 1: Frequenzspektrum der synthetisierten Sinuswelle eines JAWS-Chips mit insgesamt 3000 Josephson-Kontakten und einem einstufigen Wilkinson-Leistungsteiler mit drei Sektionen. Alle Oberwellen des Signals mit einer Frequenz von 1875 Hz sind mehr als 106 dB unterdrückt. Die effektive Ausgangsspannung beträgt mehr als 52 mV mit einem Arbeitsbereich von etwa 350 µA.

 

Frequenzspektrum der synthetisierten Sinuswelle eines JAWS-Chips mit einem zweistufigen Wilkinson-Leistungsteiler und insgesamt 6000 Josephson-Kontakten

Bild 2: Frequenzspektrum der synthetisierten Sinuswelle eines JAWS-Chips mit einem zweistufigen Wilkinson-Leistungsteiler und insgesamt 6000 Josephson-Kontakten. Alle Oberwellen des Signals mit einer Frequenz von 1875 Hz sind mehr als 110 dB unterdrückt. Die effektive Ausgangsspannung beträgt mehr als 105 mV mit einem Arbeitsbereich von etwa 300 µA.

 

 

Veröffentlichung:
H. Tian, O. Kieler, R. Behr, R. Wendisch, R. Gerdau, K. Kuhlmann, J. Kohlmann, "Development of RF-power dividers for the Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 30, no. 5, 1100105 (5 pp), Aug. 2020.

 

 


Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik“