30.11.2021
Um die erreichbare synthetisierte Ausgangsspannung des pulsgetriebenen Wechsel (AC)-Spannungsnormals weiter zu erhöhen, hat die PTB breitbandige On-Chip-Leistungsteiler entwickelt und in Reihenschaltungen aus einer großen Anzahl von Josephson-Kontakten integriert. Mit Hilfe der Leistungsteiler lassen sich gleichzeitig zwei oder vier parallele Josephson-Kontakt-Schaltungsarme mittels eines einzigen HF-Kanals des Pulsmustergenerators betreiben, welcher die elektrischen Eingangspulse erzeugt. Dadurch konnte auch der experimentelle Aufbau für das pulsgetriebene AC-Spannungsnormal basierend auf dem Josephson-Arbiträrwellengenerator (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer, JAWS) der PTB vereinfacht werden.
In den letzten Jahren wurden an der PTB verschiedene Arten von breitbandigen HF-Leistungsteilern (ausgeführt als Seriell-Parallel- und Wilkinson-Teiler) entwickelt und erfolgreich in JAWS-Schaltungen integriert [1], [2]. Um die synthetisierte AC-Ausgangsspannung des JAWS pro HF-Kanal des Pulsmustergenerators weiter zu erhöhen, wurden die On-Chip-Leistungsteiler und große Reihenschaltungen aus dreifach gestapelten Josephson-Kontakten integriert (maximal 20 400 Kontakte pro HF-Kanal). Dabei wurden verschiedene Designs für die integrierten Schaltungen entwickelt, in Layouts übertragen und im Reinraumzentrum der PTB hergestellt.
Messungen der integrierten JAWS-Schaltungen wurden bei 4,2 K durchgeführt, wobei sowohl zweistufige Seriell-Parallel-Leistungsteiler mit 20 400 Josephson-Kontakten als auch einstufige Wilkinson-Leistungsteiler mit 18 000 Josephson-Kontakten (jeweils pro HF-Kanal) zum Einsatz kamen. Beide Teilertypen wurden für Taktfrequenzen von 15 GHz entworfen und mittels Hochfrequenz-Simulationen optimiert. Die Messergebnisse zeigen, dass JAWS-Schaltungen mit zweistufigen Seriell-Parallel-Leistungsteilern bis zu einer Taktfrequenz von 15 GHz funktionieren und dass mit insgesamt 20 400 integrierten Kontakten erfolgreich spektral reine Sinuswellen mit effektiven Ausgangsspannungen von 210 mV synthetisiert werden konnten. JAWS-Schaltungen mit einstufigem Wilkinson-Leistungsteiler und 18 000 integrierten Kontakten arbeiten ebenfalls einwandfrei bis zu einer Taktfrequenz von 15 GHz, und es gelang die Erzeugung einer effektiven Ausgangsspannung von 300 mV.
Schließlich wurden zwei identische integrierte JAWS-Schaltungen auf einem Chip zusammengeschaltet, um eine doppelte AC-Ausgangspannung zu erzielen. Wie das Bild zeigt, erzeugt dieser Chip (mit zwei Wilkinson-Leistungsteilern und insgesamt 36 000 Kontakten) spektral reine Sinuswellen mit einer effektiven Ausgangsspannung von 600 mV. Im Vergleich zum bisherigen ,,state of the art‘‘ JAWS-Chip der PTB wurde die synthetisierte AC-Ausgangspannung pro Chip damit deutlich erhöht. Wilkinson-Leistungsteiler werden in Zukunft für die Weiterentwicklung der JAWS-Technologie in der PTB eingesetzt.
Bild: Frequenzspektrum (oben) und Zeitsignal (unten) einer Sinuswelle mit einer Frequenz von 100 Hz und einer effektiven Ausgangspannung von 600 mV, die mit einem JAWS-Chip mit einstufigen Wilkinson-Leistungsteilern und insgesamt 36 000 Josephson-Kontakten synthetisiert wurde.
Publikationen:
- [1] H. Tian, O. Kieler, R. Behr, R. Wendisch, R. Gerdau, K. Kuhlmann und 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.
- [2] H. Tian, O. Kieler, R. Behr, R. Gerdau, K. Kuhlmann und J. Kohlmann, "Investigation of broadband Wilkinson power dividers for pulse-driven Josephson voltage standards", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 31, no. 5, 1100305 (5 pp), Aug. 2021.
Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik“