Копланарный волновод
Копланарный волновод — это тип планарной электрической линии передачи , которая может быть изготовлена с использованием технологии печатных плат и используется для передачи сигналов микроволновой частоты. В меньшем масштабе копланарные волноводные линии передачи также встраиваются в монолитные СВЧ-интегральные схемы .
Обычный копланарный волновод ( CPW ) состоит из одной проводящей дорожки, напечатанной на диэлектрической подложке, вместе с парой обратных проводников, по одному с каждой стороны дорожки. Все три проводника находятся на одной стороне подложки и, следовательно, являются копланарными . Обратные проводники отделены от центральной дорожки небольшим зазором, ширина которого не меняется по длине линии. Вдали от центрального проводника обратные проводники обычно простираются на неопределенное, но большое расстояние, так что каждый условно представляет собой полубесконечную плоскость.
Копланарный волновод с проводником ( CBCPW ), также известный как копланарный волновод с землей ( CPWG ), является распространенным вариантом, в котором плоскость заземления охватывает всю заднюю поверхность подложки. [2] [3] Заземляющий слой служит третьим обратным проводником.
Копланарный волновод был изобретен в 1969 году Ченг П. Вэнем, главным образом, как средство, с помощью которого невзаимные компоненты , такие как гираторы и изоляторы, можно было включать в схемы плоских линий передачи. [4]
Электромагнитная волна, переносимая компланарным волноводом, существует частично в диэлектрической подложке, а частично в воздухе над ней. В общем случае диэлектрическая проницаемость подложки будет отличаться (и превышать) от диэлектрической проницаемости воздуха, поэтому волна распространяется в неоднородной среде. В результате CPW не будет поддерживать настоящую волну TEM ; на ненулевых частотах поля E и H будут иметь продольные компоненты ( гибридный режим ). Однако эти продольные компоненты обычно малы, и режим лучше описывать как квази-ТЕМ. [5]
Приложение к невзаимным гиромагнитным устройствам.
[ редактировать ]Невзаимные гиромагнитные устройства, такие как резонансные изоляторы и дифференциальные фазовращатели. [6] зависят от микроволнового сигнала, создающего вращающееся (круговой поляризации) магнитное поле на статически намагниченном ферритовом корпусе. CPW может быть спроектирован так, чтобы создавать именно такое вращающееся магнитное поле в двух пазах между центральным и боковым проводниками.
Диэлектрическая подложка не оказывает прямого влияния на магнитное поле СВЧ-сигнала, распространяющегося по линии КПВ. В этом случае для магнитного поля CPW симметрична в плоскости металлизации между стороной подложки и стороной воздуха. Следовательно, токи, текущие по параллельным путям на противоположных сторонах каждого проводника (со стороны воздуха и со стороны подложки), подвержены одинаковой индуктивности, и общий ток имеет тенденцию делиться поровну между двумя сторонами.
И наоборот, подложка влияет на электрическое поле, так что сторона подложки вносит больший вклад в емкость щелей, чем воздушная сторона. Электрический заряд может накапливаться или расходоваться легче на подложке проводников, чем на воздушной стороне. В результате в тех точках волны, где ток меняет направление, заряд будет перетекать через края металлизации между воздушной поверхностью и поверхностью подложки. Этот вторичный ток по краям создает продольное (параллельное линии) магнитное поле в каждой из щелей, которое находится в квадратуре с вертикальным (нормальным к поверхности подложки) магнитным полем, связанным с основным током вдоль проводников. .
Если диэлектрическая проницаемость подложки много больше единицы, то величина продольного магнитного поля приближается к величине вертикального поля, так что суммарное магнитное поле в щелях приближается к круговой поляризации. [4]
Применение в физике твердого тела
[ редактировать ]Компланарные волноводы играют важную роль в области твердотельных квантовых вычислений , например, для связи микроволновых фотонов со сверхпроводящим кубитом. В частности, область исследований схемной квантовой электродинамики была инициирована с использованием копланарных волноводных резонаторов в качестве важнейших элементов, которые обеспечивают высокую напряженность поля и, следовательно, сильную связь со сверхпроводящим кубитом за счет ограничения микроволнового фотона объемом, который намного меньше куба длины волны. . Для дальнейшего усиления этой связи были применены сверхпроводящие копланарные волноводные резонаторы с чрезвычайно низкими потерями. [7] [8] (Добротность таких сверхпроводящих копланарных резонаторов при низких температурах может превышать 10 6 даже в пределе малой мощности. [9] Копланарные резонаторы также можно использовать в качестве квантовых шин для связи нескольких кубитов друг с другом. [10] [11]
Другое применение копланарных волноводов в исследованиях твердого тела - это исследования, связанные с магнитным резонансом, например, для спектроскопии электронного спинового резонанса. [12] или для магноники . [13]
Компланарные волноводные резонаторы также использовались для характеристики свойств материала тонких пленок ( высокотемпературной сверхпроводимости ). [14] [15]
См. также
[ редактировать ]- Волновод (электромагнетизм)
- Микрополосковая
- Полосатая линия
- Волновод после стены
- Уравнения телеграфиста
- Через забор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Форман, Майкл А. (2006). «Копланарный волновод и фильтр с малыми потерями, изготовленные из LIGA». 2006 Азиатско-Тихоокеанская конференция по микроволновому оборудованию . стр. 1905–1907. дои : 10.1109/APMC.2006.4429780 . ISBN 978-4-902339-08-6 . S2CID 44220821 .
- ^ Геворкян, С. (1995). «CAD-модели экранированных многослойных CPW». IEEE Транс. Микроу. Теория Тех . 43 (4): 772–779. Бибкод : 1995ITMTT..43..772G . дои : 10.1109/22.375223 .
- ^ Куанг, Кен; Ким, Франклин; Кэхилл, Шон С. (1 декабря 2009 г.). Упаковка для радиочастотной и микроволновой микроэлектроники . Springer Science & Business Media. п. 8. ISBN 978-1-4419-0984-8 .
- ^ Перейти обратно: а б Вэнь, Ченг П. (декабрь 1969 г.). «Копланарный волновод: линия передачи с поверхностной полосой, подходящая для применения в невзаимных гиромагнитных устройствах». IEEE Транс. Микроу. Теория Тех . МТТ-17 (12): 1087–1090. Бибкод : 1969ITMTT..17.1087W . дои : 10.1109/TMTT.1969.1127105 .
- ^ Рейни Н. Саймонс, Копланарные волноводные схемы, компоненты и системы , стр. 1–2, Wiley, 2004 г. ISBN 9780471463931 .
- ^ Вэнь, КП (1 мая 1969 г.). Копланарный волновод, линия передачи с поверхностной полосой, подходящая для применения в невзаимных гиромагнитных устройствах . 1969 Международный симпозиум по микроволновому оборудованию G-MTT. стр. 110–115. дои : 10.1109/GMTT.1969.1122668 .
- ^ Л. Фрунцио; и др. (2005). «Изготовление и характеристика сверхпроводящих схем QED-устройств для квантовых вычислений». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 15 (2): 860–863. arXiv : cond-mat/0411708 . Бибкод : 2005ITAS...15..860F . дои : 10.1109/TASC.2005.850084 . S2CID 12789596 .
- ^ М. Гёппль; и др. (2008). «Копланарные волноводные резонаторы для схемной квантовой электродинамики». Журнал прикладной физики . 104 (11): 113904–113904–8. arXiv : 0807.4094 . Бибкод : 2008JAP...104k3904G . дои : 10.1063/1.3010859 . S2CID 56398614 .
- ^ А. Мегрант; и др. (2012). «Плоские сверхпроводящие резонаторы с внутренней добротностью выше миллиона». Прил. Физ. Летт . 100 (11): 113510. arXiv : 1201.3384 . Бибкод : 2012АпФЛ.100к3510М . дои : 10.1063/1.3693409 . S2CID 28103858 .
- ^ М.А. Силланпяя; Джи Пак; Р. У. Симмондс (27 сентября 2007 г.). «Когерентное хранение квантового состояния и передача между двумя фазовыми кубитами через резонансную полость». Природа . 449 (7161): 438–42. arXiv : 0709.2341 . Бибкод : 2007Natur.449..438S . дои : 10.1038/nature06124 . ПМИД 17898762 . S2CID 4357331 .
- ^ Дж. Майер; Дж. М. Чоу; Дж. М. Гамбетта; Дж. Кох; Б. Р. Джонсон; Дж. А. Шрайер; Л. Фрунцио; Д.И. Шустер; А.А. Хоук; А. Вальраф; А. Блез; М. Х. Деворет; С.М. Гирвин; Р. Дж. Шелькопф (27 сентября 2007 г.). «Связь сверхпроводящих кубитов через резонаторную шину». Природа . 449 (7161): 443–447. arXiv : 0709.2135 . Бибкод : 2007Natur.449..443M . дои : 10.1038/nature06184 . ПМИД 17898763 . S2CID 8467224 .
- ^ Ю. Виманн; и др. (2015). «Наблюдение электронного спинового резонанса в диапазоне от 0,1 до 67 ГГц при температурах от 50 мК до 300 К с использованием широкополосных металлических копланарных волноводов». Прил. Физ. Летт . 106 (19): 193505. arXiv : 1505.06105 . Бибкод : 2015ApPhL.106s3505W . дои : 10.1063/1.4921231 . S2CID 118320220 .
- ^ Кругляк В.В.; Демокритов С.О.; Грандлер, Д. (7 июля 2010 г.). «Магноника» (PDF) . Журнал физики D: Прикладная физика . 43 (26): 264001. Бибкод : 2010JPhD...43z4001K . дои : 10.1088/0022-3727/43/26/264001 . S2CID 239157491 .
- ^ В. Раух; и др. (2015). «Микроволновые свойства тонких пленок YBa2Cu3O7-x, исследованные с помощью копланарных резонаторов линии передачи». Дж. Прил. Физ . 73 (4): 1866–1872. arXiv : 1505.06105 . Бибкод : 1993JAP....73.1866R . дои : 10.1063/1.353173 .
- ^ А. Порч; М. Дж. Ланкастер; Р.Г. Хамфрис (1995). «Метод копланарного резонатора для определения поверхностного импеданса тонких пленок YBa2Cu3O7-дельта». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 43 (2): 306–314. Бибкод : 1995ITMTT..43..306P . дои : 10.1109/22.348089 .