Копланарный волновод - Coplanar waveguide

Поперечное сечение копланарного волновода с проводником линия передачи
А 517 мкм высокий медный копланарный волновод создано с использованием ЛИГА техника.[1]

Копланарный волновод - это разновидность электрического планарная линия передачи которые могут быть изготовлены с использованием печатная плата технология, и используется для передачи сигналов СВЧ-диапазона. В меньшем масштабе копланарный волновод линии передачи также встроены в монолитные СВЧ интегральные схемы.

Обычный копланарный волновод (CPW) состоит из одной проводящей дорожки, напечатанной на диэлектрик подложку вместе с парой возвратных проводников, по одному с каждой стороны дорожки. Все три проводника находятся на одной стороне подложки и, следовательно, копланарный. Обратные проводники отделены от центральной дорожки небольшим зазором, ширина которого не меняется по длине линии. Вдали от центрального проводника возвратные проводники обычно проходят на неопределенное, но большое расстояние, так что каждый теоретически представляет собой полубесконечную плоскость.

Копланарный волновод с проводником (CBCPW), также известен как копланарный волновод с землей (CPWG), является распространенным вариантом, имеющим плоскость земли покрывая всю обратную сторону подложки.[2][3] Заземляющий слой служит третьим обратным проводником.

Копланарный волновод был изобретен в 1969 году Ченг П. Вэнь, прежде всего как средство, с помощью которого невзаимный компоненты, такие как гираторы и изоляторы могут быть включены в схемы планарной линии передачи.[4]

Электромагнитная волна, переносимая компланарным волноводом, частично существует в диэлектрик субстрат и частично в воздухе над ним. В целом диэлектрическая постоянная субстрата будет отличаться (и больше), чем у воздуха, так что волна распространяется в неоднородной среде. Следовательно, CPW не будет поддерживать истинное ТЕМ волна; на ненулевых частотах оба E и H поля будет иметь продольные компоненты (a гибридный режим ). Однако эти продольные компоненты обычно невелики, и режим лучше описывать как квази-ПЭМ.[5]

Применение к невзаимным гиромагнитным устройствам

Невзаимный гиромагнитный такие устройства как резонансные изоляторы и дифференциал фазовращатели[6] зависят от микроволнового сигнала, представляющего вращающееся (циркулярно поляризованное) магнитное поле статически намагниченному феррит тело. CPW может быть спроектирован для создания именно такого вращающегося магнитного поля в двух пазах между центральным и боковым проводниками.

Диэлектрическая подложка не оказывает прямого воздействия на магнитное поле микроволнового сигнала, распространяющегося вдоль линии CPW. Тогда для магнитного поля CPW будет симметричным в плоскости металлизация, между стороной подложки и стороной воздуха. Следовательно, токи, протекающие по параллельным путям на противоположных сторонах каждого проводника (на стороне воздуха и на стороне подложки), имеют одинаковую индуктивность, и общий ток имеет тенденцию делиться поровну между двумя сторонами.

И наоборот, субстрат делает влияют на электрическое поле, так что сторона подложки дает большую емкость через прорези, чем сторона воздуха. Электрический заряд может быстрее накапливаться или разряжаться на поверхности подложки проводников, чем на поверхности воздуха. 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 прорезей, которое находится в квадратура с вертикальным (нормальным к поверхности подложки) магнитным полем, связанным с основным током по проводникам.

Если диэлектрическая постоянная подложки намного больше единицы, то величина продольного магнитного поля приближается к величине вертикального поля, так что суммарное магнитное поле в пазах приближается к круговой поляризации.[4]

Применение в физике твердого тела

Копланарные волноводы играют важную роль в области твердотельных материалов. квантовые вычисления, например для связи микроволновых фотонов со сверхпроводящим кубитом. В частности, область исследований схема квантовой электродинамики инициирован с копланарным волноводом резонаторы как важнейшие элементы, обеспечивающие высокую напряженность поля и, следовательно, сильную связь с сверхпроводящий кубит путем ограничения микроволнового фотона в объеме, 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 106 даже в пределе малой мощности.[9]) Копланарные резонаторы также могут использоваться в качестве квантовые автобусы соединить несколько кубитов друг с другом.[10][11]

Другое применение копланарных волноводов в исследованиях твердого тела - это исследования, связанные с магнитным резонансом, например для спектроскопия электронного парамагнитного резонанса[12] или для магноника.[13]

Копланарные волноводные резонаторы также использовались для характеристики свойств материала (высокий Tc ) сверхпроводящие тонкие пленки.[14][15]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Форман, Майкл А. (2006). "Компланарный волновод и фильтр из ЛИГА с низкими потерями". 2006 Азиатско-Тихоокеанская конференция по СВЧ. С. 1905–1907. Дои:10.1109 / APMC.2006.4429780. ISBN  978-4-902339-08-6. S2CID  44220821.
  2. ^ Геворгян, С. (1995). «Модели САПР для экранированных многослойных КПВ». IEEE Trans. Микроу. Теория Техника. 43 (4): 772–779. Дои:10.1109/22.375223.
  3. ^ Куанг, Кен; Ким, Франклин; Кэхилл, Шон С. (2009-12-01). Упаковка ВЧ и СВЧ микроэлектроники. Springer Science & Business Media. п. 8. ISBN  978-1-4419-0984-8.
  4. ^ а б Вэнь, Ченг П. (декабрь 1969 г.). «Копланарный волновод: линия передачи с поверхностной полосой, подходящая для невзаимных гиромагнитных устройств». IEEE Trans. Микроу. Теория Техника. МТТ-17 (12): 1087–1090. Дои:10.1109 / TMTT.1969.1127105.
  5. ^ Рейни Н. Саймонс, Копланарные волноводные схемы, компоненты и системы, стр. 1–2, Wiley, 2004 г. ISBN  9780471463931.
  6. ^ Вэнь, К. (1969-05-01). «Копланарный волновод, линия передачи с поверхностной полосой, подходящая для невзаимных гиромагнитных устройств». 1969 Международный симпозиум G-MTT по микроволновому излучению: 110–115. Дои:10.1109 / GMTT.1969.1122668.
  7. ^ Л. Фрунцио; и другие. (2005). «Изготовление и характеристика устройств QED со сверхпроводящей схемой для квантовых вычислений». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости. 15 (2): 860–863. arXiv:cond-mat / 0411708. Bibcode:2005ITAS ... 15..860F. Дои:10.1109 / TASC.2005.850084. S2CID  12789596.
  8. ^ М. Геппль; и другие. (2008). "Копланарные волноводные резонаторы для схемной квантовой электродинамики". Журнал прикладной физики. 104 (11): 113904–113904–8. arXiv:0807.4094. Bibcode:2008JAP ... 104k3904G. Дои:10.1063/1.3010859. S2CID  56398614.
  9. ^ А. Мегрант; и другие. (2012). «Плоские сверхпроводящие резонаторы с внутренней добротностью более миллиона». Appl. Phys. Латыш. 100 (11): 113510. arXiv:1201.3384. Bibcode:2012АпФЛ.100к3510М. Дои:10.1063/1.3693409. S2CID  28103858.
  10. ^ М. А. Силланпяя; J. I. Park; Р. В. Симмондс (27 сентября 2007 г.). «Когерентное хранение квантовых состояний и передача между двумя фазовыми кубитами через резонатор». Природа. 449 (7161): 438–42. arXiv:0709.2341. Bibcode:2007Натура.449..438S. Дои:10.1038 / природа06124. PMID  17898762. S2CID  4357331.
  11. ^ 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. Валлрафф; А. Блейс; М. Х. Деворет; С. М. Гирвин; Р. Дж. Шелькопф (27 сентября 2007 г.). «Связь сверхпроводящих кубитов через шину резонатора». Природа. 449 (7161): 443–447. arXiv:0709.2135. Bibcode:2007Натура.449..443М. Дои:10.1038 / природа06184. PMID  17898763. S2CID  8467224.
  12. ^ Ю. Виманн; и другие. (2015). «Наблюдение электронного спинового резонанса между 0,1 и 67 ГГц при температурах от 50 мК до 300 К с использованием широкополосных металлических копланарных волноводов». Appl. Phys. Латыш. 106 (19): 193505. arXiv:1505.06105. Bibcode:2015АпФЛ.106с3505Вт. Дои:10.1063/1.4921231. S2CID  118320220.
  13. ^ Кругляк, В В; Демокритов, С О; Grundler, D (7 июля 2010 г.). «Магноника». Журнал физики D: Прикладная физика. 43 (26): 264001. Bibcode:2010JPhD ... 43z4001K. Дои:10.1088/0022-3727/43/26/264001.
  14. ^ W. Rauch; и другие. (2015). "Микроволновые свойства тонких пленок YBa2Cu3O7 − x исследованы с помощью компланарных резонаторов линий передачи". J. Appl. Phys. 73 (4): 1866–1872. arXiv:1505.06105. Bibcode:1993JAP .... 73.1866R. Дои:10.1063/1.353173.
  15. ^ А. Порч; М.Дж. Ланкастер; R.G. Хамфрис (1995). «Метод компланарного резонатора для определения поверхностного импеданса тонких пленок YBa2Cu3O7-дельта». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения. 43 (2): 306–314. Bibcode:1995ITMTT..43..306P. Дои:10.1109/22.348089.