低温超导状态下微波共面波导谐振器的研究

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从20世纪开始,随着低温超导技术的不断发展,共面波导(CPW)谐振器因其自身所具有的居多优点在越来越多的领域得到广泛的应用,作为量子器件被应用在量子计算、量子信息处理、参量放大、二能级系统耦合等领域,作为探测器件被广泛地应用于微弱信号、宇宙射线等的探测领域。时下最热门的研究无非是以共面波导(CPW)谐振器为基础的微波动态电感阵列探测器(MKID)在宇宙辐射探测方面的应用。目前所研究的共面波导谐振器主要分为二分之一波长型、四分之一波长型、集总紧凑型,其中二分之一波长型主要用于参量放大、量子计算等方面,四分之一波长型及集总紧凑型主要用在对低温微弱信号的探测等领域。本文从小型化、高Q值的角度出发,主要研究分析四分之一波长谐振器,根据理论分析设计谐振器模型,通过磁控溅射或电子束蒸发等微加工工艺制备出实际的谐振器样品,在极低温条件下利用矢量网络分析仪测量它的传输特性进行并研究传输特性随温度、功率的变化情况。本文的主要工作可以概括为以下几个方面:1、首先简要介绍国内外关于共面波导谐振器的研究背景、所取得的理论成果及研究现状和趋势。2、从Mattis-Bardeen理论和二能级系统(TLS)理论出发研究分析超导共面波导谐振器作为动态电感探测器的工作原理,着重对动态电感在总电感中所占的比例进行分析推导。3、根据传输线理论、微波电路的基本知识及共面波导的相关结构知识,分析共面波导谐振器的等效电路及传输特性,推导传输系数的相位表达式。4、利用专业仿真软件HFSS设计半波长、四分之一波长谐振器的模型并作了部分仿真,通过磁控溅射、蒸发镀膜两种不同的镀膜工艺在500um的高阻硅衬底上制备出所设计的谐振器样品,在100mk的低温条件下用矢量网络分析仪对其传输特性进行测量,测得谐振频率f0=1.8445505GHz,负载品质因数QL=4.4x105,最后研究温度、驱动功率对传输特性的影响,随温度、驱动功率的改变,传输特性也将发生变化,并利用所推导的相位表达式拟合测得的相位数据。
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