低温超导状态下微波共面波导谐振器的研究

摘要

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=4.4×105，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。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 谐振器的研究背景及意义

1．2 共面波导

1．3 低温共面波导谐振器的研究现状

1．4 论文的主要工作及内容安排

第2章 超导理论分析

2．1 超导的基本知识

2．1．1 超导体及超导的基本原理

2．1．2 超导体的迈斯纳效应

2．1．3 两类超导体

2．2 超导的相关参数

2．2．1 趋肤深度及穿透深度

2．2．2 复电导率及表面阻抗

2．2．3 动态电感

2．3 本章小结

第3章 微波理论及谐振原理

3．1 传输线理论

3．1．1 传输线理论模型分析

3．1．2 共面波导传输线

3．1．3 阻抗匹配

3．2 二端口微波网络S参数

3．3 微波谐振器

3．3．1 集总参数谐振器

3．3．2 传输线谐振器

3．4 本章小结

第4章 CPW谐振器中特征参数的公式推导以及两类谐振器的建模与仿真

4．1 CPW谐振器中特征参数的公式推导

4．1．1 超导CPW谐振器的相位

4．1．2 超导CPW谐振器的动态电感比

4．2 CPW谐振器建模设计与仿真

4．3 本章小结

第5章 样品制备工艺及实验测量

5．1 CPW谐振器的制备工艺

5．2 实验用的降温系统及测量线路

5．2．1 实验用的降温系统

5．2．2 实验用的测量线路

5．3 实验测量结果

5．3．1 传输特性曲线与温度的关系

5．3．2 传输特性曲线与功率的关系

5．3．3 相位曲线的拟合

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果