Coplanar bølgeleder - Coplanar waveguide

Tverrsnitt av en leder-støttet koplanar bølgeleder transmisjonslinjen
En 517 mikrometer høy kobberplanar bølgeleder laget med LIGA- teknikk.

Coplanar bølgeleder er en type elektrisk plan overføringsledning som kan produseres ved hjelp av kretskortteknologi , og brukes til å formidle mikrobølgefrekvenssignaler. I mindre målestokk, samme plan bølgeledertransmisjonslinjer er også bygget inn i monolittisk integrerte mikrobølgekretser .

Konvensjonell coplanar bølgeleder ( CPW ) består av et enkelt ledende spor trykt på et dielektrisk substrat, sammen med et par returledere, en til hver side av sporet. Alle tre lederne er på samme side av underlaget, og er dermed av samme plan . Returlederne er skilt fra det sentrale sporet av et lite gap, som har en uforanderlig bredde langs linjens lengde. Vekk fra den sentrale lederen strekker returkonduktørene seg vanligvis til en ubestemt, men stor avstand, slik at hver av dem er et semi-uendelig plan.

Conductor-back coplanar waveguide ( CBCPW ), også kjent som coplanar waveguide with ground ( CPWG ), er en vanlig variant som har et bakkeplan som dekker hele baksiden av underlaget. Jordplanet fungerer som en tredje returleder.

Coplanar bølgeleder ble oppfunnet i 1969 av Cheng P. Wen, først og fremst som et middel som ikke- gjensidige komponenter som gyratorer og isolatorer kunne inkorporeres i plane transmisjonslinjekretser.

Den elektromagnetiske bølgen som bæres av en koplanær bølgeleder, eksisterer delvis i det dielektriske substratet, og delvis i luften over den. Generelt vil substratets dielektriske konstant være annerledes (og større) enn luftens, slik at bølgen beveger seg i et inhomogent medium. Som en konsekvens vil ikke CPW støtte en ekte TEM- bølge; ved ikke-null frekvenser vil både E- og H-feltene ha langsgående komponenter (en hybridmodus ). Imidlertid er disse langsgående komponentene vanligvis små, og modusen er bedre beskrevet som kvasi-TEM.

Påføring på ikke-gjensidige gyromagnetiske enheter

Ikke-resiprok gyromagnetiske enheter som resonansisolatorer og differensial faseskiftere avhenge av et mikrobølgesignal som presenterer en roterende (sirkulært polarisert) magnetfelt til en statisk magnetisert ferritt legeme. CPW kan utformes for å produsere akkurat et slikt roterende magnetfelt i de to sporene mellom sentral- og sidelederne.

Det dielektriske substratet har ingen direkte effekt på magnetfeltet til et mikrobølgesignal som beveger seg langs CPW-linjen. For magnetfeltet er CPW deretter symmetrisk i metalliseringsplanet , mellom substratsiden og luftsiden . Følgelig er strømmer som strømmer langs parallelle baner på motsatte flater av hver leder (på luftsiden og på substratsiden) utsatt for den samme induktansen, og den totale strømmen har en tendens til å bli delt likt mellom de to flatene.

Omvendt substratet ikke påvirke det elektriske felt, slik at substratet side bidrar med en større kapasitansen over spaltene enn det som er tilfellet luftsiden. Elektrisk ladning kan akkumuleres eller tømmes lettere på underlagsflaten til lederne enn på luftflaten. Som et resultat vil ladning søle over kantene av metalliseringen mellom luftflaten og underlagsflaten på de punktene på bølgen der strømmen reverserer retning. Denne sekundære strømmen over kantene gir opphav til et langsgående (parallelt med linjen) magnetfelt i hver av spaltene, som er i kvadratur med det vertikale (normalt mot underlagsflaten) magnetfelt assosiert med hovedstrømmen langs lederne .

Hvis substratets dielektriske konstant er mye større enn enhet, nærmer seg størrelsen på det langsgående magnetfeltet det vertikale felt, slik at det kombinerte magnetfeltet i spaltene nærmer seg sirkulær polarisering.

Anvendelse i faststoffysikk

Coplanar bølgeledere spiller en viktig rolle i feltet solid state quantum computing , f.eks for kobling av mikrobølgefotoner til en superledende qubit. Spesielt forskningsfelt av krets Kvanteelektrodynamikk ble initiert med koplanare bølgeleder resonatorer som avgjørende elementer som gjør det mulig for høy feltstyrke og dermed sterk kopling til en superledende qubit ved å avgrense en mikrobølgeovn foton til et volum som er mye mindre enn den tredje potens av bølgelengde . For ytterligere å forbedre denne koblingen ble det brukt superledende koplanære bølgelederresonatorer med ekstremt lave tap. (Kvalitetsfaktorene for slike superledende koplanare resonatorer ved lave temperaturer kan overstige 10 6 , selv i lav-effektgrensen.) Ligger i samme plan resonatorer kan også anvendes som quantum busser Å koble flere qubits til hverandre.

En annen anvendelse av koplanære bølgeledere i solid state-forskning er for studier som involverer magnetisk resonans, f.eks. For elektronspinnresonansspektroskopi eller for magnonics .

Coplanar bølgelederresonatorer har også blitt benyttet for å karakterisere materialegenskapene til ( high- Tc ) superledende tynne filmer.

Se også

Referanser

  1. ^ Forman, Michael A. (2006). "LIGA-produsert koplanar bølgeleder og filter med lavt tap". 2006 Mikrobølgeovnkonferanse i Asia-Stillehavet . s. 1905–1907. doi : 10.1109 / APMC.2006.4429780 . ISBN   978-4-902339-08-6 . S2CID   44220821 .
  2. ^ Gevorgian, S. (1995). "CAD-modeller for skjermet flerlags CPW". IEEE Trans. Mikro. Teori Tech . 43 (4): 772–779. doi : 10.1109 / 22.375223 .
  3. ^ Kuang, Ken; Kim, Franklin; Cahill, Sean S. (2009-12-01). RF og mikrobølgeovn mikroelektronikk emballasje . Springer Science & Business Media. s. 8. ISBN   978-1-4419-0984-8 .
  4. ^ a b Wen, Cheng P. (desember 1969). "Coplanar Waveguide: A Surface Strip Transmission Line Suitable for Nonreciprocal Gyromagnetic Device Applications". IEEE Trans. Mikro. Teori Tech . MTT-17 (12): 1087–1090. doi : 10.1109 / TMTT.1969.1127105 .
  5. ^ Rainee N. Simons, Coplanar Waveguide Circuits, Components, and Systems , s. 1–2, Wiley, 2004 ISBN   9780471463931 .
  6. ^ Wen, CP (1969-05-01). "Coplanar Waveguide, en overflatestrimmeloverføringslinje egnet for ikke-gjensidige applikasjoner for gyromagnetisk enhet" . 1969 G-MTT internasjonale mikrobølgeovnsymposium : 110–115. doi : 10.1109 / GMTT.1969.1122668 .
  7. ^ L. Frunzio; et al. (2005). "Fabrikasjon og karakterisering av superledende krets QED-enheter for kvanteberegning". IEEE-transaksjoner på anvendt superledningsevne . 15 (2): 860–863. arXiv : cond-mat / 0411708 . Bibcode : 2005ITAS ... 15..860F . doi : 10.1109 / TASC.2005.850084 . S2CID   12789596 .
  8. ^ M. Göppl; et al. (2008). "Coplanar waveguide resonators for circuit quantum electrodynamics". Tidsskrift for anvendt fysikk . 104 (11): 113904–113904–8. arXiv : 0807.4094 . Bibcode : 2008JAP ... 104k3904G . doi : 10.1063 / 1.3010859 . S2CID   56398614 .
  9. ^ A. Megrant; et al. (2012). "Planar superledende resonatorer med interne kvalitetsfaktorer over en million". Appl. Phys. Lett . 100 (11): 113510. arXiv : 1201.3384 . Bibcode : 2012ApPhL.100k3510M . doi : 10.1063 / 1.3693409 . S2CID   28103858 .
  10. ^ MA Sillanpää; JI Park; RW Simmonds (2007-09-27). "Koherent kvantetilstandslagring og overføring mellom to fasekvitter via et resonanshulrom". Natur . 449 (7161): 438–42. arXiv : 0709.2341 . Bibcode : 2007Natur.449..438S . doi : 10.1038 / nature06124 . PMID   17898762 . S2CID   4357331 .
  11. ^ J. Majer; JM Chow; JM Gambetta; J. Koch; BR Johnson; JA Schreier; L. Frunzio; DI Schuster; AA Houck; A. Wallraff; A. Blais; MH Devoret; SM Girvin; RJ Schoelkopf (2007-09-27). "Kobling av superledende qubits via en hulromsbuss". Natur . 449 (7161): 443–447. arXiv : 0709.2135 . Bibcode : 2007Natur.449..443M . doi : 10.1038 / nature06184 . PMID   17898763 . S2CID   8467224 .
  12. ^ Y. Wiemann; et al. (2015). "Observasjon av elektronspinnresonans mellom 0,1 og 67 GHz ved temperaturer mellom 50 mK og 300 K ved bruk av bredbåndsmetalliske koplanære bølgeledere". Appl. Phys. Lett . 106 (19): 193505. arXiv : 1505.06105 . Bibcode : 2015ApPhL.106s3505W . doi : 10.1063 / 1.4921231 . S2CID   118320220 .
  13. ^ Kruglyak, VV; Demokritov, SO; Grundler, D (7. juli 2010). "Magnonics". Journal of Physics D: Anvendt fysikk . 43 (26): 264001. Bibcode : 2010JPhD ... 43z4001K . doi : 10.1088 / 0022-3727 / 43/26/264001 .
  14. ^ W. Rauch; et al. (2015). "Mikrobølgeovneegenskaper til YBa2Cu3O7 − x tynne filmer studert med koplanære transmisjonslinjeresonatorer". J. Appl. Phys . 73 (4): 1866–1872. arXiv : 1505.06105 . Bibcode : 1993JAP .... 73.1866R . doi : 10.1063 / 1.353173 .
  15. ^ A. Veranda; MJ Lancaster; RG Humphreys (1995). "Den koplanære resonatorteknikken for å bestemme overflateimpedansen til YBa2Cu3O7-delta-tynne filmer". IEEE-transaksjoner om mikrobølgeovnsteori og teknikker . 43 (2): 306–314. Bibcode : 1995ITMTT..43..306P . doi : 10.1109 / 22.348089 .