非理想超导谐振器的网络分析方法

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超导谐振器在光子探测以及量子信息等领域有重要的应用,同时,国外许多研究者证明,超导谐振器做为探测器在天文学领域有着很广阔的发展前景。为了更好的研究谐振器的各种优越性能,理解其电路传输特性和准确确定品质因数Q具有重要意义。我们在对超导谐振器进行研究时,首先推导了其理想情况下传输曲线S21,并且首次发明了一种网络分析方法来研究非理想情况下的超导谐振电路。这个二端口网络模型是将超导谐振器分为馈线输入模块、谐振器耦合模块和馈线输出模块。通过分析发现,如果在谐振器的输入端或输出端存在不可忽略的不连续(反射),则谐振器的谐振曲线将会出现一个不对称的形式。通过拟合得到的传输系数中提取的谐振参数(例如耦合品质因数QC),在一定程度上偏离其在阻抗匹配条件下定义的真实值。用微波网络模型分析方法得出了该偏差取决于一个参数u,u包括来自电路的所有非理想效果。我们同时证明了用一种非常简单的几何图解法就可以从修正的传输曲线中准确地提取出内部品质因数Qi。与传统的电路分析得出的直径校准方法(DCM)对比,虽然两者均能得到一致的结果,但网络分析方法更直观、更容易理解,可以作为研究超导谐振器件和非理想微波谐振电路的一种更通用的工具。同时,我也对理想情况下和非理想情况下二分之一波长谐振器的传输曲线S21做了简单研究和分析。然后对微带线超导谐振器的仿真,不仅验证了三模块网络模型的可行性,也对谐振器耦合到馈线上这样一个模型进行逐步验证。对三个模块一起仿真得出的谐振圆和单独仿真三个模块,组合公式画图得到的谐振圆进行对比,验证了网络模型推导出的S参数的正确性。改变谐振器两端馈线宽度来模拟阻抗不匹配的现象,或者改变谐振器金属层的直流薄层电阻Rdc来改变整个谐振器的耗散,通过分析仿真出来的超导谐振器的重要参数与单独仿真谐振器得出来的真实值进行对比,发现均能成功提取出准确的内部品质因数,并且可以验证理想情况下的参数与非理想的情况下参数之间的关系。本文最后介绍了实验中设计的五个不同频段具有相同IDC的超导谐振器以及在低温下的测量线路,然后得到了五个谐振器的S21,通过谐振圆拟合出谐振器真实的内部品质因数Qi,并用实验测得的内部品质因数Q’i、耦合品质因数Q’C与谐振器被设定的真实值对比,发现其内部品质因数Qi是可以通过我们的几何图解法准确求出。
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