用于高密度超导微波器件阵列的柔性同轴带状电缆行业资讯

2022-12-22 07:29:04

本文介绍了一种独特地满足上述标准的超导柔性同轴带状电缆(FLAX)。我们开发了这个解决方案来为10000多个像素多路复用 MKID 阵列携带宽带信号,适用于以90mK运行的系外行星检测。我们希望这项技术特别适用于需要高探测器隔离度和低热负荷的超导技术。

超导电子产品通常需要高密度微波互连,这种互连方式能够以最小的损耗、串扰和热传导在温度级之间传输信号。本文报告了超导53 wt% Nb-47 wt% Ti (Nb47Ti) 柔性同轴带状电缆 (FLAX)的设计和制造。10条走线各由一根0.076mm NbTi内导体组成,内导体与PFA(0.28mm)绝缘,并包裹在共用的0.025mm厚Nb47Ti外导体中。电缆通过焊接到共面波导转换板的不锈钢毛细管(1.6mm、0.13 mm厚),与G3PO同轴推入式连接器端接。

30cm长的电缆在8 GHz下有1dB的损耗,具有-60dB的最近邻前向串扰。由于电缆制造缺陷引起的阻抗不匹配,该损耗可能比市售的超导同轴电缆多0.5dB。本文报告的串扰比以前开发的层压 NbTi-on-Kapton微带电缆低30dB。我们估计从1K到90mK的热负载为每条走线20nW,大约是CryoCoax的最小商用超导同轴电缆负载的一半。

一、引言

超导器件正在彻底改变广泛的研究和技术领域,包括量子计算、纳米线单光子探测器、X射线微量热计、亚mm辐射热计和微波动感电感探测器 (MKID)。

这些应用需要越来越大的超导阵列,这为将微波信号从冷器件级传输到室温而不丢失或破坏信号或将多余热量传导到冷级的提出了技术挑战。

低热导率对于现场或空间中使用绝热退磁制冷机(ADR)的探测器阵列尤为重要,绝热退磁制冷机(ADR)的冷却能力低于稀释制冷机,但外形更小且操作更简单。市售的超导同轴电缆通常在4K以下使用;然而,它们要么是半刚性的,在小低温体积中使用起来很麻烦;要么具有产生过多热负荷的大横截面,要么两者兼而有之。另一种选择是使用光刻技术制造的柔性超导电路。

这些层压电缆技术拥有低导热性和高密度互连,但缺乏许多应用所需的长度、耐用性和信号隔离。最佳解决方案应该由转变温度远高于4 K的超导材料制成,以最大限度地提高传输率,并通过一个包含接地屏蔽的方式,最大限度地减少串扰和拾音。而且它必须具有小横截面并由低热导率材料制成。

最后,它应该是灵活的、耐用的,并且最好便宜且易于制造。这种结构难以实现,因为很少有材料具有上述所需的特性,并且通常难以与连接器一起工作和连接。

本文介绍了一种独特地满足上述标准的超导柔性同轴带状电缆(FLAX)。我们开发了这个解决方案来为10000多个像素多路复用 MKID 阵列携带宽带信号,适用于以90mK运行的系外行星检测。我们希望这项技术特别适用于需要高探测器隔离度和低热负荷的超导技术。

二、FLAX设计与制造

FLAX电缆使用0.076 mm NbTi 中心导体制成,该导体与Supercon的0.28mmPFA线绝缘。共用外同轴导体由ATI和HPM的0.025mm Nb47Ti铝箔形成。

通过使用康宁吉尔伯特G3PO连接器(与SMP-S兼容),电线被固定在10个0.28mm的半圆柱形压接中,在铝箔中相距3.56mm,以实现50Ω特性阻抗和 3.56mm标准走线间距密度(见图1和图 2)。

图1

图2

接地屏蔽的两侧通过微点焊进行机械和电气连接,微点焊在每条迹线之间的电缆长度上延伸。焊缝大约2mm,即在8 GHz时小于λ/16 = 2.3 mm(见图1和图2)。

在电缆末端,突出的中心导体穿入1.6 mm、0.13mm厚的不锈钢毛细管中。在使用不锈钢助焊剂将组件焊接到过渡板的中心走线之前,将管子压接到中心导体上(见图1a和图2)。

过渡板是一块0.25mm厚的 RT/Duroid6010LM PCB,具有50Ω接地共面波导(GCPW)几何结构,以提高信号隔离度。在每条走线之间,Nb47Ti 外导体铝箔微点焊到过渡板的接地片,而表面贴装同轴G3PO推入式连接器焊接到GCPW的另一端(见图1a)。

电缆末端组件夹在3×7 cm镀金铜盒中,可提供消除应力并使得G3PO盲插子弹头连接器能够轻松推入连接所有10条走线(见图1b)。

三、性能表征

传输损耗(S21)、串扰(S41)和时域反射计(TDR)测量是在稀释冰箱中使用Keysight N9917 A 网络分析仪在4 K真空下进行的。被测设备电路由组装的FLAX电缆和XMA5的3 dB低温衰减器和Koaxis的25 cm 非磁性SMA-to-G3PO适配器同轴电缆的两端组成(见图 3)。使用 Crystek7 编织半刚性同轴电缆作为校准参考。测试过程中的重复处理表明,电缆具有接近 2 mm的最小内弯曲半径,并且对低温循环具有鲁棒性。

图3

A.传输

FLAX传输中的纹波表明走线上存在驻波模式,这表明FLAX电缆和50Ω电路之间存在阻抗不匹配(见图 4)。传输纹波不是均匀谐波,这表明阻抗沿每条走线随长度变化。这可以通过沿电缆的微点焊位置的缺陷来解释,这些缺陷决定了内部和外部同轴导体之间的距离,从而决定了特征阻抗。

图4

使用针对损耗调整的TDR测量来探测走线的特征阻抗,这证实阻抗沿走线在55–65±3Ω之间变化(参见图 5)。电缆中不同点的这种不匹配会发射反射波,从而导致观察到的纹波。

图5

我们假设导致阻抗失配的另一个因素起源于电缆末端的中间区域,在那里中心导体离开箔护套并过渡到 GCPW 过渡板(见图 1a)。在离开接地屏蔽后,裸露的导线可以充当电感器。我们小组之前所做的工作表明,传输线输入和输出上的电感会导致纹波在较高频率下增加幅度。这是因为完美电感器的阻抗随频率,即 ZL = jωL。随着每一次连续的电缆迭代,制造技术得到改进,外露线的长度缩短,与频率相关的纹波幅度减小。使用毛细管将头发状的中心导体钉紧到过渡板大大降低了电缆端部电感。

使用纹波峰值,我们证明在8 GHz下30 cm 电缆的损耗约为1dB,略高于市售超导同轴电缆 的0.5 dB/m 损耗。这种差异不能用电缆材料或几何形状的差异来解释。很可能,我们额外损耗的来源是由制造缺陷引起的阻抗不匹配,如上所述,这些缺陷会在电缆中和末端产生反射。

B. 串扰

我们发现平均最近邻前向串扰为-60dB(见图 4)。这比我们之前使用柔性层压 NbTi-on Kapton微带电缆实现的结果低大约30 dB。由于电缆安装在斯巴鲁天文台的 MKID 系外行星相机(MEC)中,这种增强的隔离使我们的像素良率增加了约20%。我们怀疑这种巨大的改进是因为暴露的微带线几何形状允许线对线耦合,而FLAX的同轴特性屏蔽了中心导体,从而防止了信号损坏。在电缆的早期迭代中,我们发现接地屏蔽中不常见或失败的微点焊会导致更高水平的串扰。这使我们得出结论,在走线之间加入小于λ/16 的微点焊会降低电磁耦合。

C. 热导率

按照之前的惯例,电缆热导率G(T)是通过对由横截面加权的组成材料的文献值求和来计算的(见图 6)。

图 6

我们将超导同轴带状电缆与两种市售的超导同轴电缆以及我们实验室之前开发的层压 NbTi-on-Kapton 微带电缆进行了比较。我们使用 PTFE 估算了柔性同轴带状电缆中存在的 PFA电介质的热导率;两种商业解决方案中使用的电介质相同。我们选择KEYCOM和 CryoCoax的最小商用超导同轴电缆进行比较。电缆的电气和热性能总结在表I中。

表I

从一个温度阶段到另一个温度阶段的热负荷可以通过将图6中的值从T1 积分到 T2 (T1 < T2) ,并除以电缆长度来计算。10走线FLAX电缆目前安装在 MEC 实验中,它们从 3.4 K 阶段到 90 mK 冷ADR阶段跨越33cm,散热器在电缆长度的一半处大约为800mK。我们估计它们在90 mK冷ADR 阶段产生约200nW的热负载。这大约相当于Nikaflex电缆产生的热负载,大约是任一商业同类产品热负载的一半。

四、结论

我们制造了一种超导柔性同轴电缆,能够以最小的损耗、串扰和热传导在温度级之间传输微波信号。强大的信号隔离对于跨温度级移动4-8 GHz 服务于10000多个多路复用传感器的应用尤为重要。与我们团队之前开发的NbTi-on-Kapton微带电缆相比,FLAX 电缆的串扰提高了30dB。这种增强的隔离促进了MEC实验中MKID像素良率增加约20%。我们预计这些结果对于需要强信号隔离的高密度微波超导探测器阵列尤其有用。

本文中介绍的电缆技术还具有非常低的热导率。对于给定的热预算,FLAX 电缆允许的探测器数量是领先的商业选项的两倍。减少的热负荷与推入式小尺寸连接器和减少的走线间距相结合,可以提高低温系统中的检测器密度。我们发现 8 GHz 下的衰减为 1 dB,纹波约为 3 dB,最坏的情况是比商业选项多2倍的损耗。这种幅度的纹波和损耗不会影响我们在输入侧的阵列,因为我们可以驱动位于传输骤降处的微波谐振器 (MKID),其功率高于它们的频率邻居。

但是,这些功能会降低输出的整体信噪比。对于在 8 GHz 以上频率运行的系统或受放大器动态范围限制的系统,纹波和损耗可能会变得令人望而却步。通过提高 NbTi 箔卷曲形成和微点焊位置的制造精度,可以减少插入损耗和纹波。连接推进式连接器和走线的替代方法,例如,采用镍等易于焊接的材料刷镀 NbTi 中心导体,也可以改善阻抗匹配。

最后,我们注意到这些电缆相对容易制造。许多组件,尤其是细NbTi中心导线,都可以在市场上买到。所有电缆迭代都是在加州大学圣巴巴拉分校内部制造的。两天内可组装十个微量FLAX。总体而言,对于我们构建高密度超导探测器阵列的应用,我们发现这种电缆技术优于商业选项。

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