[论文解读] High Saturation Power Josephson Parametric Amplifier with GHz Bandwidth

Ofer Naaman, Douglas Ferguson+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Advanced Electrical Measurement Techniques被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种高饱和功率、超宽带的约瑟夫森参量放大器，其带宽超过1.6 GHz，饱和功率接近-90 dBm，通过将三极点带通阻抗匹配网络与40 junction的射频-SQUID阵列非线性元件相结合实现。该设计使带宽相比当前最先进的JPAs和JPCs提升了50倍，饱和功率提升了100倍，理论建模与WRSpice仿真结果高度一致。

ABSTRACT

We present design and simulation of a Josephson parametric amplifier with bandwidth exceeding 1.6 GHz, and with high saturation power approaching -90 dBm at a gain of 22.8 dB. An improvement by a factor of roughly 50 in bandwidth over the state of the art is achieved by using well-established impedance matching techniques. An improvement by a factor of roughly 100 in saturation power over the state of the art is achieved by implementing the Josephson nonlinear element as an array of rf-SQUIDs with a total of 40 junctions. WRSpice simulations of the circuit are in excellent agreement with the calculated gain and saturation characteristics.

研究动机与目标

• 为克服约瑟夫森参量放大器（JPAs）和约瑟夫森参量混频器（JPCs）中带宽与饱和功率之间的权衡。
• 在保持高饱和功率的同时，实现高增益（22.8 dB）和宽频带（>1.6 GHz）。
• 实现一种能够处理高功率电平而不发生饱和的非线性元件，从而实现接近-90 dBm输入功率下的稳定工作。
• 证明阻抗匹配技术可显著扩展JPA架构的带宽，而无需依赖大量结的数量。
• 通过基于泵浦电感模型的理论分析与WRSpice中的全非线性电路仿真，验证设计性能。

提出的方法

• 设计一个三极点耦合谐振器带通匹配网络，将非线性元件与50 Ω系统阻抗匹配，以最大化增益和带宽。
• 采用40个射频-SQUID并联阵列作为非线性有源元件，每个结具有临界电流和低电感并联支路，以防止相位跳变并提升功率处理能力。
• 利用泵浦电感模型计算等效导纳 Y_sq(ω)，并确定实现所需增益和带宽所需的泵浦幅度与直流磁通偏置。
• 应用Bode-Fano与Kuh-Patterson理论，对最大可实现的增益-带宽积进行理论约束，并指导匹配网络的设计。
• 在WRSpice中通过瞬态分析与I-Q解调方法仿真全非线性电路，提取反射系数，并测量增益与饱和特性。
• 将基于泵浦耗尽饱和模型的理论预测与SPICE仿真结果进行对比，以验证饱和功率估计的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 阻抗匹配技术是否能显著提升约瑟夫森参量放大器的带宽，使其突破典型共振JPAs和JPCs的10 MHz限制？
• RQ2 具有40个结的射频-SQUID阵列非线性元件能否实现接近-90 dBm的饱和功率，从而在高输入功率下避免增益压缩？
• RQ3 泵浦电感模型结合泵浦耗尽饱和机制，在预测放大器大信号行为方面，与全电路仿真相比有多高的准确性？
• RQ4 三极点匹配网络与高功率非线性元件的结合，如何实现相比当前最先进的器件在带宽上提升50倍、饱和功率上提升100倍？
• RQ5 该放大器的实际1 dB压缩点是多少？其与基于泵浦模式中功率平衡的理论预测相比如何？

主要发现

• 根据泵浦电感模型计算，放大器的3 dB带宽为1.63 GHz，最大增益为22.8 dB，增益纹波为0.74 dB。
• WRSpice对全非线性电路的仿真结果与理论预测高度一致，验证了增益响应与带宽特性。
• 仿真得到的饱和功率（1 dB压缩点）为-92.2 dBm，泵浦耗尽模型预测值为-91 dBm，表明仿真与理论具有极强的一致性。
• 与当前最先进的JPAs和JPCs相比，该放大器实现了50倍的带宽提升，后者通常工作在约10 MHz带宽。
• 与当前最先进的器件相比，该放大器实现了100倍的饱和功率提升，后者通常在低于-110 dBm时即发生饱和。
• 所需的泵浦幅度为每结Φ_ac = 0.073 Φ₀（总计2.93 Φ₀），直流磁通偏置经优化后在中心频率处实现R_sq = -9.15 Ω。