[论文解读] The Effect of Parameter Variations on the Performance of the Josephson Travelling Wave Parametric Amplifiers

Searbhán Ó Peatáin, Tom Dixon+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 11

一句话总结

本文研究了基于射频SQUID阵列的约瑟夫森行波参量放大器（JTWPA）在参数变化和制造缺陷下的性能影响。通过电磁仿真，结果表明几何电感变化以及特别是对地短路等点缺陷会严重降低增益并引起微波反射；而射频SQUID结构对某些缺陷具有鲁棒性，可实现高良率、宽带宽放大，增益超过16 dB，噪声温度低于1 K。

ABSTRACT

We have simulated the performance of the Josephson Travelling Wave Parametric Amplifier (JTWPA) based on the one-dimensional array of RF SQUIDs. Unlike the ideal model in which all SQUIDs are assumed to be identical, we allowed variation of the device parameters such as the geometric inductance of the SQUID loop, capacitance to ground, Josephson junction capacitance and critical current. Our simulations confirm the negative effects of variation of the device parameters leading to microwave reflections between individual cells and the shift of the flux bias from the optimal point. The strongest effect is caused by the variation of the geometric inductance as it varies both the wave impedance and the flux bias. The most detrimental, however, are point defects, such as shorts to ground making the circuit opaque to microwaves. This imposes stringent requirements on the fabrication process making it extremely challenging. We highlight the strict limitations on parameter spread in these devices while also discussing the robustness of the scheme to variation

研究动机与目标

• 评估JTWPA性能对关键SQUID参数（如几何电感、电容和临界电流）随机变化的敏感性。
• 识别最具破坏性的制造缺陷，特别是局部短路，并评估其对微波传播和放大器增益的影响。
• 确定在保持放大器性能与理想增益相差±3 dB以内的前提下，参数波动的最大允许范围。
• 评估基于射频SQUID的JTWPA设计对常见缺陷（如短路结或断裂电感回路）的鲁棒性。
• 为利用约瑟夫森结阵列制造高良率、宽带、低噪声参量放大器提供定量设计指导。

提出的方法

• 采用一维集总元件射频SQUID单元阵列模拟JTWPA，每个单元建模为约瑟夫森结、几何电感和并联电容。
• 应用电磁仿真分析在参数变化和缺陷存在下的波传播、阻抗匹配及增益响应。
• 采用Zorin模型，设定57 pH几何电感（L_G）、100 fF静态电容（C_0）、60 fF总电容（C_T）和5 μA临界电流（I_c），实现23 Ω匹配传输线。
• 在阵列中变化单个SQUID参数（L_G、C_0、C_T、I_c），以模拟制造公差并评估性能退化。
• 建模点缺陷，如对地短路、结短路和电感回路断裂，以评估其对信号传输和增益纹波的影响。
• 通过增益曲线、反射系数和噪声温度量化性能，比较理想与缺陷配置下的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 几何电感、结电容和临界电流的变化如何影响JTWPA的增益和阻抗匹配？
• RQ2 局部缺陷（如对地短路或结短路）对微波传播和放大器性能有何影响？
• RQ3 射频SQUID结构如何提升对常见制造缺陷的鲁棒性？
• RQ4 为保持增益在理想响应±3 dB范围内，最大允许的参数波动范围是多少？
• RQ5 在长阵列中，JTWPA是否能在存在实际制造缺陷的情况下维持高性能？

主要发现

• 几何电感的变化影响最严重，因其同时改变波阻抗和磁通偏置，使器件偏离最优三波混频工作状态。
• 对地短路是最具破坏性的缺陷，导致信号近乎完全反射并衰减至噪声底限，严重劣化放大器性能。
• 结短路的影响有限，因结与几何电感呈并联结构，允许信号传播仅产生微小增益纹波。
• 多个缺陷（尤其是分布式短路）会叠加产生显著增益纹波并降低有效带宽，即使单个缺陷影响轻微。
• 射频SQUID设计具有内在鲁棒性：即使存在多个结短路，信号在经过多个节点后仍能恢复，长阵列中可维持可用增益。
• 必须严格控制制造公差，特别是几何电感和对地电容，以确保性能在理想增益曲线±3 dB范围内。