汪漫沈潔

(武漢商學(xué)院，湖北 武漢 430056)

一、引言

量子計(jì)算計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜并行運(yùn)算，這種優(yōu)勢是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法超越的[1,2]。J.I.Cirac和P.Zoller于1995年首次提出了通過粒子質(zhì)量分析器進(jìn)行量子計(jì)算研究[3]。粒子質(zhì)量分析器是一種基于交變電場的四極線型阱裝置，利用靜電場和射頻場相結(jié)合，使帶電粒子在超高真空環(huán)境中被約束在力學(xué)平衡點(diǎn)上像簡諧振子一樣來回運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)粒子的囚禁[4,5]。粒子質(zhì)量過濾器的交變場主要由射頻源提供，因此，射頻源輸出射頻信號的幅度、穩(wěn)定度與粒子的囚禁緊密相關(guān)，其體積功耗也是量子計(jì)算系統(tǒng)小型化重點(diǎn)關(guān)注的問題[6]。

傳統(tǒng)的射頻源采用商用信號發(fā)生器輸出射頻小信號，通過升壓線圈升壓，連接到線型阱的極桿上[7]。由于商用信號發(fā)生器體積較大，且運(yùn)行功率較高，不利于小型化；與此同時(shí)，由于信號發(fā)生器輸出信號功率較小，且線圈升壓能力有限，無法獲得較高電壓幅度的射頻信號。利用DDS技術(shù)能夠獲得正弦信號，替代傳統(tǒng)射頻源中的信號發(fā)生器，也減小了射頻源的體積功耗，但設(shè)計(jì)過程較為繁瑣[3]。本文提出了一種千伏以上高穩(wěn)定度低功耗射頻源的研制方案，其設(shè)計(jì)方法更加簡單，體積功耗也進(jìn)一步減小。

二、射頻源的研制方案

本文提出的千伏以上高穩(wěn)定度低功耗射頻源，是一種基于數(shù)字器件與模擬器件相結(jié)合構(gòu)成的電路，可以獲幅值高且穩(wěn)定的射頻信號，體積功耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)射頻源，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 射頻源結(jié)構(gòu)框圖

該射頻源主要由數(shù)字模塊和模擬模塊兩大部分組成。其中，數(shù)字模塊包括：方波信號發(fā)生器和驅(qū)動器兩個(gè)部分；模擬模塊主要包括：功率放大器和升壓器兩個(gè)部分，兩個(gè)模塊組合實(shí)現(xiàn)射頻信號的輸出。數(shù)字器件一般具有信噪比好、穩(wěn)定度高、功耗低等優(yōu)良特性，利用數(shù)字電路與模擬電路結(jié)合研制射頻源，較模擬射頻源輸出信號具有較高穩(wěn)定度，且功耗更低。

射頻源數(shù)字模塊利用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器輸出方波脈沖信號，斯密特觸發(fā)器本身還具有對脈沖信號進(jìn)行整形的作用，因此，在得到方波脈沖信號之后再次通過自身斯密特觸發(fā)器通道對信號進(jìn)行整形降噪處理輸出；然后經(jīng)MOS管驅(qū)動器提高信號驅(qū)動能力，以匹配后級模擬模塊。

方波發(fā)生器電路原理圖如圖2所示。

圖2 方波信號發(fā)生器

圖2 所示方波信號發(fā)生器實(shí)質(zhì)為斯密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器。當(dāng)觸發(fā)器電源接通時(shí)，施密特觸發(fā)器輸入為零，輸出反相，為高電平；輸出高電平信號通過電阻R返回輸入端，對電容C充電；當(dāng)輸入端電壓達(dá)到高電平閾值時(shí)，施密特觸發(fā)器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變?yōu)榈碗娖剑淮藭r(shí)電容C開始放電，輸入端電平逐漸下降，當(dāng)輸入端電壓低于低電平閾值時(shí)，觸發(fā)器輸出再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此循環(huán)，輸出振蕩的脈沖方波信號。施密特觸發(fā)器輸入、輸出端對應(yīng)波形如圖3所示。

圖3 施密特觸發(fā)器輸入、輸出波形

斯密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器振蕩周期公式為：

根據(jù)公式（1）及施密特觸發(fā)器典型參數(shù)可推算方波發(fā)生器輸出脈沖頻率為：

此處，R為精密可調(diào)電阻，能夠調(diào)節(jié)方波發(fā)生器輸出脈沖信號頻率。

射頻源的模擬模塊為甲乙類推挽功率放大器連接升壓器構(gòu)成。使用甲乙類推挽功率放大器既能直接對方波信號進(jìn)行的功率放大，獲得高效率的交變信號，又能避免信號的交越失真。交變信號由自制線圈升壓器進(jìn)一步升壓，與此同時(shí)，通過微調(diào)數(shù)字模塊中的電阻R使得脈沖信號頻率與升壓線圈諧振頻率一致，從而將射頻交變信號電壓幅度升至千伏以上。

三、射頻源的性能測試

根據(jù)設(shè)計(jì)的電路，經(jīng)行了相關(guān)性能測試。

圖4 方波輸出信號

圖5 測試端輸出交變信號

如圖4和圖5分別為由集成化數(shù)字電路結(jié)合模擬電路組成的射頻源數(shù)字模塊和模擬模塊輸出的測試信號。從圖4可以看出，數(shù)字模塊能夠輸出波形較好的方波脈沖信號，測試的頻率約為1.4MHz（實(shí)際可調(diào)范圍0.5-10MHz）；模擬模塊輸出的交變信號電壓幅值在千伏量級，因此對信號進(jìn)行十倍分壓，得到測試端輸出信號如圖5所示，輸出的射頻信號電壓幅值在（0-2000）V范圍內(nèi)可調(diào)，具有較高的穩(wěn)定度。由于其升壓線圈為手工繞制，諧振頻率無法做到精確可調(diào)，只能憑借繞制經(jīng)驗(yàn)增減線圈圈數(shù)，粗略改變頻率，然后通過調(diào)節(jié)多諧振蕩器輸出脈沖信號頻率，實(shí)現(xiàn)諧振。為了驗(yàn)證信號是否符合預(yù)期，對射頻源輸出信號進(jìn)行了穩(wěn)定性測試。

穩(wěn)定度公式可表示為：

其中，xi表示采樣數(shù)據(jù)，n為采樣點(diǎn)數(shù)，x為n個(gè)采樣數(shù)據(jù)的平均值。

測試結(jié)果通過穩(wěn)定性分析如下：

圖6 幅度穩(wěn)定度趨勢線

圖7 頻率穩(wěn)定度趨勢線

圖6 和圖7為測試端信號的穩(wěn)定度測試情況，可以看出，研制的射頻源在長期運(yùn)行的情況下，輸出信號的幅度以及頻率都趨于穩(wěn)定；經(jīng)過計(jì)算，其幅度和頻率的萬秒穩(wěn)定度分別為0.267%、0.443%，其體積約為0.1 L，功耗僅3.5W。

四、結(jié)論

本文以量子計(jì)算線型阱為研究背景，研制了一種千伏以上高穩(wěn)定度低功耗的射頻源。該射頻源在信號發(fā)生器模塊利用精簡的數(shù)字器件代替復(fù)雜的模擬器件，降低了裝置體積功耗，且提高了電路可靠性。從測試結(jié)果可以看出，研制的射頻源不僅能夠輸出千伏以上的交變信號，且能夠長期穩(wěn)定的運(yùn)行。與此同時(shí)，該射頻源還具有體積小、功耗低等優(yōu)異性能。