阅读说明：本技术 一种适用于低温环境的多通道电压源 (Multi-channel voltage source suitable for low-temperature environment ) 是由 孔伟成 陈华鹏 程帅 李松 卜俊秀 于 2019-12-11 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种适用于低温环境的多通道电压源,包括设置于低温腔外部的信号源单元和设置于低温腔内部的信号调制单元；所述信号源单元,用于输出一混合模拟信号,所述混合模拟信号包含多个频率互不相同的子模拟信号；所述信号调制单元,通过一传输线连接所述信号源单元,用于接收所述混合模拟信号,并将所述混合模拟信号拆分并处理成与各所述子模拟信号对应的直流信号。本申请提供的电压源能够应用于低温环境,能够为低温环境内的工作元件提供精度一定程度能够得到保障的多路直流信号。(The application discloses a multi-channel voltage source suitable for a low-temperature environment, which comprises a signal source unit arranged outside a low-temperature cavity and a signal modulation unit arranged inside the low-temperature cavity; the signal source unit is used for outputting a mixed analog signal, and the mixed analog signal comprises a plurality of sub analog signals with different frequencies; the signal modulation unit is connected with the signal source unit through a transmission line and used for receiving the mixed analog signals, splitting the mixed analog signals and processing the split mixed analog signals into direct current signals corresponding to the sub-analog signals. The voltage source provided by the application can be applied to a low-temperature environment, and can provide a multi-channel direct current signal with guaranteed precision to a certain degree for working elements in the low-temperature environment.)

一种适用于低温环境的多通道电压源

技术领域

本申请属于电力电子技术领域，特别是一种适用于低温环境的多通道电压源。

背景技术

目前，常用的电压源结构整体性较强，其安装方式受限，在一些极低温环境中无法提供高精度、低噪声的电源信号，且输出端口有限。在一个具体的应用场景中，电压源为量子计算机中的多位量子芯片提供电压信号，由于量子芯片工作在设置于极低温的低温腔中，且量子芯片的位数达到成千甚至上万位时，需要的电压信号的数量也随着量子芯片的位数增加如若采用常用的电压源配置在低温腔内，电压源中的控制器件等部分元器件的工作性能难以保证，输出电压信号的精度和噪声无法满足量子芯片的需求；如若采用常用电压源配置在低温腔外，需要提供多个常用电压源且各电压信号需要通过多根传输线传输到低温腔内部。此时传输线多，易存在串扰或者传输线本身发热导致的热噪声对信号的影响，进而影响信号传输过程中的精度和准确度。同时信号控制复杂度高，增加了信号控制难度，且无法实现集成设计。

综上，现有技术中缺少能够适用于低温环境的多通道电压源。

发明内容

本申请的目的是提供一种适用于低温环境的多通道电压源，以解决现有技术中的不足。

本申请采用的技术方案如下：

一种适用于低温环境的多通道电压源，包括设置于低温腔外部的信号源单元和设置于低温腔内部的信号调制单元；

所述信号源单元，用于输出一混合模拟信号；所述混合模拟信号包含多个频率互不相同的子模拟信号；

所述信号调制单元，通过一传输线连接所述信号源单元，用于接收所述混合模拟信号，并将所述混合模拟信号拆分并处理成与各所述子模拟信号对应的直流信号。

进一步的，所述信号源单元包括DAC模块和信号合路模块；

所述DAC模块，用于产生多个频率互不相同的子模拟信号；

所述信号合路模块，用于将各所述子模拟信号合成为所述混合模拟信号。

进一步的，所述DAC模块可以设置为一个或多个；当所述DAC模块设置为多个时，所述DAC模块数量不大于所述子模拟信号的数量。

进一步的，所述信号调制单元包括功分器模块、滤波模块和整流检波模块；

所述功分器模块，连接所述信号源单元，用于将所述混合模拟信号拆分成多个相同的混合模拟子信号；其中，所述混合模拟子信号的数量等于所述子模拟信号的数量；

所述滤波模块，连接所述功分器模块，用于对各所述混合模拟子信号分别进行滤波处理，获得频率与所述子模拟信号频率对应的待整流模拟子信号；

所述整流检波模块，连接所述滤波模块，用于对各所述待整流模拟子信号进行整流处理，获得各所述直流信号。

进一步的，所述滤波模块包括多个带通滤波器；

各所述带通滤波器分别连接所述功分器模块的不同输出端口，且各所述带通滤波器工作频率与各所述子模拟信号频率一一对应。

进一步的，所述带通滤波器为集总滤波器、腔体滤波器、介质滤波器中的一种或多种。

进一步的，所述集总滤波器可以包括RC滤波器、LC滤波器中一种或多种；

其中，所述RC滤波器和所述LC滤波器均为无源器件。

进一步的，所述整流检波模块包括整流二极管和低通滤波器；

所述整流二极管，连接所述滤波器模块，用于对所述待整流模拟子信号进行处理，获得正向待整流模拟子信号；

所述低通滤波器，连接所述整流二极管，用于对所述正向待整流模拟子信号进行滤波处理，获得所述直流信号。

进一步的，所述信号调制单元还包括运放转换模块；所述运放转换模块连接所述整流检波模块的输出端，用于对接收到的各所述直流信号分别进行运放处理并输出运放处理后的信号。

进一步的，所述传输线包括两端分别连接所述信号源单元和所述信号调制单元的高频同轴电缆。

与现有技术相比，本申请通过位于低温腔外部的信号源单元提供包含多个频率互不相同的子模拟信号的一混合模拟信号，然后将该混合模拟信号经过一传输线传输至设置于低温腔内部的信号调制单元内，经过信号调制单元的拆分处理得到所需要的直流信号，即电压源信号；整个过程，把信号的生成拆分为设置为低温腔外的包含多个频率互不相同的子模拟信号的一混合模拟信号的生成，以及低温腔内对混合模拟信号的拆分处理成多个所需要直流信号生成的过程。整个构思，相比直接采用设置在低温腔内的电压源或者相比直接采用设置在室温并通过多条传输线传输至低温腔的电压源，不是直接在低温腔内生成多路直流信号，从信号源头上保证了直流信号的精度和可靠性；也不是直接在室温生成多路直流信号然后分别传输，保证了信号传输过程中的精度。其中，信号传输过程中的精度主要受传输线之间的串扰、传输线本身发热导致的热噪声等；所以本申请提供的电压源能够为低温腔内的工作元件提供精度一定程度能够得到保障的多路直流信号，换言之，本申请提供的电压源能够应用于低温环境，能够为低温环境内的工作元件提供精度一定程度能够得到保障的多路直流信号。

具体的，本申请通过使用将多种信号合成为一个混合模拟信号，并针对性的设置一个传输线传输该混合模拟信号，减少了传输信号的数量，进而避免了各信号之间的串扰，以及存在多条传输线时存在的传输线发热导致带来的热噪声对信号的影响；同时仅采用一根传输线，减少了有限空间的传输线排布，一方面简化了传输线排布，降低信号控制难度，且实现了集成设计。

附图说明

图1是本申请功能单元组成图；

图2是本申请信号源单元组成图；

图3是本申请信号调制单元组成图；

图4是本申请功能模块组成图；

图5是本申请整流检波模块组成图；

图6是本申请运放转换模块组成图。

图7是本申请信号转换过程图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

如图1所示，本申请的实施例提供了一种适用于低温环境的多通道电压源，所述电压源包括设置于低温腔外部的信号源单元和设置于低温腔内部的信号调制单元。

所述信号源单元，用于输出一混合模拟信号；所述混合模拟信号包含多个频率互不相同的子模拟信号。

所述信号调制单元，通过一传输线连接所述信号源单元，用于接收所述混合模拟信号，并将所述混合模拟信号拆分并处理成与各所述子模拟信号对应的直流信号。

如图1所示，本实施例中所述低温腔环境温度为4K以下，具体实施时，所述低温腔内的环境温度可以根据不同的应用需要调整(示例性地，如本实施例提供的电压源应用到量子计算中，低温腔内的环境温度一般保持在10mK-4K；如本实施例提供的电压源应用到宇航中，低温腔内的环境温度一般保持在77K-200K)。将所述信号源单元设置于低温腔外部，其中：所述低温腔外部的温度高于所述低温腔内部的温度；通常所述低温腔外部温度是指室温，低温腔环境温度为4K以下；可以避免环境温度对仪器性能的影响，进而保证所述信号源产生的所述混合模拟信号的精度；并通过设置于所述低温腔内部的所述信号调制单元对所述混合模拟信号进行拆分和处理，能够降低所述混合模拟信号的热噪声，进而获得低噪声的多个所述直流信号。

本申请通过设置于低温腔外部的信号源单元产生包含多个频率互不相同的子模拟信号的混合模拟信号，并通过一传输线传输到设置于低温腔内部的信号调制单元，通过所述信号调制单元对所述混合模拟信号进行拆分并处理成与各所述子模拟信号对应的直流信号；减少了传输信号的数量，进而避免了各信号之间的串扰，以及存在多条传输线时存在的传输线发热导致带来的热噪声对信号的影响；同时仅采用一根传输线，减少了有限空间的传输线排布，一方面简化了传输线排布，降低信号控制难度，且实现了集成设计；本申请提供的电压源能够应用于低温环境，能够为低温环境内的工作元件提供精度一定程度能够得到保障的多路直流信号。

在具体实施的时候，上述所述信号源单元可以包括DAC模块和信号合路模块；所述DAC模块，用于产生多个频率互不相同的子模拟信号；所述信号合路模块，用于将各所述子模拟信号合成为所述混合模拟信号。

多个频率互不相同的所述子模拟信号可以由各种信号源设备产生，比如信号发生器、任意波形发生器、DAC模块等，本申请在具体实施的时候，需要在信号源头即所述信号源设备上对产生的所述子模拟信号时的精确度进行控制，因此选用高位数的DAC模块，例如8位DAC模块，甚至12位DAC模块，可以使得在室温产生的各所述子模拟信号的频率、幅度和精度得到有效的保障，进而保证通过所述低温腔内设置的所述信号调制单元的拆分和处理之后得到的所述直流信号的幅度更准确、精度更高。

当所述DAC模块用于产生多个频率互不相同的子模拟信号时，所述DAC模块可以设置为一个或多个；当所述DAC模块设置为多个时，所述DAC模块数量不大于所述子模拟信号的数量。

具体的，可以采用一个所述DAC模块产生多个频率互不相同的子模拟信号，或采用多个DAC模块分别提供一个所述子模拟信号，且各所述所述子模拟信号的频率互不相同。采用一个所述DAC模块产生多个频率互不相同的子模拟信号时，由于多个子模拟信号的频率互不相同，所述DAC模块的输出信号频率带宽要很宽，不仅需要保证多个子模拟信号的频率互不相同，还需要保证多个子模拟信号之间的频率间隔大，防止信号串扰。可以想象到的是，当应用到量子测试领域，需要提供很多通道的电压信号时，一个所述DAC模块难以满足多通道需求。

因此，在本申请实施例中，设置多个多数DAC模块，各所述DAC模块分别提供一个所述子模拟信号，且各所述所述子模拟信号的频率互不相同；通过设置一个所述DAC模块产生单一频率的所述子模拟信号，可以保证所述子模拟信号的频率精确；进而通过所述合路模块合成包含多个频率的混合模拟信号，并通过所述传输线传输到所述信号调制单元。

需要特别说明的是，所述DAC模块产生的各所述子模拟信号不仅包含频率参数，还包括幅度参数，各所述子模拟信号的幅度参数可以相同，也可以不同。例如，对6比特量子芯片进行测试时，需要提供16路直流信号，可以设置16个所述DAC模块产生16个具有不同频率f和幅度V参数的模拟信号，并通过所述信号合路模块合并成一路混合模拟信号，则所述混合模拟信号表示为：

V(t)＝V₁ cos 2πf₁t+V₂ cos 2πf₂t+…+V₁₆ cos 2πf₁₆t；

其中，所述频率f和所述幅度V均可根据用户的需求进行任意修改，适用性很高。

如图2所示，所述合路模块可以设置为微波合路器或反置的微波功分器，均具有接收多个信号并混合成一个信号输出的功能。微波合路器作为微波器件在通信领域被广为应用，具有多个输入端口和一个输出端口，可以将输入端接收的多个信号合并成一个信号并通过输出端口输出；而微波功分器的功能与所述微波合路器相反，是将一个信号等分成多个信号输出；因此将所述微波功分器反向装置在测试电路中，可以达到与所述微波合路器相同的作用。

本实施例采用的是反置的微波功分器。具体的使用方法为：将所述微波功分器的多个输出端口分别连接所述DAC模块的输出端口，接收由所述DAC模块产生的各所述子模拟信号，并通过输入端输出混合模拟信号到所述传输线。

如图3所示，当设置位于所述低温腔内部的所述信号调制单元对所述混合模拟信号进行拆分和处理时，所述信号调制单元包括功分模块、滤波模块和整流检波模块；所述功分模块，连接所述信号源单元，用于将所述混合模拟信号拆分成多个相同的混合模拟子信号；其中，所述混合模拟子信号的数量等于所述子模拟信号的数量；所述滤波模块，连接所述功分器模块，用于对各所述混合模拟子信号分别进行滤波处理，获得频率与所述子模拟信号频率对应的待整流模拟子信号；所述整流检波模块，连接所述滤波模块，用于对各所述待整流模拟子信号进行整流处理，获得各所述直流信号。

如图4所示，当所述信号源单元包括所述DAC模块和所述信号合路模块时，所述功分器模块的输入端通过所述传输线连接所述信号合路模块的输出端，将接收到的所述混合模拟信号按照幅度参数分成多个频率相同的所述混合模拟子信号并通过输出端口输出，其中各所述混合模拟子信号的频率包含各所述子模拟信号的频率，且幅度与各所述子模拟信号的幅度一一对应。

在本申请实施例具体实施时，通过所述功分器模块拆分生成的所述混合模拟子信号的数量等于所述DAC模块输出的所述子模拟信号的数量相同。

具体的，通过所述功分器模块拆分生成的多个所述混合模拟子信号是包含多个频率的混频信号，需要通过所述滤波模块对各所述混合模拟子信号进行过滤，获得多个具有单一频率的待整流模拟子信号，其中，各所述待整流模拟子信号的频率与各所述子模拟信号的频率一一对应。

在具体实施的时候，所述滤波模块包括可以多个带通滤波器；各所述带通滤波器分别连接所述功分器模块的不同输出端口，且各所述带通滤波器工作频率与各所述子模拟信号频率一一对应。

通过所述功分器模块拆分生成的所述混合模拟子信号包含所有所述子模拟信号的频率的，是无法进行通过整流滤波转换成直流信号的，因此需要采用工作频率与各所述子模拟信号频率一一对应的带通滤波器对各所述混合模拟子信号进行滤波，进而获得具有单一频率的各所述待整流模拟子信号。

在通信领域，所述带通滤波器可以包含腔体带通滤波器、介质带通滤波器、带通滤波器等多种类型的滤波器，在本申请具体实施时采用所述集总滤波器，体积小，易于集成。

在本申请实施时，所述集总滤波器可以包括RC滤波器、LC滤波器中一种或多种。在具体到量子领域的应用时，所述带通滤波器均采用无源RC滤波器或无源LC滤波器中的一种或多种，可以有效减小工作电压或电流带来的额外功耗和电磁串扰影响。

相比较而言，所述RC滤波器的品质因素Q值较低，当对窄带宽的频率段进行滤波器时，信号的损耗大，比较适用于低频的滤波；且电阻在通过电流或者电压时，会发热，增加功耗。所述LC滤波器发热小，且品质因素Q值相对较高，当对窄带宽的频率段进行滤波器，特别是对高频的窄带宽的频率段进行滤波器时，效果更优。因此在本申请实施时，所述集总滤波器优选LC滤波器方案，适用于所述量子芯片工作的高频信号线路，且功耗低、对本申请实施的具有窄带宽特性的所述混合模拟子信号，滤波效果更优。

当所述适用于低温环境的多通道电压源应用到量子测试领域，为量子芯片提供所述直流信号时，需要对所述带通滤波器的抑制度提出要求。具体的，各所述带通滤波器对除了对应的所述子模拟信号以外的其他频率的所述子模拟信号的抑制度，需要大于80dB，其中，所述80dB抑制度是所述带通滤波器隔离带隔离度的典型标准，即其他频率的所述子模拟信号在通过所述带通滤波器之后衰减80dB，以保证通过所述带通滤波器输出的各所述待整流模拟子信号之间的影响降到最小。

通过设置于所述低温腔内部的所述功分模块所述滤波器模块将所述混合模拟信号各子模拟信号对应的所述待整流模拟子信号所述低温腔外部的所述信号合路模块和所述低温腔内部的所述功分模块仅通过一根传输线连接，达到传输多路子模拟信号的效果。特别是在量子计算领域，当对多比特的量子芯片进行控制和测试时，需要几百甚至上千通道的直流信号时，采用尽可能少的传输线即可达到更多通道的直流信号传输需求，有效的减少了传输线的数量和控制难度

需要说明的是，通过各所述滤波模块输出的所述待整流模拟子信号是包含频率和幅度参数的模拟信号，是无法作为直流信号源直接被使用的，需要通过整流检波模块将所述待整流模拟子信号处理成具有单一频率且纹波很小的直流信号，作为电压源的输出信号。

所述整流检波模块包括整流二极管和低通滤波器；所述整流二极管连接所述滤波器模块，用于对所述待整流模拟子信号进行处理，获得正向待整流模拟子信号；所述低通滤波器连接所述整流二极管，用于对所述正向待整流模拟子信号进行滤波处理，获得所述直流信号。

如图5所示，所述整流二极管可以包括适用于低温环境的肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极端连接所述带通滤波器，接收所述带通滤波器产生的所述待整流模拟子信号，依靠所述肖特基二极管的正向导通特性，隔断反向的所述待整流模拟子信号，并通过负极端输出只包含正向的半波待整流模拟子信号。

所述低通滤波器连接所述整流二极管的负极，所述低通滤波器采用电容器，利用电容器的充电放电功能，可以对所述肖特基二极管输出的只包含正向的半波带整流信号进行滤波，使得所述正向的半波带整流信号的幅度稳定在固定值且纹波很小，进而获得所述直流信号。需要说明的是，所述肖特基二极管和所述电容器均设置为无源器件，可以有效减小各模块的供电电压或电流带来的额外功耗和电磁串扰影响。

所述信号调制单元还包括运放转换模块；所述运放转换模块连接所述整流检波模块的输出端，用于对接收到的各所述直流信号分别进行运放处理并输出运放处理后的信号。

具体的，所述电压源的应用场景不同，对于输出的所述直流信号的精度和幅度要求也不同，可以通过所述运放转换模块实现各种转换电路，例如加法电路、减法电路等等，进而使得所述直流信号转换成用户所需的具有特定幅值区间的且波动很小的直流信号，满足各种直流信号源的需求。

当本申请应用于量子芯片测试领域时，所述量子芯片所需要提供一个幅值范围为-1V-+1V的直流电压源，可以通过所述运放模块的转换获得精确的-1V-+1V的直流电压信号。具体的，如图6所示。

如图6所示，所述运放转换模块包括电流反馈放大器芯片U1，所述芯片U1的正向输入端并联连接电阻R2和R3的一端，其中所述电阻R2的另一端连接到所述低通滤波器，用于接收经过所述低通滤波器进行滤波之后的所述直流信号；所述电阻R3的另一端连接加法器V3-1，实现所述直流信号的转换。例如，所述直流信号的幅度为1V-3V，通过所述加法器提供幅度为-2V的直流信号，对所述直流信号的幅度调整-2V，即可获得-1V-+1V的直流信号，经过调整幅度在-1V-+1V的所述直流信号提供给所述电流反馈放大器芯片U1的正相输入端，通过所述电流反馈放大器芯片U1的处理可以对所述直流信号的精度和噪声抑制进一步的提高。其中，所述电流反馈放大器芯片U1的工作电压分别由V+和V-提供。

所述传输线包括两端分别连接所述信号源单元和所述信号调制单元的高频同轴电缆。

具体的，当所述电压源应用到量子计算领域时，总所周知，目前的量子芯片均工作在4-6GHz之间，应用于所述量子芯片测试的各种调控信号频率也设置在4-8GHz之间，因此采用所述高频同轴电缆传输信号，可以有效的减小测试线路引起的信号衰减。

如图7所示，本申请实施例提出一种多通道模拟信号转换成直流信号的的转换过程。

1、子模拟信号的生成：各子模拟信号由一个或者多个DAC模块生成，所述子模拟信号具有频率和幅度参数，且各所述子模拟信号的频率和幅度参数各不相同；

2、混合模拟信号的生成：各所述子模拟信号通过信号合路模块进行合成转换成一个混合模拟信号，其中，所述混合模拟信号包含各所述子模拟信号的频率和幅度参数；

3、混合模拟子信号的生成：所述混合模拟信号通过功分模块，转换成多个混合模拟子信号，其中各所述混合模拟子信号的频率相同，且幅度与所述子模拟信号的幅度参数一一对应；

4、待整流模拟子信号的生成：各所述混合模拟子信号分别通过一个滤波模块，对各所述混合模拟子信号的频率进行滤波，转换成频率与所述子模拟信号的频率参数一一对应的待整流模拟子信号；

5、直流信号的生成：各所述待整流模拟子信号依次通过整流检波模块和运放转换模块，对各所述待整流模拟子信号的频率和幅度进行优化，转换成纹波很小的高精度直流信号。

如上述的多通道模拟信号转换成直流信号的的转换过程，当要求所述直流信号在极低温环境输出时，所述子模拟信号的生成和所述混合模拟信号的生成均在低温腔外部进行，可以保证由所述DAC模块生成的所述子模拟信号的的频率和幅度参数的精确性，进而混合成包含各所述子模拟信号的的频率和幅度参数的所述混合模拟信号。所述混合模拟子信号的生成、所述待整流模拟子信号的生成和所述直流信号的生成均在低温腔内部进行，通过所述滤波器模块、所述整流检波模块和所述运放转换模块可以提高生成的所述直流信号的精度并减小噪声影响。

当要求所述直流信号应用在量子计算领域时，所述功分模块、所述滤波器模块和所述整理检波模块均可以采用无源器件，可以有效减小各模块的供电电压或电流带来的额外功耗和电磁串扰影响。

本申请通过设置于低温腔外部的信号源单元将多种信号合成为一个混合模拟信号，并针对性的设置一个传输线传输该混合模拟信号，且通过设置于低温腔内部的信号调制单元对所述混合模拟信号拆分和处理获得多个所述直流信号；本申请提供的电压源能够为低温腔内的工作元件提供精度一定程度能够得到保障的多路直流信号，换言之，本申请提供的电压源能够应用于低温环境，能够为低温环境内的工作元件提供精度一定程度能够得到保障的多路直流信号。同时，本申请通过使用将多种信号合成为一个混合模拟信号，并针对性的设置一个传输线传输该混合模拟信号，减少了传输信号的数量，进而避免了各信号之间的串扰，以及存在多条传输线时存在的传输线发热导致带来的热噪声对信号的影响；同时仅采用一根传输线，减少了有限空间的传输线排布，一方面简化了传输线排布，降低信号控制难度，且实现了集成设计。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。