用于高密度超导微波器件阵列的柔性同轴带状电缆

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