交流量子电压比例关键技术研究

Precise electrical ratio technique is essential for the unit reproduction and value transfer in electromagnetism metrology. Research on new quantum based ratio technique will promote the development of electromagnetic metrology technology. The project proposed an AC Josephson voltage standard (ACJVS) based quantum voltage ratio technology. Through optimizing 1V Josephson junction array devices, the pulse driven arbitrary waveform synthesis technique, and the transfer line matching of quantum voltage, an ideal ac quantum voltage ratio with wide frequency band can be synthesized. Based on the new ac quantum ratio technique, a new four terminal pair impedance bridge with simpler structure and capabilities to the whole complex plane can be established. The impedance measurement technology based on quantum voltage ratio will improve China’s impedance traceability.

精准的比例技术是实现计量单位复现与量值准确传递的重要保证，研究新的交流量子电压比例技术对促进电磁计量技术发展具有重要意义。本项目提出建立基于交流约瑟夫森电压标准(ACJVS)的交流量子电压比例技术，设计双路1V大规模约瑟夫森结阵比例器件，通过优化脉冲驱动的任意电压波形信号合成技术，提高交流量子电压信号的传输匹配设计，在较宽频率范围内实现精准、任意比的交流量子电压比例输出。进一步研究交流量子电压比例技术在阻抗量值传递中的应用，发展出一种结构简单、可以实现任意阻抗比较的新四端对阻抗测量技术，提高我国交流阻抗溯源能力。

精准的比例技术是实现计量单位复现与量值准确传递的重要保证，研究新的交流量子电压比例技术对促进电磁计量技术发展具有重要意义。.项目提出基于单芯片2路ACJVS量子电压比例集成设计，改进了交流量子电压传输特性，提高交流量子电压比例输出的稳定性。项目通过驱动包含四个子阵列、每个子阵列含12810个约瑟夫森结的结阵芯片，并结合四通道联合低频补偿的方式，成功合成了国内首个1V有效值的脉冲驱动型交流量子电压信号。在10kHz频率范围内验证了两路交流量子电压系统合成电压信号的一致性，2kHz及以下频率两路量子电压系统之间的偏差小于0.1μV/V，实现了基于ACJVS的超高精度和宽带比例电压输出以及评估高精度模数转换器性能的应用。.项目基于2V可编程约瑟夫森量子电压基准(PJVS)，还提出了一种基于量子电压的交流比例实现方法，构建了双路量子电压比例标准。62.5Hz下交流量子电压比例测量标准不确定度为0.09μV/V，交流量子电压比例输出精度优于0.05μV/V。.项目提出并实现一种基于数字比例技术的高精度交流电桥设计，该电桥能在100Hz~100kHz频率范围内实现四端对阻抗的高精度比较测量。1kHz频率下矢量电压典型幅值比例的标准不确定度可达6μV/V，相位差标准不确定度10μrad，在典型频率与量程范围内的阻抗量值相对测量不确定度优于3×10-5 (k=3)。.提出并实现一种宽频可编程交流电压比率标准设计，可实现分辨率优于1μV/V的任意交流电压比率输出，工作频率范围50Hz~10kHz，1kHz下比率误差优于0.2μV/V，角度误差优于1μrad。针对传输线对交流量子电压比例信号传输以及阻抗四端对定义的影响，提出一种实现四端对阻抗的端对定义的方法，保证了关键测量线路的无定向特性。