Автореферат (Сверхпроводящие квантовые решетки как широкополосные активные устройства), страница 2

По материалам диссертации подана заявка на патент [A7].7Содержание работыВ разделе «Общая характеристика диссертационной работы» рассмотрены вопросы актуальности темы исследования, сформулирована цель работы,раскрыты научная новизна, практическая ценность работы, приведена информация о личном вкладе автора, достоверности и апробации результатов диссертационной работы.Глава 1 содержит введение, аналитический обзор литературы и постановкузадачи диссертационной работы.Основной задачей диссертационной работы является теоретическая разработка физических основ использования макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках для создания высокочувствительных широкополосныхактивных устройств приема и усиления сигналов, в том числе сверхпроводящих активных электрически малых антенн (ЭМА) гигагерцового диапазона частот на основе сверхпроводящих квантовых решеток, а также экспериментальное подтверждение теоретических исследований.Постановка указанной задачи определяется востребованностью созданияширокополосных устройств, обладающих высокой чувствительностью, присущей сквидам, и характеризующихся при этом высокой линейностью и большимдинамическим диапазоном.

Такие устройства необходимы для развития новыхтехнологий приема информации по различным каналам связи, обработки и защиты информации с использованием широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов и их последующей цифровой фильтрацией и идентификацией.Решение этой задачи может быть достигнуто с использованием специальных многоэлементных джозефсоновских структур, которые получили названиесверхпроводящих квантовых решеток (СКР).

Линейность выходного сигналаСКР определяется линейностью откликов ячеек решетки, а динамический диапазон возрастает с увеличением числа ячеек в решетке. При этом импеданс СКРможет изменяться за счет использования комбинированного последовательнопараллельного электрического соединения ячеек.Задачи, решаемые в диссертационной работе, разделяются на следующиечасти: разработка методов оптимизации базовых ячеек сверхпроводящей квантовой решетки – дифференциальных квантовых ячеек; разработка методов ана8лиза линейности радиотехнических структур; исследование поведения дифференциальных ячеек в качестве компонентов электрически малой антенны; исследование коллективного поведения ячеек в составе сверхпроводящей квантовой решетки и активной электрически малой антенны на ее основе; экспериментальное подтверждение теоретического анализа и результатов численногомоделирования.В Главе 2 дается описание использованных методов численного анализалинейности отклика напряжения квантовых ячеек с использованием математических алгоритмов, позволяющих анализировать высокие уровень линейностив пределах до 100 дБ.

Рассматриваются методы оптимизации параметров и режимов работы дифференциальных квантовых ячеек.ΦВходΦВходЛевое плечоПравое плечо−δΦV/ VВых. V+δΦC1(а)VVLR0IIJ1J2J3JN −1JN-1Плечо дифференциальной квантовой ячейки(б)-10/10(в)Рис. 1 – Блок-схема дифференциальной квантовой ячейки (а) и принципиальная схема каждого из ее плеч (б) – параллельной цепочки джозефсоновских переходов J1 ; J2 ; .

. . ; JN , магнитное поле к которой прикладывается посредством индуктивно связанной с ней управляющей линии (задание магнитного потока смещения δΦ, входного сигнала ΦВход ). Полный ток смещения цепочки превышаетмаксимальную величину кри∑тического тока цепочки IC =Ick и, таким образом, обусловливаетрезистивное состояние цепочки. (в) Отклик напряжения V дифференциальной ячейки, а также индивидуальные отклики напряжения левого(VL ) и правого (VR ) плеч ячейки (светлые линии), смещенные по магнитному потоку на величину +δΦ и −δΦ соответственно.9Дифференциальная ячейка состоит из двух низкоиндуктивных параллельных цепочек джозефсоновских переходов (плеч ячейки) в резистивном состоянии, включенных дифференциально и смещенных взаимно-противоположнонекоторым магнитным потоком δΦ. За счет задания топологии цепочек можнореализовывать как однородное распределение потока вдоль цепочки, так и изменяющееся по определенному закону.

В последнем случае плечо дифференциальной ячейки будет представлять собой сверхпроводящий квантовый интерференционный фильтр (СКИФ). На рисунках 1а и 1б показана блок-схемадифференциальной квантовой ячейки и принципиальная схема каждого из ееплеч – параллельной цепочки джозефсоновских переходов, магнитное поле ккоторой прикладывается посредством индуктивно связанной с ней управляющей линии, обеспечивающей задание магнитного потока смещения δΦ. Полныйток смещения цепочки IB должен несколько превышать величину критического∑тока цепочки IC = Ic,k и, таким образом, обусловливать резистивное состояние цепочки (Ic,k – критический ток k-ого перехода цепочки).10010090(1)30%(2)50%(3)70%9080,,8070(1)I /I =1.00(2)I /I =1.02(3)I /I =1.04(4)I /I =1.06BBBB(3)CCCC(4)(2)70(1)(1)60500,02560(2)(3)500,0300,035/(а)00.000.040.08(N-1)0.120.16/00.20(N-1)(б)Рис. 2 – (а) Зависимость линейности от смещения по магнитному потоку δΦдифференциальной квантовой ячейки с нулевыми индуктивностями сN = 20 переходами в каждом плече для различных амплитуд входного гармонического сигнала, составляющих 30%, 50% и 70% от полногоразмаха отклика ячейки по потоку.

(б) Зависимость линейности дифференциальной квантовой ячейки с индуктивностями связи l = 0,5 дляплеча из N = 20 переходов от смещения по магнитному потоку δΦ дляразличных величин тока смещения при амплитуде входного потока, составляющего 50% от полного размаха отклика ячейки по потоку.10Поскольку форма основного пика отклика напряжения плеча ячейки близкак параболической, разность откликов напряжения плеч ячейки (разность парабол), дает линейный отклик такой дифференциальной ячейки.

Для более точного описания отклика цепочки следует учесть в виде малых дополнительныхчленов параболы более высокого порядка (четвертого и шестого), существование которых ограничивает линейность отклика ячейки. Если приложенноемагнитное смещение δΦ совпадает с положением вершины параболы четвертой (или шестой) степени вклад этой параболы в отклик напряжения становится нулевым. Поскольку вершины этих парабол в общем случае не совпадают,их вклад всегда остается конечным, и оптимальным магнитным смещением является такое смещение, при котором вклад этих парабол становится минимальным.Линейность функции отклика напряжения на внешний магнитный потокдифференциальной квантовой ячейки с нулевыми индуктивностями связи (идеализированный случай) достигает значений выше 100 дБ (при амплитудах сигнала, достигающих 50% от амплитуды отклика напряжения ячейки) при оптимальном магнитном смещении (см.

рис. 2а), однако даже при малом отклонении смещения от оптимальной величины линейность резко падает. Уменьшить влияние точности задания рабочей точки позволяет применение структурс нерегулярным заданием площадей ячеек плеча дифференциальной квантовойструктуры – СКИФ-структур.В случае реальной цепочки переходов с конечными индуктивностями связиджозефсоновских переходов форма откликов с ростом числа переходов становится близкой к параболической за исключением некоторой начальной частиотклика в области малых напряжений (низкие частоты джозефсоновской генерации). Эта область может быть исключена из отклика путем небольшого увеличения тока (на 4% − 6%) выше значения критического тока цепочки.

Приоптимальном магнитном смещении плеч такой ячейки линейность отклика может достигать 100 дБ (см. рис. 2б). При этом необходимая точность заданиярабочей точки оказывается значительно ниже, чем для рассмотренного идеализированного случая. В случае малого влияния «размерных» эффектов применение СКИФ-структур вместо регулярной цепочки не имеет преимуществ перед обычной цепочкой параллельных переходов. Кроме того, конструирование11СКИФ-структур приводит к уменьшению общей величины потока, задаваемогов систему.Необходимо подчеркнуть, что высокая линейность преобразования магнитного сигнала в напряжение (порядка 100 дБ и выше), достигается при практически реализуемых параметрах ячеек и диапазонах токового и магнитного смещения ячеек.Таким образом, дифференциальная квантовая ячейка позволяет достичь высокой линейности функции отклика напряжения на внешнее магнитное полепри оптимальных параметрах и является наиболее перспективным элементомдля использования в качестве базового блока сверхпроводящей квантовой решетки.1,0(3) I0,5(1) Ibbb/ I/ I/ Iccc= 1.06, R/ R= 1.06, R=ee= 1,ReN100= 10180=3,, DV/ Vc(2) I600,023240(1)-0,5120N=10l=0.5-1,0-0,18/ I= 1.04(2),IR= 20R ,I/ I= 1.04(3)R= 20R ,I/ I1.00bceennbbcc0-0,12-0,060,000,06,(а)/[00,120,180,10,20,30,4(N-1)]0,50,60,7/0,8Max(б)Рис.

3 – (а) Отклик напряжения квантовой дифференциальной ячейки, каждоеплечо которой содержит 10 джозефсоновских элементов с нормированной величиной индуктивностей связи этих элементов l = 0,5, без нагрузки при токах смещения Ib = IC и Ib = 1,06IC (оптимальном), атакже нагруженной на резистивный импеданс Re = 10RN при том жетоке смещения Ib = 1,06IC , где RN нормальное сопротивление плеча ячейки. Уменьшение тока смещения позволяет в значительной степени скомпенсировать влияние нагрузки и получить линейный отклик,близкий к отклику, показанному кривой 2. (б) Зависимость линейностивыходного сигнала (напряжения) дифференциальной ячейки с индуктивностью связи l = 0,5 из N = 20 джозефсоновских элементов в каждом плече ячейки от амплитуды сигнала в ненагруженном состояниипри оптимальном токе смещения и нагруженном состоянии (импеданснагрузки 20RN ) при том же токе смещения и уменьшенной величинетока смещения до нового оптимального значения.12В Глава 3 рассматривается влияние нагрузки, подключенной к сверхпроводящей квантовой решетке, на линейность выходного напряжения решетки какдвухполюсного элемента.Подключение нагрузки к сверхпроводящей квантовой решетке на основедифференциальных квантовых ячеек существенно уменьшает линейность выходного сигнала.

Как показано в диссертационной работе, для сохранения высокой линейности импеданс нагрузки должен превышать на порядок импедансрешетки (определяемого нормальным сопротивлением RN плеч решетки), вэтом случае влияние нагрузки может быть скомпенсировано за счет определенного уменьшения тока смещения Ib плеч решетки (см. рис. 3).В условиях, когда импеданс нагрузки является заданной величиной, выполнение указанного соотношения между импедансами нагрузки и решетки можетбыть достигнуто за счет использования одновременного последовательного соединения ячеек и параллельного соединения блоков ячеек. При этом полное10010090A90,,B808070AA7060BB60500,090,100,110,12/(а)0(N-1)0,131E-61E-51E-4D/1E-30,01w(б)Рис.