Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989) (1095357), страница 27
Текст из файла (страница 27)
При гал)7ггС=[ й/ш»х,/г/Ух=0,14, а для ш„йггС=5 й/,„~/ЧУа=0,4, что для ТП на основе свинца или ниобия дает !00 и 300 ГГц соответственно. Таким образом, использование больших значений ш,г(ггС оказывается выгодным при продвижении вверх по частоте. Предполагается так!не, что очень высокочастотная джозефсоновская генерация в переходах СИС ()с=1000 ГГц при типичных напряжениях смещения Уо=2 МВ) является источником до- 132 Рис. 3.13.
Диаграмма пля определенна максимальной рабочей частоты смесителя на переходе СИС лля первого (т= — 1) и второго (т= — 2) пикон преобразования ниже Уа га Хи а/й )аа га !а 7 !а а,б 3.6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В КВАЗИЧАСТИЧНЫХ ДЕТЕКТОРАХ И СМЕСИТЕЛЯХ ЦЕПОЧЕК ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ Применение в приемных устройствах ММ диапазона цепочек последовательно соединенных ТП вызвано двумя основными причинами. Во-первых, как отмечалось в $3.3, это шозволяет значительно расширить динамический диапазон приемника и, вовторых, использовать в цепочках отдельные ТП большей площади, получая для цепочки в целом такие же значения произведения со,)(ггС, являющегося конструктивным параметром приемника, как и для одиночного ТП.
Увеличение размеров отдельных 133 полнительных шумов, не позволяющим пока квазичастичным смесителям на й ю аб переходах СИС достичь квантового предела шумовой температуры й ю/к при работе на устойчивых участках квазичастичных ВАХ ~1112, 1351. Наиболее распространенный способ уменьшения сверхпроводящего а аг йа йб ад (а джозефсоновского тока и связанно- й!а го с ним шума заключается в но- га давлении его магнитным полем. Магнитное поле, силовые линии которого должны располагаться в плоскости барьера ТП, уменьшает джозефсоновский критический ток и напряжение переброса в соответствии с (3.13) и (3.14), расширяя область рабочих частот согласно (3.72).
Однако одиночные ТП малой площади (5=1 мкмэ), необходимые для получения в коротковолновой части ММ и СВШ диапазонах приемлемых значений ш,йггС(10, требуют очень сильных магнитных полей (порядка 1 Тл), которые начинают разрушать основную сверхпроводимость в пленочных электродах перехода СИС и уменьшают нелинейность ВАХ 1112!. Эту трудность можно преодолеть, используя в смесителях цепочки ТП, отдельные переходы в которых имеют ббльшие размеры, чем эквивалентный цепочке одиночный ТП (см. $ 3.5), так что джозефсоновский ток будет подавлен меньшим магнитным полем.
Другим способом являются использование одиночных ТП прямоугольной в,плане формы (например, торцевой геометрии) н ориентация магнитного поля поперек длинной стороны ТП. Недавно был предложен еще один метод уменьшения джозефсоновского тока, состоящий в использовании в барьере ТП магнитных примесей, например окислов ферромагнитных материалов 11421. Правда, при этом также наблюдалось некоторое ухудшение качества ВАХ. переходов в цепочке имеет следующие преимущества: упрощается технология их изготовления; повышается эксплуатационная надежность приемника за счет большей устойчивости ТП к электрическим пробоям; в переходах СИС облегчается подавление магнитным полем джозефсоновского тока.
Основной недостаток цепочек в том, что любой разброс параметров элементов цепочки ухудшает характеристикй приемника и затрудняет сравнение результатов с теорией. Кроме того, с ростом числа У соединенных в цепочку ТП увеличивается последовательная индуктивность устройства 1., (см. рис. 3.8), что может быть нежелательно иа высоких частотах.
Влияние технологического разброса уменьшается, если переходы в цепочке соединены последовательно для частот с» , пы», и параллельно для источника постоянного напряжения )те. Для анализа работы цепочки вместо нее прн определенных условиях можно рассматривать один эквивалентный ТП. Такая замена справедлива, если: 1) токи на всех учитываемых в расчете частотах имеют одинаковую фазу во всех элементах цепочки (это верно, если длина цепочки много меньше длины волны сигнала или если цепочка является шунтом в линии передачи, например установлена поперек волновода в его Е-плоскости); 2) все ТП в цепочке идентичны.
При вы~полнении этих условий цепочка ведет себя как любой из ее элементов со всеми напряжениями и сопротивлениями, умноженными на А! [1121. В табл. 3.2 приведены зависимости основных параметров квазнчастичных детекторов н смесителей от числа последовательно соединенных ТП. Вся структура динамических характеристик смесителя будет иметь характерный квантовый масштаб по напряжению Л1Лса1д вместо Лы/д для одиночного ТП. Из табл.
3.2 видно, что характеристики детекторов па цепочках ТП с ростом Л! ухудшаются. Физически это происходит вследствие того, что для туннелнрования одного электрона через всю цепочку требуется не один, а У фотонов; квантовый предел ампер-ваттной чувствительности равен поэтому д)А1Лса. Средний квадрат шумового тока не зависит от У (это иллюстрируется Т а 6 л н ц а 3.2. Заансимпсти параметрщн приемных устройств щт чнсаа тумнельных перехппеа н цепочке г ~ 1, к 4 ! 1щ Ещ Ещ - тч1ят! Ла 1щ тфрмла У г Т вЂ” — е 1Т-!3!па ет-тл1Штп, Рис. 3,19.
Последопатеаьнссть аквнпаленщпых схем лак генераторов дробового шума щ цепочке на 1т' одинаковых ТП, кансаый на которых имеет нмпеданс Я последовательностью схем рис. 3.19), в результате НЕП детектора растет как № Шумован температура н потери преобразования смесителя оказываются не зависящими от № Действительно, в 3 3.3 было показано, что потери преобразования смесителя полностью определяются внешними цепями и формой ВАХ нелинейного элемента, которая при идентичности ТП, соединенных в цепочку, не должна зависеть от Л! (кроме масштаба по Г и 1). Вклад дробового шума в шумовую температуру смесителя, как отмечалось выше, от А! не зависит; не меняется для цепочки переходов и квантовый предел Л ы1к шумовой температуры смесителя, вытекающий из фундаментального соотношения неопределенностей квантовой механики 11121.
Измерения в 8-мм диапазоне характеристик смесителя с цепочками одинаковых переходов СИС, параметры которых при всех значениях А! соответствовали табл.3.2, показали, что потери преобразования и шумовая температура смесителя почти не зависят от Ж при А1(10 и лишь немного увеличиваются при А! 50, что связано с удлинением цепочки 11501. Необходимая для цепочки ТП мощность гетеродина растет пропорционально А1т, но в реальных устройствах при Ж(50 она не будет превышать нескольких сотен микроватт во всем М1М диапазоне волн. В то же время пропорционально Аг' растет и динамический диапазон смесителя.
Паа- щааь Параметр тем Р! !34 Один пере- ход нз цепо- чки Цепочка а целом 3.6. ПРИМЕРЫ КОНСТРУКЦИИ КВЛЗИЧЛСТИЧИЫХ СМЕСИТЕЛЕЛ И ДЕТЕКТОРОВ Многообещающие результаты, полученные при разработке приемников ММ диапазона на квазичастичных ТП, в значительной степени обусловлены использованием в них основных элементов лучших приемных устройств этого диапазона на ДБШ. Большинство перечисленных в табл. 3.1 смесителей, а также де- !35 текторов имеют конструкцию, в которой ТП или цепочка переходов на диэлектрической подложке устанавливается в Е-плоскости прямоугольного волновода перпендикулярно его широкой стенке.
ФНЧ обычно состоит из отрезков микрополосковых линий с высоким и низким волновым сопротивлением, подобно ФНЧ смесителя на ДБШ, изображенного на рис. 2.40. Примером такой конструкции является 8-мм волноводиая секция, п(указанная на рис. 3.11. Устройство смесителя на ДСШ может быть полностью аналогично конструкции смесителя на сотовой структуре ДБШ 112Ц. В простейшем случае смеситель имеет один настроечный элемент — поршень в волноводе.
Предпочтительно использование волноводов пониженного сечения, обеспечивающих лучшие условия для одновременного согласования смесителя по входу н выходу (см, рис. 3.17). Однако в радиоастрономических приемниках Калифорнийского технологического института на 115 ГГц 1152] и 230 ГГц 1112) с успехом применяются смесители, в которых переход СИС размещается в круглом волноводе, непосредственно переходящем в коничеокий скалярный облучатель. Достоинства этих приемников — предельно короткий входной тракт и простота изготовления. Однако потери преобразования в смесителях пока не удавалось сделать меньше 6 дБ. В устройствах с одним настроечным элементом обычно используют ТП с цз)7жС(3, так как возможности компенсации емкостной !проводимости ТП на частотах гетеродина и сигнала в этом случае ограничены.
Исследовались также смесители с дополнительным настроечным элементом: емкостным штырем 1128) (рис. 3.11) или вторым волноводным шлейфом 1135, 143, 1481. Это позволило значительно расширить область реализуемых значений проводимости внешней цепи и достичь режима работы смесителя с небольшим усилением (Т.(1). Применение более сложных настроек позволяет также использовать в смесителях и детекторах ТП с цт!!!!С(10.
На рис. 3.20 показана конструкция 3-мм смесителя с волноводномикрополосковым переходом и волноводным Е-тройником с подвижным поршнем в боковом плече 1135]. В этом смесителе сделана попытка компенсации емкости переходов СИС с помощью параллельного ТП индуктивного микрополоскового шлейфа АВ, образованного на подложке двумя сверхпроводящими пленками 8 и 10, разделенными изолирующим слоем 810 толщиной 0,3 мкм. Эффективное короткое замыкание в точке В на частотах гетеро- дина и сигнала создается низкоомной четвертьволновой секцией ВС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
