Многоэлементные джозефсоновские структуры для реализации высоколинейных широкополосных устройств (1103888), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Фактически, каждая такаяструктура содержит две дифференциально включенных цепочки из соответственнолевых и правых плеч (элементарных параллельных цепочек) дифференциальных ячеек.Интегральные схемы содержали также полосковые линии, индуктивно связанные совсемиэлементарными цепочками, что позволяло прикладывать к ним одинаковыймагнитный поток посредством задания тока через такую линию.Нарис.8представленыэкспериментальнополученныевольт-потоковыехарактеристики интегральной структуры из 108 последовательно включенныхдифференциальных ячеек.
Элементарные параллельные цепочки содержали 10джозефсоновских переходов с критическим током IC = 125 мкА. Семействоиндивидуальных откликов напряжения одного из плеч (цепочки последовательновключенных элементарных параллельных цепочек) этой структуры для разныхзначений тока смещения цепочки, начиная от IB = 10∙IC (нижняя кривая) и выше,показано на рис.
8а. Семейство дифференциальных откликов напряжения при16различной величине взаимно-противоположного магнитного смещения δФ плеч этойструктуры показано на рисунке 8б. Размах откликов достигает 25 мВ, линейность,измеренная по оценке амплитуд гармоник выходного сигнала, достигает 60 дБ прииспользовании 70% размаха отклика. Такая высокая линейность отклика наблюдается вдостаточно широком диапазоне величин магнитного смещения δФ.В Главе 5 представлены результаты экспериментального исследованияпрототипов активных электрически малых антенн (активных ЭМА) на основе цепочек ирешеток дифференциальных ячеек. Такие устройства позволяют осуществлятьодновременно как широкополосный прием, так и усиление электромагнитных сигналов.Интегрированиецепочкидифференциальныхячеексосверхпроводящимтрансформатором (концентратором) магнитного потока позволяет создавать активныеЭМА трансформаторного типа.
Наилучшее соотношение между площадью ииндуктивностью сверхпроводящего трансформатора, обеспечивающее наибольшиеМейсснеровские токи и, следовательно, позволяющее задать в ячейки решеткинаибольший сигнал, достигается при правильной (близкой к кругу или квадрату) форметрансформатора. Квадратный трансформатор наиболее просто интегрируется споследовательной цепочкой дифференциальных ячеек, соединение которых может бытьвыполнено в данном случае как с использованием нормального проводника, так иабРис. 9. Принципиальные схемы прототипов активной электрически малой антенны содним общим трансформатором магнитного потока (а) и двумя трансформаторами(б). IB – ток смещения цепочки, IM – ток задания противоположного магнитногосмещения цепочек. На вставке показана фотография фрагмента цепочки,содержащего 4 элементарных параллельных цепочки “SQIF”.17сверхпроводника.На рис.
9а показана схематически трансформаторная антенна, представляющаясобойпримернопрямоугольныйсверхпроводящийтрансформатор,индуктивносвязанный с двумя дифференциально включенными цепочками из соответственнолевых и правых плеч (элементарных параллельных цепочек) дифференциальных ячеек.Прототип такой антенны был изготовлен с использованием ниобиевой технологии сплотностью критического тока джозефсоновских переходов 4,5 кА/см2. Антенныйпрототип занимал площадь 3,3 х 3,3 мм2 на чипе размером 5 х 5 мм2 и был реализованконструктивно в виде двух дифференциально включенных последовательных цепочек,каждая из которых содержит 80 элементарных параллельных цепочек из 10джозефсоновских переходов.
Измерения проводились на частоте до 300 кГц; магнитноеполе, прикладываемое к антенне, создавалось с помощью полосковой катушки,сформированой на том же чипе вокруг антенного прототипа. Полный размах откликаантенного прототипа достигает 8 мВ, а крутизна преобразования dV/dФ ≈ 750мкВ/мкТл. Была достигнута линейность 70 дБ при использовании от 30% до 80%полного размаха отклика антенны в зависимости от величины магнитного смещения δΦ.На рис. 9б показана схематически трансформаторнаяантенна с двумяидентичными трансформаторами магнитного потока, индуктивно связанными сцепочками из соответственно левых и правых плеч (элементарных параллельныхцепочек) дифференциальных ячеек.
Данный антенный прототип показал несколькоменьшую крутизну преобразования dV/dФ ≈ 500 мкВ/мкТл.(а)(б)Рис. 10. Схематическое изображение механизма трансформации перпендикулярногомагнитного потока вектора В падающей волны, приложенного ко всей площади,занимаемой сверхпроводящей ячейкой, в параллельный магнитный поток,приложенный к элементарной параллельной цепочке джозефсоновских переходов.Джозефсоновские переходы показаны кружками на виде сверху (а) и “перемычками”между сверхпроводящими пленочными слоями на виде сбоку (б).18Двумернаярешеткадифференциальныхячеекснесверхпроводящимэлектрическим соединением ячеек может быть использована непосредственно какактивная ЭМА бестрансформаторного типа. Такая конструкция антенны позволяет притой же занимаемой площади, что и трансформаторная ЭМА, значительно увеличитьчисло ячеек и, таким образом, значительно увеличить полный размах отклика антенны.Однородность решетки обеспечивает однородную картину распределения магнитнойкомпоненты электромагнитной волны внутри решетки и, следовательно, одинаковыймагнитный сигнал, прикладываемый к каждой ячейке (возможно, за исключениемкрайних рядов, которые можно не использовать в образовании выходного сигнала).
Нарис. 10 показан схематически механизм трансформации перпендикулярного магнитногопотока приложенного ко всей площади, занимаемой сверхпроводящей ячейкой, впараллельный магнитный поток, приложенный к элементарной параллельной цепочке.Экранирующие Мейсснеровские токи, текущие по краям образующих ячейкусверхпроводящих пленок М1 и М2 замыкаются по внутренним поверхностям этихпленок в области их перекрытия, где сформированы джозефсоновские переходы, итаким образом создают магнитный поток, приложенный к параллельной цепочкеджозефсоновских переходов.Прототип бестрансфоматорной активной ЭМА был изготовлен с использованиемниобиевой технологии с плотностью критического тока джозефсоновских переходов4,5 кА/см2. Антенный прототип занимает площадь 3,3 х 3,3 мм2 на чипе размером 5 х 5мм2 и реализован конструктивно в виде двух дифференциально включенныхпоследовательныхцепочек,каждаяизкоторыхсодержит560элементарныхпараллельных цепочек из 10 джозефсоновских переходов.
Для измерения характеристикантенногопрототипамагнитноеполеприкладывалосьспомощьювнешнеймноговитковой катушки. Полный размах отклика напряжения такой антенны достигает60 мВ, а крутизна преобразования магнитного сигнала в выходное напряжение dV/dΦ ≈6500мкВ/мкТл,чтопримернонапорядокпревосходитхарактеристикитрансформаторного антенного прототипа, занимающего такую же площадь.Частота сигналов ΩS, принимаемых такой антенной должна удовлетворятьусловию ΩS<<ΩC, где ΩС – характерная частота джозефсоновских переходов. В рамкахиспользованной ниобиевой технологии интегральных схем джозефсоновские элементыпредставлялисобойтуннельныеджозефсоновскиепереходы,шунтированныедостаточно низкоомным резистором RS для уменьшения параметра Маккамбера β дозначения 0,2, обеспечивающим пренебрежимо малое паразитное влияние собственной19емкости джозефсоновских переходов. Характерная частота таких джозефсоновскихэлементов FC= ΩС/2π = ICRS/Ф0 близка к 100 ГГц, что допускает значения частотыпринимаемых сигналов до нескольких гигагерц.
Другим ограничительным условиемдля такой антенны является требование малости размеров антенны по сравнению сдлиной волны принимаемого сигнала. Однако в отличие от пассивных электрическималых антенн, эффективность активной сверхпроводящей антенны не зависит отчастоты и, следовательно, не уменьшается с уменьшением частоты принимаемыхсигналов.ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫПроведено теоретическое и экспериментальное изучение физических основсоздания широкополосных сверхпроводниковых устройств, способных обеспечитьбольшой динамический диапазон и высокую линейность преобразования магнитнойкомпонентыэлектромагнитногосигналавнапряжение,полученыследующиерезультаты:1. Предложен новый элемент - би-сквид, выполняющий последовательно дванелинейных преобразования, характер нелинейности которых может быть сделанвзаимно-обратным, что в итоге дает линейное преобразование входного магнитногосигналаввыходноенапряжение.Выполнендетальныйанализсигнальныххарактеристик и проведено сопоставление шумовых характеристик би-сквида схарактеристиками традиционных сквидов.2.
Разработаны топологии би-сквидов и цепочек би-сквидов для двух различныхниобиевых пленочных технологий формирования сверхпроводниковых интегральныхсхем. Экспериментально исследованы последовательные цепочки, содержащие от 20 до128 би-сквидов; получены отклики напряжения с размахом, достигающим 8 мВ.3. Разработаны топологии последовательных цепочек на основе дифференциальныхячеек,состоящихиздвухэлементарныхпараллельныхцепочексвзаимнопротивоположным магнитным смещением. Проведено экспериментальное исследованиеоткликов напряжения цепочек, содержащих от 20 до 108 дифференциальных ячеек.Максимальныйразмахполученныхоткликовсоставляет25мВ;линейностьпреобразования – 60 дБ.4. Разработаны топологии прототипов активных электрически малых антеннтрансформаторного и бестрансформаторного типов на основе сверхпроводящихквантовыхрешетокдифференциальныхячеек.Проведеноэкспериментальное20исследование откликов напряжения антенных прототипов, занимающих площадь 3,3ммна 3,3мм.
В случае трансформаторного прототипа на основе цепочки из 80 ячеекинтегрированнойсквадратнымсверхпроводящимтрансформатором,полученыкрутизна преобразования 750 мкВ/мкТ и линейность 70 дБ. Для бестрансформаторнойантенны, содержащей 560 ячеек, достигнуты размах отклика напряжения 60 мВ икрутизна преобразования 6500 мкВ/мкТ.Список печатных работ автора по материалам диссертации.[А1]Victor K. Kornev, Igor I. Soloviev, Nikolay V. Klenov, Alexey V. Sharafiev, andOleg A. Mukhanov, “Linear Bi-SQUID Arrays for Electrically Small Antennas,” IEEEtransaction on Applied Superconductivity, V. 21, Issue 3, part 1, 2011, p.713-716.[А2]A. Sharafiev, I.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
