Автореферат (1104761), страница 3
Текст из файла (страница 3)
4 – (а) Зависимость линейности отклика напряжения дифференциальнойквантовой ячейки от магнитного смещения плеч ячейки при пренебрежимо малом размере ячейки D/λw ≈ 0 (штриховая линия) и приD/λw = 10−3 (сплошная линия) для амплитуд сигналов, использующих 30% (A) и 50% (B) полного размаха отклика напряжения ячейки. (б) Влияние размерного эффекта на линейность отклика напряжения дифференциальной квантовой ячейки при оптимальном магнитном смещении плеч ячейки (штриховые линии) и смещении, отличающемся на 3% от оптимального (сплошные линии).
Расчеты выполнены для амплитуд сигналов, использующих 30% (A) и 50% (B) полногоразмаха отклика напряжения ячейки.13число ячеек определяется в соответствии с необходимой величиной динамического диапазона.Глава 4 посвящена изучению размерных эффектов в активной электрическималой антенне на основе СКР из дифференциальных квантовых ячеек и исследованию влияния этих эффектов на линейность выходного напряжения антенны.
В случае одноконтурных ячеек (например, би-сквида) размерные эффектыв ячейках и СКР отсутствуют, однако при использовании дифференциальныхквантовых ячеек размерные эффекты могут возникать как внутри каждого плеча ячейки, так и при сложении сигналов от этих плеч.Если принимаемая электромагнитная волна распространяется перпендикулярно цепочке джозефсоновских переходов в плече ячейки, первый размерныйэффект отсутствует, а при распространении волны вдоль цепочки возникает нарушение симметрии распределения входного магнитного потока вдоль ячейки.Такая асимметрия сильно снижает линейность выходного сигнала ячейки (см.рис. 4а).
Практически этот размерный эффект проявляется при размерах ячейки, превышающих 10−4 λW , где λW – длина волны (см. рис. 4б).Второй размерный эффект возникает за счет появления сдвига фаз между(а)(б)Рис. 5 – Влияние размерных эффектов на антенну, состоящую из двух дифференциально включенных последовательных цепочек плеч дифференциальной квантовой ячейки для случаев бестрансформаторной (а) итрансформаторной антенны с двумя трансформаторами (б). Стрелками показано направление распространения падающей волны в случаяхналичия (+) и отсутствия (-) размерного эффекта.14входными сигналами плеч ячейки в том случае, когда плечи оказываются пространственно смещенными друг от друга в направлении распространения волны (см.
рис. 5а).Наибольшее влияние (примерно на порядок) на линейность оказывает первый эффект, то есть одинаковый вклад эффектов достигается в случае, когдасмещение плеч вдоль распространения волны примерно в десять раз больше,чем длина цепочки (размер плеча).При использовании трансформаторной конструкции антенны с одним общим трансформатором оба размерных эффекта отсутствуют, однако, в случае,когда используются два трансформатора, каждый из которых подключен к одноименным плечам квантовых ячеек решетки, будет иметь место размерныйэффект второго типа, когда контуры трансформаторов смещены друг относительно друга в направлении распространения волны (см. рис. 5б).Диаграмма направленности антенны бестрансформаторного типа совпадает с диаграммой направленности одной дифференциальной квантовой ячейки,изображенной на рисунке 6, эта диаграмма близка к диаграмме направленностиобычной магнитной антенны (витка).
В случае сверхпроводящей активной антенны трансформаторного типа диаграмма направленности будет определяться(а)(б)(в)(г)Рис. 6 – (а) Трехслойная структура сверхпроводник – диэлектрик – сверхпроводник, которая использовалась в качестве модели плеча дифференциальной квантовой ячейки при выполнении трехмерного моделирования в поле электромагнитной волны, и три взаимно перпендикулярныхплоскости поворота этой структуры в пространстве с обозначением углов поворота в этих плоскостях α, β и θ. (б,в,г) Диаграммы направленности, соответствующие вращению модельной структуры в плоскостиα при β = θ = 0 (б), в плоскости β при α = θ = 0 (в) и в плоскости θпри α = β = 0 (г).1560160451,6001401,525301,4751,001,4251,4000,75151,3750,50,,1200,2501000,00-15-3080-4560-25-20-15-10-50510152025-60-20-15-10-5,(а)05101520,(б)Рис.
7 – (а) Вольт-полевая характеристика плеча экспериментального прототипа электрически малой антенны для различных значений тока смещения от IB = 1,375 мА (нижняя кривая) до IB = 1,600 мА (верхняякривая). (б) Вольт-полевая характеристика экспериментального прототипа электрически малой антенны при различных значений тока задания магнитного смещения IF rust для тока смещения Ib = 1,425 мА.контуром сверхпроводящего трансформатора и, таким образом, так же фактически совпадать с диаграммой направленности пассивной электрически малойантенны магнитного типа (витка).Глава 5 посвящена экспериментальному изучению прототипа активнойэлектрически малой антенны на основе СКР из дифференциальных квантовыхячеек.
Результаты экспериментального исследования подтверждают теоретических исследований и результаты численного моделирования.С использованием стандартной ниобиевой тонкопленочной технологии сплотностью критического тока джозефсоновских элементов 4,5 кА/см2 был изготовлен прототип бестрансформаторной антенны, содержащей 588 дифференциальных квантовых ячеек с оптимизированной топологией и занимающийплощадь 4,3 мм × 4,3 мм на кремниевой подложке размером 5 мм × 5 мм.Для выполнения экспериментального изучения прототипа активной электрически малой антенны, охлаждаемой жидким гелием внутри сосуда Дьюара,был разработан специальный держатель микросхемы, на котором располага16лась также многовитковая катушка для задания магнитного поля, перпендикулярного плоскости чипа.Были исследованы вольт-амперные и вольт-потоковые характеристики плечактивной электрически малой антенны (см.
рис. 7а), а также отклик напряжения всей ЭМА на внешний магнитный сигнал (см. рис. 7б). Получены значения крутизны линейного преобразования магнитного сигнала в напряжение8000 мкВ/мкТ с размахом (удвоенная амплитуда) отклика напряжениядо 100 мВ, что позволяет сделать прогнозную оценку чувствительности антенны на уровне 3 · 10−14 Тл/Гц1/2 .В разделе «Заключение» приведены основные выводы диссертационнойработы.Работа также содержит два приложения. В Приложении А описаны разработанные методы анализа линейности отклика напряжения квантовых ячеек.Приложение Б посвящено вопросам трехмерного анализа поведения сверхпроводящих структур в поле падающей волны.Выводы диссертационной работыВ диссертационной работе выполнено исследование сверхпроводящихквантовых решеток (СКР) на основе дифференциальных квантовых ячеек длясоздания широкополосных активных устройств, в том числе широкополосныхактивных электрически малых антенн (ЭМА).
Получены следующие основныерезультаты.1. Выполнен аналитический и численный анализ дифференциальных квантовых ячеек, направленный на оптимизацию параметров ячеек и режимов ихработы. Показано, что использование таких ячеек в основе сверхпроводящихквантовых решеток позволяет достичь линейности выходного напряжения вненагруженном состоянии до 100 дБ.2. Выполнено исследование влияния нагрузки на линейность выходногонапряжения сверхпроводящей квантовой решетки как активного двухполюсного элемента.
Показано, что влияние достаточно высокоомной нагрузки можетбыть в значительной степени скомпенсировано за счет коррекции тока смещения. Для достижения линейности на уровне 90 дБ импеданс нагрузки долженна порядок превышать импеданс решетки.173. Разработана стратегия оптимального сопряжения активной электрически малой антенны с последующими элементами приемной системы с низкимвходным импедансом, такими как сверхпроводниковый аналого-цифровой преобразователь, импеданс которого составляет несколько ом. Необходимые мерывключают в себя уменьшение импеданса антенны за счет структуры электрического соединения квантовых ячеек в решетке, а также использование сверхпроводящего трансформатора импеданса в интерфейсе сопряжения антенны.4. Выполнено изучение размерных эффектов в активной электрически малой антенне и их влияния на линейность выходного сигнала.
Показано, что наибольшее влияние (на порядок) оказывает эффект нарушения симметрии распределения магнитного потока сигнала в квантовой ячейке, который возникает прираспространении принимаемой волны вдоль цепочки джозефсоновских переходов ячейки.5. Выполнено экспериментальное изучение прототипа активной электрически малой сверхпроводящей антенны площадью 4,3 мм × 4,3 мм на основе сверхпроводящих квантовых решеток, содержащей 588 дифференциальныхквантовых ячеек с оптимизированной топологией, подтверждающее результаты теоретических исследований.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
