Диссертация (1104762)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегообразования «Московский Государственный Университет имениМ.В. Ломоносова»Физический факультетНа правах рукописиКолотинский Николай ВасильевичСВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КВАНТОВЫЕ РЕШЕТКИ КАКШИРОКОПОЛОСНЫЕ АКТИВНЫЕ УСТРОЙСТВА01.04.04 – физическая электроникаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физ.-мат. наук, профессорМосква, 2015.В.К. Корнев2СодержаниеОбщая характеристика диссертационной работы1 Вводные положения. Постановка задачи.1.1 Макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках . .
.1.1.1 Эффект Джозефсона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.1.2 Одно- и двухконтактные интерферометры . . . . . . . . .1.1.3 Цифровая сверхпроводниковая электроника . . . . . . . .1.2 Многоэлементные джозефсоновские структуры . . . . . . . . . .1.2.1 Необходимость перехода к многоэлементным структурам1.2.2 Концепция сверхпроводящих квантовых решеток . . . . .1.2.3 Сверхпроводящие квантовые фильтры . . .
. . . . . . . .1.3 Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.........999131721212224252 Сверхпроводящие квантовые решетки на основе дифференциальныхквантовых ячеек272.1 Определение линейности сверхпроводящей квантовой решетки . . 272.2 Дифференциальная квантовая ячейка . . . . . . . . . . .
. . . . . . 292.2.1 Аппроксимационная модель дифференциальной ячейки . . 312.2.2 Дифференциальная квантовая ячейка с нулевыми индуктивностями связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.2.3 Дифференциальная квантовая ячейка с конечными индуктивностями связи . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 382.3 Заключение к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 Сопряжение сверхпроводящих квантовых решеток453.1 Изучение влияния нагрузки на дифференциальные квантовыеячейки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 453.2 Разработка технических решений согласования активныхустройств на основе СКР с антенно-волноводным трактом иустройствами оцифровки сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.3 Заключение к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 Активные электрически малые антенны на основе сверхпроводящихквантовых решеток544.1 Обоснование необходимости применения сверхпроводящихактивных электрически малых антенн . .
. . . . . . . . . . . . . . . 5434.1.14.24.34.4Классические активные малые антенны и ихфундаментальные ограничения . . . . . . . . . . . . . . .4.1.2 Трансформаторные и бестрансформаторные сверхпроводящие активные электрически малые антенны . . . . . . . .Влияние размерных эффектов на характеристики активных электрически малых антенн . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.1 Анализ влияния размерных эффектов на дифференциальную квантовую ячейку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.2 Анализ влияния размерных эффектов на активную электрически малую антенну . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .Диаграмма направленности антенны на основе СКР . . . . . . . .Заключение к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54. 58. 63. 63. 74. 76. 795 Экспериментальные исследования прототипов активных электрически малых антенн815.1 Проведение экспериментального исследования . . . . . . . . .
. . . 825.1.1 Разработка держателя микросхем для прототипов активныхэлектрически малых антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.1.2 Проведение измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.2 Результаты экспериментального исследования . . . . . . . . . . . . 905.3 Заключение к главе 5 . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 94Выводы диссертационной работы95Список сокращений и терминов98Список печатных работ автора по материалам диссертации99Список использованной литературы101Приложение А. Численные методы анализа линейности113Приложение Б. Вопросы трехмерного анализа поведения сверхпроводящих структур в поле падающей волны1204Общая характеристика диссертационной работыДиссертационная работа посвящена исследованию достижимых характеристик сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) на основе дифференциальныхквантовых ячеек, а также изучению широкополосных активных устройств, реализованных на базе СКР, в том числе активных электрически малых антенн (ЭМА).Актуальность работыАналоговые и цифровые устройства сверхпроводниковой электроники, в основе физики которых лежат макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках, обладают уникальными характеристиками, недоступными для полупроводниковой электроники.
Высокое быстродействие и предельно низкая энергия переключения джозефсоновских элементов EJ = Φ0 IC = 2 · 10−15 Вб ×10−4 А ≈ 10−18 Дж, а также исключительно высокая чувствительность сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств, сквидов (англ.: SQUID –Superconducting Quantum Interference Device) на основе джозефсоновских переходов с энергетическим разрешением порядка 10−32 Дж/Гц (то есть близким к постоянной Планка h) открывают широкие возможности для разработки устройств,способных работать в верхних диапазонах частот сигналов, обеспечивающих высокие скорости обработки информации и предельно высокую чувствительность.Прогресс в области цифровых устройств на основе быстрой одноквантовойлогики, известной как RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum logic) [1–3], атакже высокочувствительных широкополосных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) [4–7], открывает, в том числе, новые возможности в развитии технологий приема, обработки и защиты информации на основе широкополосныхприемных систем с прямой оцифровкой входного сигнала [8–15].В то же время, несмотря на рекордные достижения сверхпроводниковой электроники в области высокочувствительных устройств, построенных на основесквидов и предназначенных для использования в диапазоне низких частот (до∼ 1 МГц), создание широкополосных низкошумящих сверхпроводниковых активных устройств (усилителей, активных антенн) высокочастотного диапазона(до 10 ГГц) с большим динамическим диапазоном остается нерешенной, нокрайне востребованной задачей.В настоящее время решение этой задачи связывается с использованием спе-5циальных многоэлементных джозефсоновских структур, получивших названиесверхпроводящих квантовых решеток (СКР).
Поэтому данная работа, посвященная изучению достижимых характеристик СКР на основе дифференциальныхквантовых ячеек и широкополосных активных устройств, реализованных на базеСКР, в том числе активных электрически малых антенн (ЭМА), является крайнеактуальной.Цель работыЦелью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальноеисследование достижимых характеристик сверхпроводящих квантовых решеток(СКР) на основе дифференциальных квантовых ячеек, изучение широкополосныхактивных устройств, реализованных на базе СКР, в том числе активных электрически малых антенн (ЭМА), а также разработка и реализация прототипа активнойЭМА на основе тонкопленочной ниобиевой технологии интегральных схем.Научная новизна1. Разработаны и применены методы многопараметрического анализа и оптимизации многоэлементных джозефсоновских устройств с высокой линейностьюхарактеристик до 100 дБ, к которым относятся изучаемые в диссертационной работе сверхпроводящие квантовые ячейки.2. Впервые рассмотрена задача анализа влияния нагрузки на линейность характеристик квантовых ячеек, а также достижимой степени и условий компенсации этого воздействия.3.
Исследована и сформулирована стратегия решения задачи построения интерфейса, мало возмущающего характеристики активной сверхпроводящей антенны при ее сопряжении с низкоомными устройствами.4. Впервые изучены размерные эффекты в активных сверхпроводящих электрически малых антеннах и их влияние на линейность выходного сигнала антенны за счет фазового сдвига входных сигналов в плечах дифференциальных квантовых ячеек и нарушения симметрии распределения магнитного потока внутриквантовых ячеек.5. Реализован и исследован прототип активной электрически малой антенны бестрансформаторного типа с общим числом дифференциальных квантовых6ячеек 588. Достигнуты значения крутизны линейного преобразования магнитногосигнала в напряжение 8000 мкВ/мкТ с размахом отклика напряжения до 100 мВ.Практическая ценность работыПрактическая ценность данной работы заключается в развитии физическихоснов построения сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) на основе дифференциальных квантовых ячеек, а также в изучении широкополосных активныхустройств, реализованных на базе СКР, в том числе активных электрически малых антенн (ЭМА), и обосновании достижимых характеристик таких устройств.Полученные результаты могут быть использованы при разработке сверхпроводниковой электроники и информационных технологий и служить основой дляпоследующих опытно-конструкторских разработок в области приема, обработкии защиты информации.
Разработка технологии приема большого числа сигналовот различных источников с последующей параллельной обработкой сигналов является актуальной, и результаты исследования смогут найти широкое применениев разных системах беспроводной связи:— в стационарных станциях радиосвязи, работающих с большимколичеством источников сигналов разного уровня, для увеличения их производительности и «пропускной» способности, для одновременного приема контента различного типа и назначения;— в системах, реализующих задачи удаленного доступа к вычислительнымцентрам и «облачные» технологии хранения и обработки информации;— в системах, реализующих новые принципы функционирования систем защиты информации посредством программно-определяемой связи, в рамках которой частота и тип кодировки радиосигнала устанавливается динамически в широкой полосе частот;— в программно-аппаратных комплексах специального назначения.Достоверность результатовДостоверность результатов, приведенных в диссертации, подтверждается тем,что они были получены автором с использованием современных математическихметодов, вычислительных средств и программного обеспечения, а также современных технологий и экспериментального оборудования.
Численный анализ сосредоточенных джозефсоновских структур проводился с использованием7программного обеспечения PSCAN, являющегося одним из наиболее эффективных программных пакетов для численного моделирования сверхпроводниковыхсхем [16]. Полученные результаты находятся в соответствии с имеющимися литературными данными. Теоретические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями, выполненными автором на измерительном оборудованиифирмы Hypres (США), а также опубликованными результатами других независимых исследований, в том числе результатами публикаций [17, 18].Личный вклад автораВсе результаты, представленные в диссертационной работе, получены личноавтором, либо при его непосредственном участии.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
