Диссертация (1104762), страница 10
Текст из файла (страница 10)
В то же время, сверхпроводниковые АЦП по своим физическим принципамработы являются токовыми устройствами, входной сигнал к которым предпочти-53тельно передавать по волноводному тракту с низким импедансом Z для увеличения токовой компоненты в подводимом электромагнитном сигнале мощностиP = I 2 Z. Эти противоречивые требования можно эффективно удовлетворить, используя сверхпроводниковый трансформатор импедансов. Задачей такого трансформатора является преобразование высокого импеданса (Z1 = 50 .
. . 100 Ом)волноводного тракта, на который нагружена СКР (активная ЭМА на основе СКР),в низкий импеданс волноводного тракта (Z2 = 2 . . . 5 Ом), подключаемого к входной цепи сверхпроводникового АЦП.3.3. Заключение к главе 3В данной главе рассматривается влияние нагрузки, подключенной к сверхпроводящей квантовой решетке, на линейность выходного напряжения решетки какдвухполюсного элемента.Подключение дифференциальной квантовой ячейки и решетки на ее основе квнешней нагрузке оказывает негативное влияние на характеристики линейности.При величинах импеданса нагрузки Re , превышающих нормальное сопротивление RN A решетки в 10 . .
. 15 раз и выше, негативное влияние нагрузки на линейность характеристик решетки можно почти полностью скомпенсировать путемуменьшения тока смещения Ib квантовых ячеек решетки.Для достижения требуемых значений динамического диапазона, значений амплитуды выходного сигнала и импеданса решетки в электрической схеме соединения ячеек решетки должны присутствовать как параллельные, так и последовательные соединения элементов, соотношения между количеством которых определяются областью применения СКР.54Глава 4.
Активные электрически малые антенны на основесверхпроводящих квантовых решеток4.1. Обоснование необходимости применения сверхпроводящих активныхэлектрически малых антенн4.1.1. Классические активные малые антенны и их фундаментальные ограниченияАнтенна является ключевым элементом всех приемных и передающих систем,осуществляющих беспроводную связь и вещание. Дальность коммуникационнойсвязи и ее качественные характеристики в значительной степени определяетсяантенной. Пассивные антенны, являющиеся линейными устройствами, обладаютсвойством взаимности, то есть могут одинаково работать как в качестве передающих антенн, так и приемных антенн.Наиболее эффективными пассивными антеннами являются антенны, резонирующие на частоте принимаемого сигнала, когда их физический размер (длинаили периметр) кратен целому числу полуволн принимаемого сигнала.
В резонансе входной (выходной) импеданс такой антенны является чисто активным (отсутствует реактивная компонента).Тем не менее, среди всех используемых антенн значительную часть составляют электрически малые антенны (ЭМА). ЭМА называется антенна с такимиразмерами, что она может быть помещена в сферу, диаметр которой a мал посравнению с длиной волны λ на рабочей частоте [82]. Под малым диаметром понимается диаметр меньший, чем λ/2π [83, 84]; введя волновой вектор k = 2π/λ,данное условие можно переписать в виде ka < 1.Рассмотрение большинства ЭМА может быть сведено к двум каноническимтипам антенн: электрическим диполям и магнитным катушкам (в литературе часто встречается название магнитный диполь) [84].В случае использования антенн малого размера возникает ряд серьезных ограничений, обусловленных высокой добротностью антенны Q, большой реактивнойчастью X(ω) импеданса антенны ZA (ω) = RA + iXA (ω) и малой величиной сопротивления RA .
ЭМА не является само-резонирующей цепью, однако обычно еепревращают в таковую, подключая к ней сосредоточенные элементы с противоположным типом реактивности для достижения условий резонанса на частоте при-55нимаемого (излучаемого) сигнала, а также используют согласующие элементыдля преобразования сопротивления RA в более высокое значение. На рис. 4.1 показаны эквивалентные схемы включения передающих ЭМА электрического(диполь, монополь) и магнитного (виток) типов [84]. Сопротивление RA представляет собой сумму сопротивления излучения Rrad (желательного) и сопротивленияпотерь Rloss (нежелательного). В зависимости от типа антенны (электрическая/магнитная) для резистивных и реактивных составляющих можно записать [85]:Электрический диполь2 2Rrad = 20k la1 hRsRdc =2δ( 33πa)lXa = 120 1 − lnctg khdRloss =Магнитный диполь5π 2 N 2 k 4 D4 µ2ef fRrad =4DRs DRloss ==2dσδ ( 2d)4DXa = 60πkD ln−2d(4.1а)(4.1б)(4.1в)В формулах (4.1а)–(4.1в) введены следующие обозначения: l – полудлина диполя, D – диаметр витка, N – число витков в катушке, µef f – эффективная магнитная проницаемость, δ –толщина скин-слоя, Rdc – сопротивление диполя на постоянном токе, Rs – поверхностное сопротивление, d - толщина диполя/витка, σ –проводимость материала витка.
Для магнитного кольца дополнительно вводитсяограничение D < 0.1λ, для катушки же данное ограничение распространяется навсю длину провода обмотки [86], таким образом, в большинстве случаев катушкане имеет преимуществ перед одиночным кольцом.Как видно из формулы (4.1а) сопротивление излучения Rrad уменьшается суменьшением физического размера антенны. В случае электрических антенн дипольного типа, изготовленных из меди или алюминия, сопротивление излучениясущественно превышает сопротивление потерь, при этом для случая магнитныхантенн сопротивление излучения значительно меньше сопротивления потерь.Одной из основных характеристик ЭМА является эффективность (КПД) антенны, определяемая как:η = RR /(RR + RD ).(4.2)В 1947 году Гарольд Вилер [83] ввел понятие фактора излучения (мощности) pR =RR / |XA (ω)|, для характеристики доли излученной (активной) мощности по отношению к бо́льшей мощности запасенной реактивной энергии.
Затем были введе-56GradGradGradRradRradRradR0R0R0RradRradRradGlossGlossGlossL0L0L0XAXAXARlossRlossRlossXAXAXAXAXAXA RlossRlossRlossZExZExZEx(а)YExYExYExIGIGIGVGVGVG(б)ZExZExZExVGVGVG(в)Рисунок 4.1 – Эквивалентные схемы включения передающей ЭМА электрического (a, б) и магнитного (в) типов. Электрическая антенна (диполь длиной 2l) может быть представлена или в виде последовательной RC цепи (a), в которой сопротивление излученияRrad ∼ (d/λ)2 моделируется импедансом параллельного соединения постоянногосопротивления R0 и малой индуктивности L0 как Rrad = (ωL0 )2 /R0 , или параллельной цепью (б) с проводимостью излучения Grad ∼ (d/λ)4 . Магнитная антенна (виток диаметром D) описывается как последовательная LR цепь (в), в которой сопротивление излучения Rrad ∼ (D/λ)4 .
Rloss и Gloss – соответственно сопротивление ипроводимость потерь. Источник сигнала, фидер и цепь согласования и настройки врезонанс описываются источником напряжения VG с последовательно соединеннымимпедансом ZG или источником тока IG с параллельно включенным адмитансом YG .ны понятия фактора потерь pD = RD / |XA (ω)| и добротности антенны QA каквеличины, обратной антенному фактору мощности pA = pR + pD = RA / |XA (ω)|,то есть как отношение мнимой части импеданса к реальной части импеданса антенны [84, 85]:QA = XA (ω)/ |RA | .(4.3)Высокая добротность ЭМА обусловливает узкую частотную полосу антенныBW ∼ 1/Q (здесь BW = (ω1 − ω2 )/ω0 , где ω1 ,ω2 ,ω0 – соответственно граничные и центральная частоты).
Существует фундаментальная связь между эффективным объемом малой антенны и ее добротностью (впервые эту связь обсуждалЛ. Дж. Чу в 1948 году [87]). В 1996 году Дж. МакЛин [88] сформулировал фундаментальный теоретический предел Qmin = 1/(ka)3 , где k = 2π/λ, для минимальной величины добротности бездиссипативной антенны, которая может бытьпомещена внутрь сферы с минимальным радиусом a. Конечно, добротность антенны может быть уменьшена за счет дополнительных потерь, но при этом будетуменьшаться КПД (эффективность) антенны.
Чем меньше размер антенны, тем57больше ее добротность и, следовательно, меньше ее частотная полоса и сложнеенастроить ее в резонанс с помощью подключаемых элементов, а также труднеесогласовать с нагрузкой. Для реальной антенны, согласованной и настроенной врезонанс подключением цепи с импедансом ZEx = RA − iXA , максимальная частотная полоса [89] BWmax = 16 · (πa/λ)3 /η.В случае приемной ЭМА, наводимая электромагнитной волной э.д.с. в антеннеV0 = lEf E пропорциональна эффективной длине антенны lEf и напряженностиэлектрического поля E. Эффективная длина электрической антенны равна половине длины диполя или монополя, а в случае магнитной антенны в виде виткадиаметром D эффективная длина (lEf )Loop = (π · D2 /4)k [84, 85].
Для магнитнойЭМА, согласованной и настроенной в резонанс подключением цепи с импедансом ZEx = RA − iXA , достигается максимальная мощность, отдаваемая в нагруз2ку: POut = E 2 lEf/(8RA ). Изготавливая антенну из сверхпроводящих материалови тем самым уменьшая сопротивление потерь RD , можно увеличить выходнуюмощность магнитной антенны (увеличивая КПД антенны η), однако при этом резко сужается частотная полоса антенны, и возрастают проблемы согласования свнешними цепями [84, 85].Все способы существенного улучшения характеристик электрически малойантенны и ее согласования с нагрузкой основаны на использовании в антеннойконструкции активных элементов. Так, расширение частотной полосы антенныможет быть достигнуто при использовании так называемых “non-Foster” цепейактивного типа, воспроизводящих отрицательные величины сопротивления, емкости, индуктивности для компенсации большой реактивной составляющей импеданса ЭМА [90–92].
Подключение усилителя с очень большим входным сопротивлением Ramp ≫ |XA (ω)| непосредственно к антенне, настроенной в резонансподключением к ней соответствующего реактивного элемента, позволяет получить большой выходной сигнал VOut = VOC QA K, где K – коэффициент усиленияусилителя (см. схему на рис. 4.2б), однако частотная полоса остается по-прежнемуузкой BW ∼ 1/Q. Построение широкополосной антенной системы возможно приподключении к ЭМА усилителя через чисто реактивное входное сопротивление,имеющее такой же знак и такую же частотную зависимость, как и реактивная составляющая импеданса ЭМА. Такой усилитель может быть реализован на основе сквида или цепочки последовательно включенных сквидов [93]. Электрическималую антенну, интегрированную с усилителем, часто называют активной ЭМА.58XExXAVOCXExXAVOCRARAREx“Ex.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
