Диссертация (1104762), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Load”(а)(б)Рисунок 4.2 – Эквивалентные схемы принимающей магнитной ЭМА. (a) Магнитная ЭМА настроена в резонанс подключением реактивности XEx (ω) = XA (ω) и нагружена на согласованное сопротивление (волновое сопротивление фидера) REx = RA .
(б) Магнитная ЭМА настроена в резонанс подключением реактивности XEx (ω) = XA (ω),с которой снимается сигнал путем подключения высокоомного усилителя с входным сопротивлением Rвх ≫ |XEx (ω)|. Для расширения частотной полосы приемной системы внешняя цепь (обозначенная как “Ex. Load”) может быть заменена наусилитель с чисто реактивным входным импедансом, равным (или близким по величине) реактивности антенны XA (ω) и имеющим такую же частотную зависимость(индуктивного характера).Цепочка сквидов, в том числе, в виде сверхпроводящего квантового интерференционного фильтра, с подключенным к ней низкотемпературным транзисторнымусилителем [94] может быть использована как основной элемент, способный осуществлять широкополосное преобразование магнитной компоненты волны в напряжение. Однако, линейность и динамический диапазон таких активных антенностаются низкими, на уровне низкой линейности отклика сквида и ограниченногодинамического диапазона сквида или последовательной цепочки сквидов.Таким образом, для создания широкополосных антенн активного типа, с большим динамическим диапазоном линейного преобразования принимаемого сигнала в напряжение выходного сигнала необходима разработка и использованиеэффективных многоэлементных джозефсоновских структур.
Такими джозефсоновскими структурами являются рассмотренные в предыдущей главе сверхпроводящие квантовые решетки (СКР).4.1.2. Трансформаторные и бестрансформаторныеактивные электрически малые антеннысверхпроводящиеВ работах [75,95, A1,A2] были предложены два подхода к созданию активныхэлектрически малых антенн (ЭМА) на основе СКР – активных ЭМА трансформаторного и бестрансформаторного типа. В трансформаторной ЭМА используетсяодин или несколько сверхпроводящих трансформаторов магнитного потока, ин-59дуктивно связанных с квантовыми ячейками СКР.
Приложенный к сверхпроводящему трансформатору поток Φ = Bn S (в данном случае S – площадь трансформатора, Bn – нормальная (к плоскости трансформатора) составляющая векторамагнитной индукции B электромагнитного поля волны) индуцирует в трансформаторе экранирующий ток I = Φ/L (здесь L – индуктивность трансформатора),который, в свою очередь, индуцирует прикладываемый к каждой квантовой ячейке магнитный потокΦ1 = M · I = Bn SM /L,(4.4)где M – взаимная индуктивность связи трансформатора потока с квантовой ячейкой.На рисунке 4.3 показаны две схемы активных ЭМА трансформаторного типа на основе одномерной СКР, составленной из последовательно включенныхдифференциальных квантовых ячеек. Цепочка таких дифференциальных ячеекфактически представляет собой две дифференциально включенные последовательные цепочки правых и левых плеч квантовых ячеек (параллельных СКИФцепочек джозефсоновских переходов).
Каждая из этих цепочек индуктивно связана со своим сверхпроводящим трансформатором магнитного потока (а) или собщим трансформатором магнитного потока (б). Ко всем элементам этих цепочекприкладывается одинаковый входной сигнал (магнитный поток), определяемыйформулой (4.4), в которой L и S – индуктивность и площадь трансформатора потока, индуктивно связанного с этими элементами. Все квантовые ячейки должнынаходиться в одинаковом резистивном состоянии, что достигается заданием одинакового тока смещения цепочек IB⋆ , превышающего критический ток плеча квантовой ячейки (параллельной цепочки джозефсоновских элементов). Взаимно-противоположное магнитное смещение плеч квантовых ячеек достигается заданием⋆⋆тока IMпринимаемого магнитного потока.
Ток IMделится на две одинаковыечасти, протекающие по сторонам дополнительного сверхпроводящего контура,охватывающего ячейки обеих цепочек, как показано на рис. 4.3а. При этом к каждому элементу этих цепочек прикладывается одинаковый по величине магнитныйпоток смещения, одного знака в пределах одной ячейки, но противоположногознака по отношению к другой цепочке.В случае ЭМА с одним общим трансформатором, ток магнитного смещенияIM протекает непосредственно по сторонам общего трансформатора, совпадая понаправлению с круговым током входного сигнала в одной стороне трансформа-60тора и имея противоположное сигнальному току направление в другой сторонетрансформатора.
На вставке на рис. 4.3б показан фрагмент предполагаемой топологии цепочки. Для существенного уменьшения индуктивностей всех внутреннихэлементов, квантовые ячейки размещаются над сверхпроводящим экраном илимежду двумя сверхпроводящими экранами.
Использование общего для всей цепочки сверхпроводящего экрана будет создавать нежелательные емкостные связи(через экран) между элементами цепочки. Особенно нежелательны такие связимежду удаленными элементами цепочки. Эта проблема может быть решена путем использования индивидуальных экранов, не имеющих гальванических связей, для каждого из элементов цепочки или для каждой пары соседних элементовцепочки («плавающая» земля).В то же время, двумерная или трехмерная (из нескольких чипов) СКР (см.рис. 1.10) с несверхпроводящими цепями соединения сверхпроводящих квантовых ячеек может быть использована непосредственно как активная ЭМА бес-(а)(б)Рисунок 4.3 – Схемы активных ЭМА трансформаторного типа на основе одномерной СКР, составленной из последовательно включенных дифференциальных квантовых ячеек.Цепочка таких ячеек фактически представляет собой две дифференциально включенные последовательные цепочки правых и левых плеч квантовых ячеек (параллельных СКИФ-цепочек джозефсоновских переходов).
Каждая из этих цепочек индуктивно связана со своим сверхпроводящим трансформатором магнитного потока(а) или с общим трансформатором магнитного потока (б). IB – ток смещения цепочек, IM – ток, задающий взаимно-противоположное магнитное смещение цепочек.На вставке на рис. (б) показан фрагмент предполагаемой топологии цепочки. Изработы [75].61трансформаторного типа. Отсутствие трансформаторов потока существенноупрощает конструкцию ЭМА, в том числе, отсутствие общего сверхпроводящеготрансформатора позволяет полностью исключить паразитную индуктивную связьмежду квантовыми ячейками, в результате которой могут возникать нежелательные резонансы на частоте джозефсоновской генерации, а также паразитная синхронизация джозефсоновских осцилляций.В случае бестрансформаторной ЭМА, электромагнитная волна создает входной сигнал непосредственно в каждой квантовой ячейке.
Для достижения идентичности входных сигналов во всех ячейках, что необходимо для надлежащегофункционирования СКР, должна быть обеспечена однородность структуры магнитного поля принимаемого сигнала (магнитной компоненты электромагнитнойволны) в пределах решетки за счет однородности структуры СКР и выполненияэлектрического соединения квантовых ячеек с использованием нормальных низкоомных проводников. На рис. 4.4 приводится упрощенный эскиз одного плечадифференциальной квантовой ячейки. Магнитный поток вектора индукции В падающей волны, приложенный к площади показанной на этом рисунке структуры,состоящей из двух сегментов сверхпроводящих пленочных слоев, обусловливает возникновение экранирующих мейсснеровских токов, протекающих по краямРисунок 4.4 – Упрощенный эскиз одного плеча дифференциальной квантовой ячейки на основепараллельной цепочки джозефсоновских элементов, которые включены между двумя сверхпроводящими пленками в области перекрытия этих пленок (не показанына эскизе).
Вектор магнитной компоненты H электромагнитной волны направленперпендикулярно плоскости пленок. Мейсснеровские токи, экранирующие поле H,протекают по краям сегментов сверхпроводящих пленок и замыкаются по обращенным друг к другу поверхностям в области перекрытия этих сегментов, создавая направленный параллельно плоскости пленок магнитный поток через площадь цепочки параллельно включенных джозефсоновских элементов (показаны перемычкамина виде сбоку).62каждого из двух пленочных объектов и замыкающиеся по внутренней поверхности пленок в области их перекрытия (в области джозефсоновских элементов). Этивстречно-направленные токи в области перекрытия сверхпроводящих пленок создают направленный параллельно плоскости пленок магнитный поток через площадь параллельной джозефсоновской цепочки, размещенной в области перекрытия пленок структур.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
