Диссертация (1104762), страница 14
Текст из файла (страница 14)
4.4), находящейся в электромагнитном поле волны, распространяющейся параллельно цепочке джозефсоновских переходов (линия S-S), вмомент времени, когда вектор напряженности магнитного поля, перпендикулярный плоскости пластин, принимает нулевое значение (в центре этого объекта). Дляинформативности распределения токов показаны как для всего объекта (а), так иотдельно для каждой из пластин (б), которые изображены горизонтально смещенными относительно друг друга.72Рисунок 4.14 – Распределение параллельного магнитного поля внутри области перекрытия сверхпроводящих пластин модельного объекта (приложенного к цепочке джозефсоновских переходов) в поле волны частотой 1 ГГц, распространяющейся параллельно линии джозефсоновских переходов, в момент времени, когда вектор напряженности магнитного поля волны (амплитудой 1 А/м), перпендикулярный плоскостипластин, принимает нулевое значение (в центре этого объекта).распространяющейся параллельно линии джозефсоновских переходов (линия SS), в момент времени, когда вектор напряженности магнитного поля, перпендикулярный плоскости пластин, принимает нулевое значение (в центре этого объекта).Токи на противоположных краях модельного объекта направлены в одну и ту жесторону, разряжая индуцированные электрические заряды, обусловленные электрической компонентой поля.
Однако, теперь эти токи возникают на других краяхмодельного объекта и поэтому создают в области перекрытия пластин параллельное магнитное поле и магнитный поток. На рис. 4.14 показано рассчитанное распределение параллельного магнитного поля в области перекрытия пластин, которое прикладывается вдоль цепочки джозефсоновских переходов. Характернаявеличина этого поля на три порядка (порядок определяется отношением D/λW )меньше, чем величина поля, которое создается в момент времени, когда напряженность магнитного поля волны максимальна.
Таким образом, влияние электрической компоненты волны проявляется как размерный эффект.Несмотря на малую величину магнитного поля, обусловленного размернымэффектом, это поле нарушает симметрию распределения магнитного потока, действующего на цепочку джозефсоновских переходов, и тем самым ухудшает линейность отклика напряжения дифференциальной квантовой ячейки и, следовательно, ухудшает линейность выходного сигнала антенны на основе таких ячеек.На рис. 4.15а приведены результаты численного анализа влияния размерногоэффекта 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 вы-73100100A9090,,B808070AA7060BB601E-6501E-51E-4D/(а)1E-30,010,090,100,110,12/w00,13(N-1)(б)Рисунок 4.15 – (а) 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) и50% (B) полного размаха отклика напряжения ячейки. (б) Зависимость линейностиотклика напряжения дифференциальной квантовой ячейки от магнитного смещения плеч ячейки при пренебрежимо малом размере ячейки D/λw ≈ 0 (штриховаялиния) и при D/λw = 10−3 (сплошная линия) для амплитуд сигналов, использующих 30% (A) и 50% (B) полного размаха отклика напряжения ячейки.полнены для амплитуд сигналов, использующих 30% (A) и 50% (B) полного размаха отклика напряжения ячейки. При относительно малых размерах ячейки, когда D/λW < 10−4 , влияние размерного эффекта пренебрежимо мало, однако приD/λW > 10−4 этот эффект ограничивает максимально достижимую (при оптимальном магнитном смещении плеч дифференциальной ячейки) величину линейности.
Поскольку наибольшая линейность достигается в достаточно узком диапазоне магнитного смещения, размерный эффект «размывает» заданную величинумагнитного смещения и тем самым «обрезает» пико-подобную зависимость линейности от величины магнитного смещения (см. рис. 4.15б).Таким образом, оптимальная топология дифференциальной квантовой ячейкидолжна обеспечивать, в первую очередь, симметричное распределение магнитного потока вдоль цепочек джозефсоновских переходов в плечах ячейки. Это распределение должно иметь минимум в центре или быть близким к однородномураспределению.
Для исключения влияния электрической компоненты волны через размерный эффект на линейность отклика напряжения ячейки размер каждогоиз плеч дифференциальной ячейки (вдоль цепочки джозефсоновских переходов)не должен превышать ∼ 10−4 длины принимаемой волны λW . В противном слу-74чае размерный эффект ограничивает максимально достижимую линейность дляприема волн, направление распространения которых параллельно линии расположения цепочки джозефсоновских переходов. Следует отметить также, что размерный эффект не будет наблюдаться в одноконтурных квантовых ячейках, такихкак би-сквид.4.2.2.
Анализ влияния размерных эффектов на активную электрически малую антеннуВ разделе 4.2.1 было рассмотрено влияние размерного эффекта на дифференциальную квантовую ячейку, которое выражается в уменьшении линейности выходного сигнала такой ячейки при размерах ячейки больше, чем 10−4 λW (для частоты 3 ГГц характерный размер равен 10−4 λW = 10 мкм). Следует отметить, чтоданный эффект наблюдается только при распространении волны вдоль цепочкиджозефсоновских переходов, образующих плечо дифференциальной квантовойячейки (как показано на рис. 4.16).Рассмотрим влияние размерных эффектов на СКР и бестрансформаторную антенну на основе сверхпроводящей квантовой решетки.
Пусть расстояние междуплечами дифференциальной ячейки составляет ∆x, тогда сигнал, попадающийв каждое плечо, имеет сдвиг по фазе ∆Θ = 2π∆x/λ, что эквивалентно приложению дополнительного переменного магнитного смещения к плечам амплитудой ∆Φ = ΦA π∆x/λW , где ΦA – амплитуда внешнего сигнала. Данное магнитное смещение приводит к ограничению линейности выходного сигнала, котороедля пикообразной зависимости линейности может быть оценена как линейность вРисунок 4.16 – Влияние размерных эффектов на дифференциальную квантовую ячейку, произведенную с использованием тонкопленочной ниобиевой технологии. Джозефсоновские переходы сформированы между двумя сверхпроводящими пленками.
Стрелками показано направление распространения падающей волны, в случаях наличия(+) и отсутствия (-) размерного эффекта.75(а)(б)(в)Рисунок 4.17 – Влияние размерных эффектов на антенну, состоящую из двух дифференциальновключенных последовательных цепочек плеч дифференциальной квантовой ячейки для случаев бестрансформаторной (а) и трансформаторных антенн с общимтрансформатором (б) и двумя трансформаторами (в).
Стрелками показано направление распространения падающей волны, в случаях наличия (+) и отсутствия (-)размерного эффекта.случае ширины пика равной 2∆Φ. Таким образом, используя зависимость, изображенную на рисунке 4.15а, можно показать, что влияние размера ∆x на линейность такое же, как влияние размера ячейки D равное 0,1∆x, то есть расстояниемежду плечами оказывает на порядок меньшее влияние на линейность отклика,чем размер ячейки.Также как и в случае одной ячейки, наличие размерного эффекта зависит отнаправления распространения волны.
На рисунке 4.17а изображена бестрансформаторная антенна на основе СКР из дифференциальных квантовых ячеек. Направления распространения падающей волны соответствуют наличию или отсутствиюразмерного эффекта.В случае ЭМА трансформаторного типа, реализованной с использованием одного общего трансформатора (см. рис. 4.17б), влияния размерного эффекта налинейность не будет, так как все плечи будут принимать одинаковый магнитный поток, сгенерированный мейсснеровскими токами, компенсирующими общий внешний магнитный поток. Более того, такой трансформатор обеспечит симметричное задание параллельного магнитного потока вдоль цепочки джозефсоновских переходов.Для трансформаторной антенны с двумя трансформаторами потока влияниеразмерного эффекта на линейность будет определяться сдвигом фазы мейсснеровских токов в трансформаторах ∆Θ = 2π∆x/λ, здесь под ∆x понимается рас-76стояние между трансформаторами.
Аналогично бестрансформаторной антеннеразмерный эффект присутствует только при определенном направлениираспространения волны (см. рис. 4.17в).4.3.Диаграмма направленности антенны на основе СКРРасчет диаграммы направленности сверхпроводящей квантовой ячейки былвыполнен с использованием модельной трехслойной структуры (сверхпроводящий слой S1 – диэлектрический слой – сверхпроводящий слой S2), показаннойна рис. 4.4.
Эта структура использовалась в качестве модели плеча дифференциальной квантовой ячейки при выполнении трехмерного численного моделирования ячейки в поле линейно поляризованной электромагнитной волны частотой1 ГГц. На основании данных моделирования рассчитывалась величина параллельного сверхпроводникам магнитного потока через сечение диэлектрического слоямежду сверхпроводящими слоями S1 и S2 для различных ориентаций модельной структуры по отношению к направлению распространения волны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
