Диссертация (1104762), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Посколькурассчитанный параллельный магнитный поток является входным сигналом квантовой ячейки, то его величина как функция пространственных углов, задающихориентацию ячейки относительно линейно поляризованной волны, дает диаграмму направленности сверхпроводящей квантовой ячейки как приемного элементаантенны.Рисунок 4.18а воспроизводит модельную структуру и показывает ориентацию трех взаимно перпендикулярных плоскостей поворота этой структуры в пространстве.
Показанная на рисунке ориентация задает положение, соответствующее нулевым значениям всех трех углов поворота α = β = θ = 0. Направление распространения электромагнитной волны параллельно плоскости модельной структуры и перпендикулярно плоскости β, так что вектор напряженностимагнитного поля линейно поляризованной волны перпендикулярен плоскости модельной структуры.На рис. 4.19а показана диаграмма направленности, соответствующая вращению модельной структуры в плоскости α при β = θ = 0. Максимумы диаграммысоответствуют углам поворота α⋆ ≈ −25° и α⋆⋆ ≈ 180° − 25° ≈ 155°. В этих положениях, как это поясняется на рис. 4.18б, параллельная и перпендикулярная составляющие вектора напряженности магнитного поля волны дают максимальнуювеличинувходногосигнала.Параллельнаясоставляющаядает77(а)(б)Рисунок 4.18 – (а) Трехслойная структура сверхпроводник – диэлектрик – сверхпроводник, которая использовалась в качестве модели плеча дифференциальной квантовой ячейкипри выполнении трехмерного моделирования в поле электромагнитной волны, итри взаимно перпендикулярных плоскости поворота этой структуры в пространстве с обозначением углов поворота в этих плоскостях α, β и θ.
(б) Параллельнаяи перпендикулярная составляющие вектора напряженности магнитного поля волны, которые при угле α ≈ −25° в сумме дают максимальную величину входногосигнала.непосредственно параллельный поток, приложенный к цепочке джозефсоновскихпереходов между слоями S1 и S2. Перпендикулярная компонента обусловливаетвозникновение экранирующих токов, которые, замыкаясь по обращенным друг кдругу внутренним поверхностям слоев S1 и S2 в области их перекрытия, преобразуют перпендикулярный магнитный поток в параллельный.
Сумма этих двухпараллельных потоков максимальна при указанных углах. Величина угла α⋆ , прикотором входной сигнал максимален, зависит от конструкции и топологии квантовой ячейки и, в частности, от определяемого этими факторами коэффициентатрансформации перпендикулярного магнитного потока в параллельный. Показанная на рис. 4.19а диаграмма направленности, нормированная на максимальноезначение, очень близка к построенной в полярных координатах зависимостиfα (α) = |cos (α − α⋆ )| = |cos α · cos α⋆ + sin α · sin α⋆ | = |a · cos α − b · sin α| ,(4.6)где a = cos α⋆ ≈ cos(25°), b = − sin α⋆ ≈ sin(25°) – нормированные коэффициенты линейной связи между величинами перпендикулярной и параллельной составляющих вектора напряженности магнитного поля волны и величинами создаваемых ими параллельных магнитных потоков в зазоре между сверхпроводящимислоями.78(а)(б)(в)Рисунок 4.19 – Диаграммы направленности, соответствующие вращению модельной структуры вплоскости α при β = θ = 0 (а), в плоскости β при α = θ = 0 (б) и в плоскости θпри α = β = 0 (в).На рисунках 4.19б и 4.19в показаны диаграммы направленности, соответствующие вращению модельной структуры в плоскости β при α = θ = 0 и в плоскостиθ при α = β = 0.
Трехмерная диаграмма направленности может быть выражена всферических координатахf (γθ) = |a · cos γ − b · sin γ · cos θ|(4.7)где γ – зенитный угол, θ – азимутальный угол.Диаграмма направленности активной электрически малой антенны бестрансформаторного типа на основе решетки из одинаково ориентированных квантовыхячеек будет иметь такой же вид, как и диаграмма направленности одной ячейки.(а)(б)(в)Рисунок 4.20 – Диаграмма направленности для квадратной антенны магнитного типа (витка).Сплошной линией показано модельное приближение, пунктиром – результатычисленного моделирования. (а) xy-плоскость (плоскость витка); (б) xz-плоскость;(в) yz-плоскость (H-плоскость).
Из работы [97].79В случае сверхпроводящей активной антенны трансформаторного типа диаграмма направленности будет определяться контуром сверхпроводящего трансформатора и, таким образом, фактически совпадать с диаграммой направленности пассивной электрически малой антенны магнитного типа (витка), рассмотренной в литературе (см., например, рис. 4.20, приведенный по работе [97]).4.4. Заключение к главе 4В данной главе исследовалось поведение дифференциальных ячеек (как одноотдельно взятой ячейки, так и их коллективное поведение) в составе активнойэлектрически малой антенны.В случае одноконтурных ячеек (например, би-сквида) размерные эффекты вячейках и СКР отсутствуют, однако при использовании дифференциальных квантовых 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 размерный эффект отсутствует, а при распространении волны вдоль цепочки возникает нарушение симметрии распределения входного магнитного потока вдоль ячейки.
Такая асимметрия сильно снижает линейность выходного сигнала ячейки. Практически этот размерный эффект проявляется при размерах ячейки, превышающих10−4 λW , где λW – длина волны.Второй размерный эффект возникает за счет появления сдвига фаз между входными сигналами плеч ячейки в том случае, когда плечи оказываются пространственно смещенными друг от друга в направлении распространения волны.Наибольшее влияние (примерно на порядок) на линейность оказывает первыйэффект, то есть одинаковый вклад эффектов достигается в случае, когда смещение плеч вдоль распространения волны примерно в десять раз больше, чем длинацепочки (размер плеча).При использовании трансформаторной конструкции антенны с одним общимтрансформатором оба размерных эффекта отсутствуют, однако, в случае, когдаиспользуются два трансформатора, каждый из которых подключен к одноименным плечам квантовых ячеек решетки, будет иметь место размерный эффект второго типа, когда контуры трансформаторов смещены друг относительно друга внаправлении распространения волны.80Диаграмма направленности антенны бестрансформаторного типа совпадает сдиаграммой направленности одной дифференциальной квантовой ячейки и можетбыть выражена следующей зависимостью: fα (α) = |a · cos α − b · sin α|, f (γθ) =|a · cos γ − b · sin γ · cos θ|, где a ≈ cos(25°), b ≈ sin(25°).
В случае сверхпроводящей активной антенны трансформаторного типа диаграмма направленности будет определяться контуром сверхпроводящего трансформатора и, таким образом,фактически совпадать с диаграммой направленности пассивной электрически малой антенны магнитного типа.81Глава 5. Экспериментальные исследования прототиповактивных электрически малых антеннЭкспериментальные прототипы электрически малых антенн на основе дифференциальных квантовых ячеек были изготовлены компанией HYPRES (США)в рамках проведения совместных работ. Микросхемы напылялись на кремниевую подложку размером 5 мм × 5 мм с использованием стандартной ниобиевойтехнологии с плотностью критического тока 4,5 кА/см2 [98].
На рис. 5.27 приведено изображение совмещенных фотошаблонов для активной электрически малойантенны с бестрансформаторным заданием магнитного потока. Данная структура состоит из двух плеч с возможностью дифференциального вычитания откликаодного плеча из другого. В каждом плече содержится 588 последовательно соединенных параллельных цепочек из 12 переходов (7056 переходов в плече).
Общее нормальное сопротивление одного плеча составляет RN ≈ 90 Ом, а критический ток плеча равен IC = 1,5 мА. Данная структура отличалась от стандартно изготовляемых наличием контактных площадок только с одной стороны чипа(а не по всем сторонам чипа), что позволило расширить количество ячеек и использовать большую площадь подложки – прототип антенны занимал площадь4,3 мм × 4,3 мм.Разработанная микросхема содержит 10 выходов (рис. 5.1):— cl1_out, cl1_in – выход и вход управляющей линии (линии заданиямагнитного смещения) плеча 1;— ib1 – ток питания (смещения) плеча 1;— vout1 – напряжение на 1 плече;— cp1, cp2 – центральные точки;— vout2 – напряжение на 2 плече;— ib2 – ток питания (смещения) плеча 2;— cl2_in, cl2_out – вход и выход управляющей линии (линии заданиямагнитного смещения) плеча 2.7Полноцветные рисунки приведены на странице 84.82Рисунок 5.1 – Схема микросхемы с прототипами активной электрически малой антенны с указанием выводов микросхемы.5.1.
Проведение экспериментального исследования5.1.1. Разработка держателя микросхем для прототипов активных электрически малых антеннТак как изготовленную структуру невозможно изучать в стандартном измерительном оборудовании, то для измерений использовался специально разработанный держатель микросхем. Сама структура ультразвуковой импульсной сваркой(бондированием) соединялась с коннектором (см. рис. 5.3а).Посредством приваренного коннектора микросхема присоединялась к «гелиевой» (помещаемой в жидкий гелий) части держателя микросхемы (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
