Диссертация (1104762), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Такие системы позволят осуществлятьширокополосный прием большого числа сигналов от различных источников ипоследующую параллельную обработку сигналов (разделение сигналов, их анализ, дальнейшая обработка или запоминание) с использованием высокопроизводительной ЭВМ общего назначения при помощи соответствующих программныхсредств [15, 68]. Наиболее активно такие широкополосные приемные системыразрабатываются в научных центрах США (компания Hypres) [9, 10, 13, 17, 69–71]и Японии (научные центры ISTEC и NEC) [8,11,14].
На рис. 1.7б показана микрофотография чипа с первым (2006 год) прототипом цифрового приемника с частотой выборки 30 ГГц для Х-диапазона (частота 7,5 ГГц) из работы [4]. На рис. 1.9показаны для сравнения блок-схемы приемных систем, реализующих традиционную архитектуру (узкополосные приемные каналы, оцифровка сигналов послепонижения частоты в результате преобразования) и архитектуру широкополосного приемника с прямой оцифровкой сигнала сверхпроводниковым АЦП (из работы [4]).Разрабатываемые новые технологии, основанные на использовании широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов, являются крайне вос-20Рисунок 1.9 – Блок-схемы приемных систем, реализующих традиционную архитектуру (узкополосные приемные каналы, оцифровка сигналов после понижения частоты в результате преобразования) и архитектуру широкополосного приемника с прямой оцифровкой сигнала сверхпроводниковым АЦП (Wide-band ADC), из работы [4].
LNA– низкошумящий усилитель (Low-Noise Amplifier), LOs – генераторы гетеродинов(Local Oscillators), крестиками обозначены смесители сигналов.требованными, в том числе, в связи с непрерывным ростом нагрузки на беспроводные сети за счет увеличения числа абонентов; необходимости одновременнойпередачи контента различного типа; развития технологий удаленного доступа квычислительным центрам; развития облачных технологий хранения и обработкиинформации. Следует отдельно отметить открывающиеся возможности в областизащиты информации посредством развития новой технологии программно-определяемой связи, в рамках которой частота и тип кодировки радиосигнала устанавливается динамически в широкой полосе частот, условно от 0 (нескольких герцили нескольких килогерц) до 10 ГГц (и возможно выше), с использованием прямой оцифровки принимаемого сигнала.В то же время, интегральные характеристики разрабатываемых в настоящеевремя прототипов приемных систем с прямой оцифровкой сигналов ограничиваются параметрами антенного тракта и, в силу этого, оказываются существеннониже возможностей сверхпроводниковых АЦП.
Наличие потерь в волноводномтракте обусловливает необходимость использования полупроводниковых усилителей, которые обладают существенно меньшими динамическим диапазоном илинейностью по сравнению со сверхпроводниковыми АЦП. Кроме того, частотная полоса антенны может быть существенно меньше той полосы, с которой спо-21собны работать сверхпроводниковом АЦП.1.2. Многоэлементные джозефсоновские структуры1.2.1. Необходимость перехода к многоэлементным структурамРассмотрим резистивное состояние джозефсоновского элемента с малой собственной емкостью β < 1. В рамках резистивной модели для спектральной плотности флуктуаций для частоты Ω ≪ ΩC можно записать [23]:SV (Ω) = (2/π)kB T (Rd )2 /RN ≈ 2kb T RN /π ,(1.24)где Rd = dV /dI – дифференциальное сопротивление, RN и IC – соответственносопротивление и критический ток джозефсоновского элемента, kB – постояннаяБольцмана, T – физическая температура.
Считая спектральную плотность флуктуаций напряжения двухконтактного сквида в два раза меньшей, чем для случаяодного элемента, получим оценку для среднеквадратичного значения флуктуацийнапряжения на сквиде в полосе частот ∆F = ∆Ω/2π:VF ≈ [4kB T RN ∆F ]1/2 .(1.25)Таким образом, при температуре T ≈ 4 К и RN ≈ 1 Ом, что соответствует попорядку величины параметрам систем, реализованных при помощи стандартнойниобиевой технологии, в единичной полосе частот среднеквадратичная величинафлуктуаций напряжения на сквиде равна (VF )1 ≈ 1,5 · 10−5 мкВ.Крутизну преобразования сквида VΦ = dV /dΦ при малой индуктивности можно оценить снизу как 2Φ0 /VC . Рассматривая характерные напряжение VC = IC RNпорядка нескольких микровольт и нормальное сопротивление RN ≈ 1 Ом, получаем оценку сверху чувствительности двухконтактного сквида в единичной полосе частот ∆Φ ≈ 10−4 Φ0 .Под динамическим диапазоном (DR) понимается отношение максимальноговыходного сигнала Vmax к уровню шумов на выходе, который, в свою очередь,определяет уровень минимального сигнала на выходе устройства:DR =Vmax.VF(1.26)22В широкой полосе частот ∆F ≈ 1 ГГц согласно (1.25) среднеквадратичная величина флуктуаций на сквиде (VF )1 ГГц ≈ 0,5 мкВ.
Максимальную величину амплитуды выходного сигнала можно оценить величиной равной 1/4 размаха откликасквида, который в свою очередь для сквида с малой индуктивностью можно оценить сверху как VC . Окончательно для динамического диапазона двухконтактногосквида получаем следующую оценку сверху для динамического диапазона:DR =VC.4 (VF )1 ГГц(1.27)При использовании стандартной ниобиевой технологии с плотностью критического тока jc = 4,5 кА/см2 , RN ≈ 2 Oм, Ic ≈ 125 мкА характерное напряжение VCсоставляет 100 мкВ, и динамический диапазон можно оценить как DR ≈ 50, тоесть около 34 дБ. При этом линейный диапазон (свободный от интермодуляционных искажений) будет, как минимум, на порядок меньше.Приведенные оценки динамического диапазона сквида в широкополосном режиме работы указывают на необходимость перехода от одиночных сквидов к многоэлементнымджозефсоновскимструктурам,способнымобеспечитьбольшой динамический диапазон и высокую линейность на уровне величин, достигнутых в сверхпроводниковых АЦП (или иных устройствах обработки сигнала), или превышающих их.
В качестве таких структур были предложены сверхпроводящие квантовые решетки (СКР) [A4, 72].1.2.2. Концепция сверхпроводящих квантовых решетокСверхпроводящие квантовые решетки представляют собой однородные структуры в виде одно-, двух- или трехмерных решеток, состоящие из сверхпроводящих квантовых ячеек, характеризующихся высокой линейностью преобразованиямагнитного сигнала в напряжение. На рисунке 1.10 приведены концептуальныесхемы таких решеток. В качестве сверхпроводящих квантовых ячеек предлагается применять би-сквиды [73–75], а также исследуемые в настоящей работе дифференциальные квантовые ячейки.Высокая линейность характеристик активных устройств на основе квантовыхрешеток обеспечивается высокой линейностью функций преобразования магнитного сигнала в напряжения квантовых ячеек, а динамический диапазон DR решет√ки определяется числом N квантовых ячеек в решетке: DR = N · DR1, где DR123– динамический диапазон одной ячейки.Действительно, в случае последовательного соединения ячеек максимальнаявеличина выходного сигнала Vmax увеличивается пропорционально числу последовательно включенных ячеек NS , а среднеквадратичная величина флуктуаций√напряжения VF увеличивается как NS , так как в силу независимости флуктуаций в ячейках происходит сложение дисперсий флуктуаций.
Таким образом, динамический диапазон, определяемый как отношение величин Vmax и VF , растет с√ростом числа последовательно соединенных ячеек как NS .При параллельном включении квантовых ячеек амплитуда максимального сигнала не изменяется, а среднеквадратичная величина флуктуаций напряжения VF(√ )−1NPс ростом числа параллельно включенных ячеек NP ,уменьшается кактак как через параллельное соединение течет сумма независимых флуктуацион√ных токов, величина среднеквадратичной флуктуации которой растет как NP ,а сопротивление параллельного соединения уменьшается как NP .
Таким образом, параллельное соединение квантовых ячеек (или групп последовательно соединенных ячеек) так же дает рост динамического диапазона пропорционально√NP . Отметим, что данное рассуждение в отношении параллельного соединениясправедливо при выполнении определенных условий малости импеданса соединительных элементов.Для сверхпроводящей решетки из NP параллельно соединенных групп, состоящих из NS последовательно соединенных квантовых ячеек, можно записать(а)(б)Рисунок 1.10 – Схема сверхпроводящей квантовой решетки в виде (а) двухмерной решетки и (б)трехмерного мультичипа.24следующее выражение для динамического диапазона:√DR = N · DR1,(1.28)где N = NS × NP – общее число ячеек.Импеданс сверхпроводящей квантовой решетки Z пропорционален числуквантовых ячеек, включенных последовательно, и обратно пропорционален числу параллельно включенных ячеек или групп последовательно включенных ячеек:Z = Z1 ·NS,NP(1.29)где Z1 – импеданс одной квантовой ячейки.Импеданс сверхпроводящей квантовой решетки может варьироваться за счетизменения соотношения между последовательно и параллельно включенныхквантовых ячеек.
Параллельное включение также можно реализовать параллельным включением нескольких чипов с идентичными СКР, как показано на рисунке 1.10б. Оптимальное значение импеданса решетки определяется требованияминагрузки, что подробнее рассматривается в главе 3.1.2.3. Сверхпроводящие квантовые фильтрыНаиболее простой многоэлементной структурой является цепочка параллельно соединенных джозефсоновских переходов. На ее основе в 2000 году немецки-(а)(б)Рисунок 1.11 – (а) СКИФ-структура. N – число джозефсоновских переходов, ai – распределениеплощадей. (б) Функция отклика напряжения V СКИФ-структуры на внешний магнитный сигнал Φ из работы [76].25ми исследователями была предложена структура, характеризующаяся непериодической функцией отклика напряжения на внешний магнитный сигнал, получившая названия СКИФ – сверхпроводящий квантовый интерференционный фильтр[76, 77].Простейшая СКИФ-структура представляет собой N параллельно соединенных джозефсоновских элементов (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
