Диссертация (1104762), страница 5
Текст из файла (страница 5)
рис. 1.11а). Такая цепочка представляет собой N −1 кольцо с включенными переходами, то есть N −1 двухконтактный сверхпроводящий интерферометр. Для достижения непериодической функции откликаплощадь этих колец делается неодинаковой, и подчиняется некому распределению ai .Так как каждый сквид представляет собой устройство, преобразующее магнитный поток в напряжение, то СКИФ-структура будет выполнять аналогичнуюроль. На рисунке 1.11б приведена функция отклика напряжения на внешний магнитный сигнал.
Функция отклика имеет лишь один глобальный минимум2 .1.3.Постановка задачиОсновной задачей диссертационной работы является теоретическая разработка физических основ использования макроскопических квантовых эффектов всверхпроводниках для создания высокочувствительных широкополосных активных устройств приема и усиления сигналов, в том числе сверхпроводящих активных электрически малых антенн (ЭМА) гигагерцового диапазона частот на основесверхпроводящих квантовых решеток, а также экспериментальное подтверждение теоретических исследований.Постановка указанной задачи определяется востребованностью создания широкополосных устройств, обладающих высокой чувствительностью, присущейсквидам, и характеризующихся при этом высокой линейностью и большим динамическим диапазоном.
Такие устройства необходимы для развития новых технологий приема информации по различным каналам связи, обработки и защиты информации с использованием широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов и их последующей цифровой фильтрацией и идентификацией.2Ряд авторов используют термин СКИФ также для цепочки параллельно включенных переходов с регулярнымраспределением площадей отдельных колец. Действительно, такую цепочку можно рассматривать как предельныйслучай СКИФ для распределения ai = const; в этом случае отклик такой системы будет иметь некий выраженныйпериод. Тем не менее, СКИФ-структура создавалась как система с заведомо непериодическим сигналом, и подобное обобщение нельзя признать удачным.
В настоящей работе цепочка (параллельных) переходов, если не указанообратное, будет считаться регулярной системой, а СКИФ – нерегулярной системой.26Решение этой задачи может быть достигнуто с использованием специальныхмногоэлементных джозефсоновских структур, которые получили название сверхпроводящих квантовых решеток (СКР). Линейность выходного сигнала СКР определяется линейностью откликов ячеек решетки, а динамический диапазон возрастает с увеличением числа ячеек в решетке. При этом импеданс СКР может изменяться за счет использования комбинированного последовательно-параллельногоэлектрического соединения ячеек.Задачи, решаемые в диссертационной работе, разделяется на следующие части:— разработка методов оптимизации базовых ячеек сверхпроводящей квантовой решетки – дифференциальных квантовых ячеек;— разработка методов анализа линейности радиотехнических структур;— исследование поведения дифференциальных ячеек в качестве компонентовэлектрически малой антенны;— исследование коллективного поведения ячеек в составе сверхпроводящейквантовой решетки и активной электрически малой антенны на ее основе;— экспериментальное подтверждение теоретического анализа и результатовчисленного моделирования.27Глава 2.
Сверхпроводящие квантовые решетки на основедифференциальных квантовых ячеек2.1.Определение линейности сверхпроводящей квантовой решеткиЛинейность устройств определяется и измеряется экспериментально сиспользованием однотонового или двухтонового методов анализа линейности[78]. При использовании однотонового метода анализа линейности на входустройства подается гармонический сигнал и измеряется спектр выходного сигнала. Линейность определяется как:Lin1 = B1 /max {Bk } ,(2.1а)где B1 – амплитуда основного тона выходного сигнала, Bk – амплитуды гармониквыходного сигнала (k ≥ 2 – целое число). Как правило, линейность, так же каки динамический диапазон выражается в децибелах (считая амплитуды Bk выраженными в единицах напряжения3 ):(B1Lin1 = 20 lgmax {Bk })дБ.(2.1б)На рисунке 2.1а схематически изображена последовательность действий при проведении однотонового анализа.При использовании двухтонового метода анализа (рис.
2.1б) на вход устройства подается два гармонических сигнала с одинаковой амплитудой и близкимичастотами Ω1 и Ω2 и измеряется спектр выходного сигнала. Линейность определяется как:Lin2 = B1 /max {Bn,m } ,(2.2а)или в децибелах:(B1Lin2 = 20 lgmax {Bn,m })дБ ,(2.2б)где B1 – амплитуда основного тона каждого из двух выходных сигналов, Bn,m –амплитуды комбинационных частот nΩ1 ± mΩ2 спектра выходного сигнала (n иm – целые числа).3Если измеряется спектр мощности, а не спектр напряжения выходного сигнала, то в выражениях (2.1б) и (2.2б)множитель перед десятичным логарифмом следует заменить на 10.28VVB1ΦexB3tСпектро-t анализатор 1 2 3 4 5 6 7 8 9Φex(а)VVB1ΦextСпектро-t анализаторBMΦex(б)Рисунок 2.1 – Схемы проведения (а) однотонового и (б) двухтонового анализа линейности. B1 –амплитуда основного тона выходного сигнала (каждого из двух выходных сигналов), B3 и BM – максимальные амплитуды гармоник и комбинационных частот выходного сигнала.Выбор конкретного метода анализа линейности осуществляется в зависимости от частотной полосы пропускания устройства.
Для низкочастотных устройствможет применяться однотоновый метод анализа линейности, для полосныхустройств необходимо использовать двухтоновый метод анализа линейности. Вслучае сверхпроводящих квантовых решеток, которые являются широкополосными устройствами с частотной полосой, начинающейся с постоянного тока, можноприменять как однотоновый, так и двутоновый методы.Следует отметить, что линейность устройства не может быть выше динамиче-29ского диапазона.
Максимальный динамический диапазон, в котором амплитудыгармоник или комбинационных частот меньше флуктуационного фона, то есть ненаблюдаются в спектре выходного сигнала, называется динамическим диапазоном, свободным от нелинейных искажений, SFDR4 .Линейность устройств на основе сверхпроводящих квантовых решеток определяется линейностью функций отклика напряжения на магнитный сигнал сверхпроводящих квантовых ячеек и не зависит от числа квантовых ячеек в решетке(при отсутствии существенного технологического разброса параметров ячеек).Основными устройствами, предлагаемыми для реализации на основе СКР являются широкополосные малошумящие усилители и активные электрически малые антенны. Для реализации такого усилителя необходимо решить задачу интеграции СКР с входной широкополосной линией приложения магнитного сигналак каждой квантовой ячейки решетки.Для создания на основе СКР высокоэффективной электрически малой антенны (ЭМА) активного типа не требуется наличия какой-либо входной широкополосной линии.
Подобная антенна, осуществляющая преобразование потока магнитной компоненты электромагнитной волны (магнитный сигнал) в напряжение,выполняет одновременно прием и усиление сигнала. При этом отдаваемая в нагрузку антенны мощность практически полностью забирается от источника постоянного тока смещения5 квантовых ячеек решетки, то есть не является мощностью, полученной от принимаемой волны, и может быть достаточно большой.2.2. Дифференциальная квантовая ячейкаВ качестве базисного элемента сверхпроводящей квантовой решетки применяются сверхпроводящие квантовые ячейки, которые, как было показано выше,должны обеспечивать высокую линейность функции преобразования магнитногосигнала в напряжение.
Исследуемой в настоящей работе ячейкой является дифференциальная квантовая ячейка.Дифференциальная ячейка состоит из двух низкоиндуктивных параллельных4От англ. Spurious-Free Dynamic Range.По аналогии с полупроводниковой электроникой в сверхпроводниковой электронике под током смещения понимается ток питания джозефсоновского перехода (структуры на основе джозефсоновских переходов). При этом токсмещения не является током задания смещения по магнитному потоку, который обеспечивает необходимый для работы дифференциальной квантовой ячейки выбор рабочей точки по взаимообратному магнитному смещению плечячейки.530цепочек джозефсоновских переходов (плеч ячейки) в резистивном состоянии,включенных дифференциально и смещенных взаимно противоположно некоторым магнитным потоком δΦ. Причем индуктивности соединений и площади сквидов, образованных двумя соседними переходами, могут быть как одинаковымивдоль всего плеча, так и изменяющимися по определенному закону.
В последнемслучае плечо дифференциальной ячейки будет представлять собой СКИФ. На рисунках 2.2а и 2.2б показана блок-схема дифференциальной квантовой ячейки ипринципиальная схема каждого из ее плеч – параллельной цепочки джозефсоновских переходов, магнитное поле к которой прикладывается посредством индуктивно связанной с ней управляющей линии, обеспечивающей задание магнитногопотока смещения δΦ и, в частном случае, входного сигнала Φ. Полный ток смещения цепочки Ib превышает максимальную величину критического тока цепочки∑IC = Ic,k и, таким образом, обусловливает резистивное состояние цепочки (Ic,k– критический ток k-ого перехода цепочки).ΦВходΦВход1Вых.
V+δΦCПравое плечо−δΦV/ VЛевое плечоV(а)VLR0IIJ1J2J3JN −1JN-1Плечо дифференциальной квантовой ячейки(б)-10/10(в)Рисунок 2.2 – Блок-схема дифференциальной квантовой ячейки (а) и принципиальная схемакаждого из ее плеч (б) – параллельной цепочки джозефсоновских переходовJ1 ; J2 ; . .
. ; JN , магнитное поле к которой прикладывается посредством индуктивносвязанной с ней управляющей линии (задание магнитного потока смещения δΦ,входного сигнала ΦВход ). Полный ток смещения∑ цепочки превышает максимальнуювеличину критического тока цепочки IC =Ick и, таким образом, обусловливает резистивное состояние цепочки. (в) Отклик напряжения V дифференциальнойячейки, а также индивидуальные отклики напряжения левого (VL ) и правого (VR )плеч ячейки (светлые линии), смещенные по магнитному потоку на величину +δΦи −δΦ соответственно.312.2.1. Аппроксимационная модель дифференциальной ячейкиБоковые стороны основного пика отклика напряжения параллельной цепочки(регулярной или СКИФа) VR (Φ) и VL (Φ) на приложенный магнитный поток Φпри числе джозефсоновских переходов N > 10 .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
