Исследование радиофизических характеристик многоэлементных джозефсоновскиз приемных устройств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР СВЕРХПРОВОДНИКОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

"АЙСБЕРГ"

чч^Б-ФД--

1 7 ОКТ 1996

На правах рукописи

КУДЕЛЯ Анатолий Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Специальность 01.04.03-радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Киев - 1996

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в государственном научно-исследовательском центре сверхпроводниковой электроники "АЙСБЕРГ" г. Киев и Московском Ордена Ленина и Трудового Красного Знамени педагогическом государственном университете им. В.И. Ленина.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор В. А. ИЛЬИН

Научный консультант - кандидат тех. наук А. Г. ДЕНИСОВ

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор В. М. ШУЛЬГА,

•доктор физико-математических наук, доцент В. В. ИЛЬЧЕНКО

Ведущая организация - Институт радиофизики и электроники HAH Украины

Защита состоится ее^с/Зе^-Я 1936 г в /£^часов на

заседании Специализированного Ученого совета Д 01.01.17 в Киевском университете им. Тараса Шевченка по адресу: 252017 , Киев, ул. Владимирская, 64, Киевский университет им. Тараса Шевченка, радиофизический факультет , аудитория 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Киевского университета имени Тараса Шевченко

Автореферат разослан ct^tf^ 1996г.

Ученый секретарь Специализированного Ученого совета кандидат физико-математических наук А. Г. ШКАВРО

Актуальность

Среди многообразных следствий эффектов Джозефсона выделяется возможность осуществления детектирования электромагнитного излучения с помощью слабых связей. Первые широкополосные детекторные устройства, использующие эффекты Джозефсона, выявили их уникальные возможности в мм и субмм диапазонах волн. В виду низкой стабильности используемой слабой связи они эпизодически использовались для проведения радиоастрономических наблюдений. Однако есть и другие области, где применение широкополосных приемников является весьма эффективным. В частности, детекторные радиометры могут быть успешно использованы для решения задач дистанционного зондирования подстилающих поверхностей (суши, мирового океана и т.д.). Именно здесь использование многоэлементных и многоканальных высокочувствительных джозефсоновских детекторных радиометров дает возможность получения принципиально новой информации, обнаружения тонких эффектов, существенного уточнения уже имеющихся данных, установления взаимосвязи между ними. Гарантом этого является высокая чувствительность джозефсоновских радиометров, превышающая соответствующий параметр других приемных устройств, причем особенно важной оказывается возможность ее реализации в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. Создание многоэлементных приемных устройств в этих диапазонах позволит решать задачи радиовидения, получать информацию от объекта изучения в масштабе реального времени, в отличие от аналогичных систем со сканирующей диаграммой направленности. К настоящему времени известен ряд работ, посвященных созданию сверхпроводниковых многоэлементных приемников мм диапазонов волн, которые, как следует из публикаций, являются лабораторными образцами, предназначенными для отработки принципов их построения.

Предпосылкой к началу разработки многоэлементных джозефсоновских радиоприемных устройств мм и субмм диапазонов волн послужило создание высококачественных пленочных торцевых джозефсоновских переходов (ТДП) с заданными электрофизическими характеристиками.

Вопросам изучения электрофизических свойств ТДП, их взаимодействия с электромагнитным излучением и электродинамической системой, а также созданию приемников различных диапазонов волн на одиночных ТДП посвящено значительное число работ. Однако, полученный при этом опыт не может быть автоматически перенесен на разработку многоэлементных приемных систем. И главной причиной этого является необходимость постановки новых радиофизических задач, отсутствующих в радиометрах на одиночных элементах. Основными из них являются: исследование эффективности взаимодействия СВЧ сигнала мм и субмм диапазонов волн с многоэлементной матрицей ТДП; определение величины электромагнитного взаимодействия нескольких ТДП, одного из них как высокочувствительного детектора электромагнитного излучения и второго - как генератора при нестационарном эффекте Джозефсона, находящихся в единой электродинамической системе; поиск оптимальных источников сигналов калибровки и подшумливания; оптимального способа модуляции для достижения максимальной чувствительности приемного устройства.

Цель работы .

Настоящая диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию: свойств собственной генерации торцевых джозефсоновских переходов; изучению процесса детектирования электромагнитного излучения мм и субмм диапазонов волн сверхпроводниковым нелинейным элементом в схеме радиометра с управляемой вольт-амперной характеристикой (ВАХ), под воздействием управляющего сигнала (УС); созданию модели и исследованию радиофизических характеристик многоэлементного приемного устройства на джозефсоновских переходах в субмм диапазоне волн.

Научная новизна определяется следующими впервые полученными результатами:

1. Экспериментально обнаружена и исследована нелинейная зависимость мощности излучения джозефсоновской генерации ТДП при взаимодействии с другим ТДП, находящимся в единой электродинамической системе с первым.

2. Экспериментально доказано, что эффект повышения чувствительности джозефсоновского детектора в режиме с управляемой ВАХ является следствием подавления его собственной

генерации под воздействием управляющего сигнала; определена оптимальная величина коэффициента подавления критического тока, в зависимости от величины флуктуации и относительной частоты, для достижения максимальной флуктуацнонной чувствительности.

3. Исследованы спектральная плотность флуктуаций низкочастотного напряжения джозефсоновского перехода при сильной электромагнитной связи с электродинамической системой в присутствии еще двух ТДП, а также динамические характеристики откликов и поляризационные свойства сверхпроводниковой МЬ-БьЫЬ микросхемы с тремя ТДП в зависимости от одновременного режима работы по постоянному току каждого из них.

4. Экспериментально определена оптимальная величина электромагнитного взаимодействия двух ТДП, генераторного и детекторного, находящихся в единой электродинамической системе, в зависимости от их режима работы по постоянному току.

5. Предложен способ модуляции для многоэлементных приемных устройств на джозефсоновских переходах при детектировании немодулированного электромагнитного излучения мм и субмм диапазонов волн.

6. Разработаны методики определения величины диссипации СВЧ сигнала в ТДП, величины мощности управляющего сигнала для достижения максимальной чувствительности детектора с управляемой ВАХ.

Практическая ценность работы:

1. Показано, что разработанные методики и измерительные стенды, в которых в качестве сверхмалошумящего усилителя низкой частоты используется СКВ ИД постоянного тока, позволяют проводить измерения характеристик джозефсоновской генерации ТДП с точностью -(10-20)%.

2. Измерены величины шумовой температуры собственной генерации ТДП в зависимости от режима работы по постоянному току, при этом установлена возможность использования ТДП в качестве генератора управляющего сигнала, а также источников сигнала калибровки и подшумливания для детекторного радиометра на ТДП.

3. Экспериментально определены условия достижения максимальной чувствительное™ джозефсоновского детектора с управляемой ВАХ.

4. Предложен способ поканальной модуляции для многоэлементных приемных устройств на джозефсоновских переходах,

5. Создана модель и экспериментально исследованы радиофизические характеристики восьмиэлементного радиометрического приемника на ТДП, что позволяет показать один из возможных вариантов создания систем радиовидения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Мощность излучения собственной генерации дожозефсоновского перехода в электромагнитную систему, согласованную с другим переходом, имеет нелинейную зависимость, определяемую относительной частотой излучения и добротностью электромагнитной системы.

2. Повышение чувствительности джозефсоновского детектора в режиме с управляемой вольт-амперной характеристикой определяется мощностью управляющего сигнала, и является следствием подавления собственной генерации джозефсоновского перехода при малых значениях флуктуаций.

3. Спектральная плотность флуктуаций низкочастотного напряжения джозефсоновского перехода, в составе трехэлементной сверхпроводниковой микросхемы, и отклик на воздействие электромагнитного сигнала, являются линейной функцией его электромагнитной связи с другими переходами.

4. Величина электромагнитного взаимодействия двух ТДП, находящихся в единой электродинамической системе, определяется их режимом работы по постоянному току при малых значениях флуктуаций.

5. В многоэлементных приемных системах на ТДП, при детектировании немодулированного электромагнитного излучения мм и субмм диапазонов волн, для достижения предельной чувствительности, оптимальным способом модуляции является работа каждого детектора в режиме с управляемой ВАХ под воздействием управляющего сигнала.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 5 статьях, 3 авторских свидетельствах на изобретение и 3 тезисах докладов.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на семинарах в Московском педагогическом государственном университете, Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, ГНИЦ "Айсберг", на семинарах по прикладной сверхпроводниковой электронике и биомагнетизму

("Жукин-XVH", "Жукин-XVIH") в институте кибернетики им. В.М. Глушкова HAH Украины, ГосНИЦ "ФОНОН", на международных конференциях по прикладной сверхпроводимости в Чикаго (США) в 1992 г., Геттингене (Германия) - 1993 г., Орландо (США) - 1994 г., SP AI - Киев 1995 г., ISRAMT - Киев 1995 г.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 160 страниц печатного текста, 46 рисунков, 5 таблиц, 1 фотографии, списка литературы из 128 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы его основные задачи, показана новизна и практическая значимость работы, приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе дано краткое описание физических основ детектирования электромагнитного излучения сверхпроводниковыми нелинейными элементами и их радиофизических характеристик в составе колебательных систем при взаимодействии с СВЧ сигналом, приводятся электрофизические свойства ТДП и расчетные формулы флуктуационной чувствительности джозефсоновских детекторов с управляемой ВАХ, обсуждаются особенности построения многоэлементных приемных систем, анализируются характеристики современных одноэлементных и многоэлементных криогенных приемников. В конце главы дана постановка решаемых в диссертации задач.

В главе 2 рассмотрены основные радиофизические принципы построения сверхпроводникового криогенного радиометрического датчика (КРД), как основы многоэлементного приемника. Определено, что основные из них заключаются в следующем: - в качестве нелинейного сверхпроводникового элемента должен использоваться ТДП; - КРД должен представлять собой детекторный приемник, построенный по схеме с управляемой ВАХ под воздействием управляющего сигнала; - в качестве генератора УС, а также в системах калибровки и подшумливания КРД используется ТДП; - в мм и субмиллиметровом диапазонах длин волн входной тракт имеет квазиоптическое исполнение.

В главе показано, что для проведения экспериментальных исследований свойств джозефсоновской генерации и радиофизических характеристик КРД были разработаны измерительные стенды и методики измерений. В одном из основных измерительных стендов, на котором были проведены основные исследования, в качестве сверхмалошумящего усилителя низкой частоты (УНЧ) использовался СКВИД постоянного тока с полосой усиления 0-10 кГц и разрешением по току 1,6-10"12 А/Гц , что обеспечило измерение сверхмалых низкочастотных сигналов с высокой достоверностью. Касаемо методик, наряду с использованием известных, были разработаны и новые методики исследования, непосредственно для многоэлементных приемных устройств с джозефсоновскими переходами. Это методики определения: диссипации мощности СВЧ излучения в джозефсоновскком переходе, оптимальной мощности управляющего сигнала (УС), шумовой температуры собственной генерации ТДП для использования в качестве калибровочного сигнала. Точность измерений соответственно составляла для первых двух-12-17% и 10-20% для третьей при мощности СВЧ излучения »10"10 Вт. Методика измерения флуктуационной чувствительности, 8Т, имела две особенности: первая - применение фильтра низких частот для ограничения полосы излучения калибровочного источника со стороны верхних частот, и вторая -проведение измерений при приеме немодулированного СВЧ излучения.

В главе дано обоснование выбора моделей КРД, связанных с особенностями передачи СВЧ сигнала в мм и субмм диапазонах волн, для апробации изложенных принципов создания КРД, как модуля многозлементной системы: 1) волноводной в канале 7,2x3,4 мм2; 2) квазиоптической в круглом волноводе диаметром 5,2 мм; 3) в виде сверхпроводниковой интегральной микросхемы с тремя ТДП. В волноводных моделях использовались 2 и 3 ТДП одновременно: один - как детектор, второй - как генератор УС и третий - как генератор шумового сигнала.

Показано, что получение достоверных результатов измерений радиофизических характеристик ТДП и КРД при мощности СВЧ сигнала «Ю'10 Вт, и такого же порядка мощности собственной генерации перехода, является очень сложной экспериментальной задачей. Поэтому, совместно с использо-ва-

нием сверхчувствительного УНЧ на СКВИДе, было произведено оптимальное согласование ТДП, с величиной нормального сопротивления 11н « (1-100) Ом, как со свободным пространством с р = 120л: Ом, так и волноводной системой с 7е я 200 Ом в широкой полосе частот. При этом учитывалось, что импеданс джозефсоновского перехода имеет частотную зависимость, которая определяет его связь с электродинамической системой, и на частоте сигнала определяется коэффициентом согласования

а = ——— - „ , где л0 - импеданс перехода, Кс - активное

сопротивление СВЧ системы. Для этого, с целью широкополосного согласования ТДП с волноводом, был проведен расчет и макетирование с дальнейшим исследованием характеристик спиральных антенн эквиугольного типа с трансформатором импеданса. Правильность такого подхода была подтверждена в эксперименте по определению мощности СВЧ сигнала, поглощенному в джозефсоновском переходе. Эксперимент проведен в 8-ми мм диапазоне волн, при мощности сигнала СВЧ Р = 1,2-10"8 Вт, на волноводной модели с двумя ТДП, имеющими следующие электрические характеристики: №1 1С = 15 мкА, И = 67 Ом; №2 1с = 30 мкА, = 50 Ом. Результаты эксперимента показали, что при коэффициенте согласования ё>0,75 и флуктуациях у=\{/2\с <0,01 в джозефсоновском переходе

поглощается и 0,75% мощности СВЧ сигнала, а разработанная методика приемлема для измерения коэффициента согласования как микрополосковых спиральных антенн, так и приемных модулей, в которых она изготовлена в едином технологическом цикле с активным элементом. В дальнейшем последнее было использовано при создании и исследовании радиофизических характеристик восьмиэлементной линейной матрицы с ДБШ в 2-х мм диапазоне волн, как прототипа для разработки матрицы с джозефсоновскими переходами. Это позволило проводить исследования характеристик КРД в нормальных условиях. На этих же волноводных моделях была апробирована разработанная методика исследования флуктуационной чувствительности КРД как при приеме модулированного сигнала с рЧ-п аттенюатором во входном тракте, так и немодулированного, в режиме с управляю-

щим сигналом. Результаты измерения показали, что 5Т КРД в режиме с управляющим сигналом величиной Р=2,ЗШО"10 Вт лучше, чем в модуляционном, примерно в 2 раза и составила в 8 мм диапазоне 5Т<0,01 К и в 3 мм диапазоне - 5Т<0,08 К при т=1 с, величина ЫЕР^О,ШЮ14 Вт/Гц"1/2. Мощность УС определялась характеристиками ТДП, а потребляемая генератором УС и генератором шума на ТДП, составила менее 10"7 Вт.

Сообщается, что строгий анализ электромагнитного взаимодействия двух ТДП в приемном устройстве с управляющим сигналом показал, что в случае достаточно большого рассогласования - й<0,5, генераторного перехода, возможно возникновение паразитной модуляции, понижающей §Т. В связи с этим были проведены исследования оптимальных характеристик невзаимных СВЧ элементов (НЭ), позволяющих устранить эффект, приводящий к понижению чувствительности. Исходными данными, определяющими характеристики НЭ, были величина мощности и полоса излучения собственной генерации ТДП, а также ранее определенная минимальная величина воздействующей мощности УС на детекторный ТДП. Моделирование проведено в Змм диапазоне частот, и показано, что НЭ должен иметь следующие значения электрических характеристик: прямые потери - АПр<2,0 дБ; обратные потери - Аобр>20 дБ; рабочую полосу частот - Д{>3 ГГц; КСВНвх вых<2, [1, 2].

Далее обсуждаются результаты исследования радиофизических характеристик модели КРД микрополоскового исполнения с тремя ТДП, которое проведено в 8 мм диапазоне волн. Дано описание ниобиевой микросхемы, размещенной на сапфировой подложке, показано, что ее конфигурация позволяет использовать два перехода для детектирования СВЧ-снгналов со взаимно-перпендикулярными векторами электрического поля Е, а третий - в качестве генератора УС, [3]. Упоминается еще об одним из вариантов приемного модуля гибридно-интегрального исполнения - микросхеме, объединяющей на одной подложке джозефсоновский переход и усилитель на основе транзистора с барьером Шотки, [4]. Приводятся результаты измерений радиофизических характеристик КРД микрополоскового исполнения: 5Т=0,1К при т=1с, ЫЕР=2,5-1014 Вт/Гц1/2 при коэффициенте согласования ё=0,67 в диапазоне частот 30-37 ГГц, а также обсуждается экспериментально обнаруженный эффект

динамического изменения отклика (увеличение и уменьшение примерно на порядок) относительно автономного случая, в зависимости от режима работы остальных двух как по постоянному току так и переменному. Проведенный теоретический анализ эксперимента показал, что увеличение отклика определяется величиной электромагнитной связи трех ТДП с волноводом, и синфазным сложением их откликов при следующем рабочем режиме переходов. Экспериментально доказано что, максимум отклика наблюдается при значениях Ис):=(0,6-0,8)К()аксм и £2 = М/2еУс<< 1 в отличии от определенного по формуле

Кантера-Вернона ивых «- гДе отклик широкополосного

джозефсоновского детектора в области малых напряжений смещения у/у<<0 пропорционален дифференциальному сопротивлению перехода ^ и имеет максимальное значение при ^ймакс- В определенном таким образом режиме работы, при коэффициенте согласования й=0,7 общее увеличение отклика на ТДП, с Ин >60 Ом, достигало ~ 6 дБ по отношению к автономному случаю, при этом все три перехода находились в режиме с макс- Уменьшение отклика было значительно меньше, порядка 4 дБ, и проявлялось при напряжении смещения, исм близком к характерному напряжению, ис на двух других, вследствии того, с увеличением исм на этих переходах, уменьшение их приводит к уменьшению откликов и с

одновременным увеличением мощности собственной джозефсоновской генерации, которая как фоновая подсветка понижает чувствительность первого, детекторного перехода, согласно 5Т~[1+(1?н/11е)(Тф/Т)1. Исследованный эффект имеет практическую ценность, заключающуюся в том, что при переменном напряжении смещения, например одного из трех переходов, возможно детектирование двумя другими немодулированного СВЧ сигнала.

В конце главы приводятся результаты исследований, делается вывод, что полученные высокие значения сигнальных и шумовых характеристик исследованных моделей КРД свидетельствуют о возможности реализации с их помощью радио-

метрического канала по схеме с управляющим сигналом и источником подшумливания в многоэлементных приемных системах.

Глава 3 посвящена экспериментальному исследованию шумов ТДП, их собственной генерации при нестационарном эффекте Джозефсона, электромагнитному взаимодействию нескольких ТДП, находящихся в единой электродинамической системе, а также способу модуляции в КРД с управляемой ВАХ перехода под воздействием управляющего сигнала.

В первом разделе главы проведена оценка спектральной плотности шумов ТДП, так как чувствительность детекторного приемника в значительной степени определяют собственные шумы используемого нелинейного элемента, а также электродинамическая система, в которою он включен. Применительно к ТДП, к настоящему времени нет данных изменения спектральной плотности шумов ТДП в широкополосной электродинамической системе в присутствии даже нескольких детекторных элементов, обладающих собственной генерацией. В связи с этим, в диссертационной работе был проведен расчет и экспериментальные исследования полной спектральной плотности низкочастотного шумового напряжения ТДП в составе микрополосковой матрицы из трех элементов, электромагнитно связанных посредством Я/4 резонаторов, а также частоты среза, Гср .фликер шума, поскольку она определяет низкочастотную границу рабочего диапазона частот модуляции. Приведены значения электрофизических характеристик переходов, исследовавшихся в работе. Полная спектральная плотность низкочастотного напряжения на ДП, включенном в схему широкополосного детекторного приемника, определяется

выражением: Бу = Бу + Бу + Бу + Бу + Бу, где Бу -спектральная плотность напряжения тепловых шумов; Бу -

токовых; Бу - джозефсоновской генерации; Бу - фликер-шума; Бу - фонового излучения. Первые две составляющие определяются по формулам Найквиста и Шотки, а порядок их величин-(Бу ~ З-Ю-'О В/Гц1/2 и (Б'у)1/2 ~ ге^2 = 1,2.10-'° В/Гц'/2 при тепловых флуктуацнях у<0,02; джозефсоновская генерация относительно тепловых шумов-Бу =0,5 Бу; составляющая Бу определяется только эксперимен-

тально. Частота среза, определенная для исследованных переходов по удвоенному превышению 5у»15Бу, составила в 1300 Гц, что позволяет использовать УНЧ для обработки модулирующего напряжения. Расчет вклада фонового излучения, Бу = 2(г[кТф)2АГ, показал, что при вольт-ваттной чувствительности г\<105 В/Вт и Тф=300 К фоновыми шумами можно пренебречь. Иная ситуация возникает, когда ТДП находится в линейной матрице таких же переходов при условии хорошего согласования, т.е. ё и 0,8-г1,0. Здесь необходим учет излучения собственной генерации переходов матрицы, воспринимаемой каждым из них как фоновая излучение.

Это и было подтверждено в работе. Проведенный расчет ТДП, в составе микросхемы, для автономного случая показал, что при у<0,02, Эу превышает Бу в 5-8 раз, а экспериментально

измеренное значение - Бу = (10^-15)8у. Экспериментально установлено, что повышение величины полной спектральной плотности низкочастотного напряжения перехода, в составе матрицы, определяется шумовой температурой,

Тш = ТК^ / + \1 / 212), где 1С и !• критический и средний ток перехода, каждого из переходов микросхемы в рабочем режиме, как фоновым излучением, температуры Тф . Полученный результат является весьма важным, поскольку позволяет прогнозировать возможную чувствительность многоэлементных джозефсоновских приемников, а также предъявлять требования к электрофизическим характеристикам ТДП в составе матрицы с целью достижения максимальной чувствительности приемных систем.

Следующий раздел посвящен исследованию электромагнитного взаимодействия двух ТДП, (генераторного и детекторного), находящихся в общей электродинамической системе, т.к. именно характер и взаимные величины воздействий переходов в многоэлементных системах на основе ТДП, определяют максимальное значений чувствительности джозефсо-новского детекторного радиометрического приемника. Во второй главе обсуждался вопрос электромагнитной развязки переходов. Ввиду сложностей ее реализации в многоэлементных системах, в диссертационной работе величины электромагнитного взаимодействия переходов определены экспериментально, посколь-

ку строгим электродинамическим расчет является самостоятельной задачей.

В экспериментальном исследовании учитывался тот факт, что излу-чение каждого из помещенных в электродинамическую систему ТДП оказывает существенное влияние на ВАХ другого. Это воздействие в значи-тельной степени определяется согласованием перехода с внешней системой, выражаемое коэффициентом согласования а и приводит к различным эффектам на детекторном и генераторном ТДП. В первом из них, значительная величина УС генераторного перехода приводит к смещению ВАХ детекторного, в результате чего вольт-ваттная чувстви-тельность перехода понижается примерно на два порядка, с почти полным подавлением собственной генерации, т. е. воздействие ~ 100%. Во втором, когда детекторный ТДП работает в режиме наивысшей чувствительности, т. е. при малых 17см с мин. Тш , его воздействие на генераторный, мало. Рассчитанная по экспериментальным данным -величина этого воздействия, при

М

флуктуащях- у<0,05 и относительной частоте П = ^ ^ <<1, не

более, чем 5%, т.е. его можно не учитывать. Таким образом, электромагнитное взаимодействие джозефсонов-ских переходов, находящихся в единой электродинамической системе при нестационарном эффекте Джозефсона, определяется как его согласованием с данной системой так и режимом их работы по постоянному току. В случае использования ТДП в качестве генератора шума в системе калибровки джозефсоновского радиометра, величину воздействия необходимо учитывать. В следующем разделе приведены результаты исследования величины шумовой температуры ,ТШ , и полосы излучения собственной генерации ДП в зависимости от напряжения смещения на переходе и его нормального сопротивления, а также возможности использования джозефссоновской генерации для осуществления компенсации радиотеплового излучения геофизического объекта с ТШ.=(40-500)К, т.е. обеспечения квазинулевого режима работы радиометра, а также обсуждаются актуальность исследования, предлагается нетрадиционное решение задачи создания СП , (5) и возможные варианти построения.

Одним из таких решений может быть использование следствия нестационарного эффекта Джозефсона - наличие

генерации в сверх-проводящей слабой связи при У^О с частотой

2еУ

{ к =-. Полоса излучения и мощность соответственно равны

Л

ДР=4(Ш[Ом]ЦК] МГц. и Рдж~О, 11СУ. При типичных значениях характерного напряжения Ус=1 мВ и 1с = 10 мкА величина мощности собственной генерации очень незначительна - Р=10"9 Вт. Столь малые величины мощности в качестве УС могут быть использованы для управления приемником с активным элементом имеющем в рабочем режиме предельное значение собственной шумовой температуры, Тш. В связи с этим, были проведены измерения Тш джозефсоновского детектора, в режиме наивысшей чувствительности, по известной методике, использующей линейную зависимость флуктуационной чувствительности, 5Т, от температуры фонового шумового излучения, Тф. Экспериментально неследовались два ТДП с параметрами: №1 - И = 3,4 Ом, 1С = 12 мкА; №2 - Я = 27 Ом, 1с = 18 мкА. В эксперименте, сравнивая 5Т радиометра в условиях, когда на ТДП воздействует внешнее и собственное излучение, отраженное от идеальной СВЧ закоротки на входе устройства, определялась шумовая температура перехода. Исследования выполнены в 8 мм диапазоне волн. По экспериментальной зависимости 8Т от Тф для обоих образцов была определена шумовая температура приемника на ТДП, которая составила Тш| = 70 К и ТШ2 = 60 К, при входной полосе -10 ГГц, [6]. Полученные значения хорошо коррелируют с результатами измерений Тш приемника на ТДП, выполненных с помощью измерительного радиометра 8 мм диапазона волн (67 К и 55 К, соответственно) и определяют минимальное необходимое значение величины шумовой температуры СП для джозефсоновских детекторов. Возможность получения больших значений Тш для СП была исследована в радиометре на ТДП с управляемой ВАХ, в котором в качестве УС использовалось собственное излучение второго, генераторного ТДП.

Исследования показали, собственное излучение генераторного ТДП эффективно воздействует на детекторный ТДП, что проявляется в смещении ВАХ последнего и величина которого была сопоставлена с эффектом, вызванным излучением калибро-

ванного по мощности генератора шума, что дало возможность дополнительного контроля в определении эффективной температуры излучения генераторного ТДП, принимаемой детекторным переходом. Из построенных экспериментальных зависимостей определено, что при малых флуктуациях у<0,01 и относительной частоте ГК1 шумовая температура излучения генераторного перехода линейно растет с увеличением напряжения на переходе. Максимальное значение Тш составило -450 К, минимальное -100 К {7]. Полосы собственной генерации исследованных ТДП несколько больше расчетных значений и составили~0,8 и 5,4 ГГц, что связанно как с уширением линии генерации при даных флуктуациях, так и со сложностями ее определения экспериментально.

Показано, что диапазон изменения шумовой температуры излучения ТДП достаточен для компенсации собственной шумовой температуры большинства геофизических объектов, которые исследуются с помощью радиометров мм и субмм диапазонов волн, а величиной Тш легко управлять изменяя напряжение на переходе аналоговым или цифровым способом. С практической точки зрения важно, что мощность блока управления в этом случае существенно меньше, чем в любой другой схеме СП. Нужно отметить, что для калибровки обычно используют источники белого шума- ДП таковыми не являются. Однако ТДП с сопротивлениями -100-150 Ом имеют полосу генерации 15-25 ГГц, что близко к полосе детекторных радиометров миллиметрового диапазона волн, и их шумовое излучение можно считать белым. Петому, высокоомные ТДП предпочтительнее для использования в качестве генераторов как из-за упрощения согласования с сигнальным трактом, так и из-за шумовых характеристик.

В последнем разделе приводятся результаты исследования процесса детектирования электромагнитного излучения мм диапазона волн джозефсоновским переходом в схеме радиометра с управляемой ВАХ под воздействием УС, в качестве которого используется собственное излучение второго джозефсоновского перехода, [8]. Сообщается, что исследовалась флуктуационная чувствительность, §Т, радиометра на ТДП в зависимости от мощности УС. Исследования проводились в 8 мм и 3 мм

диапазонах волн, на волноводном макете с двумя ТДП, где детектором являлся ТДП с параметрами: 1с=8 мкА К=47 Ом, генератором - с 1с=80 мкА й=13 Ом. Показано, что выигрыш в чувствительности радиометра на ТДП в режиме с управляемой ВАХ, по сравнению с обычно используемой модуляционной схемой, составляет около двух раз, независимо от источника УС и определяется уменьшением собственных шумов детекторного перехода на ~8 дБ за счет подавления его джозефсоновской генерации под воздействием управляющего сигнала. В качестве источников УС использовались газоразрядная лампа ГШ-6 и собственная генерация второго джозефсоноского перехода, мощность излучения которого управлялась величиной исм . При этом была обнаружена немонотонная зависимость 5Т радиометра от величины иеы на генераторном ТДП, т.е. мощности УС, в отличие от монотонной, полученной в первом случае и предсказываемой теорией. Экспериментально определено, что немонотонность, т.е. наличие двух минимумов 8Т, определяется нелинейной зависимостью мощности излучения собственной генерации джозефсоновского перехода - генератора УС - в электродинамическую систему, согласованную с другим, детекторным переходом. Физически это связано с тем, что с повышением исм от 0 до Ус на генераторном ТДП, возрастают его мощность излучения джозефсоновской генерации и частота, воздействующие на детекторный переход, обладающий также собственной генерацией и являющийся нелинейной частотнозависимой нагрузкой генераторного при относительной частоте

С1 = •—— <<1. В образованной колебательной системе, с конечной 2еУс

добротностью каждого из контуров, при Х1дет>>ХГге1, , взаимной расстройке на Х.{ген/2 относительно ген с повышением исм - □ приближается к 1, что и приводит к появлению двух минимумов 5Т, т.е. двух значений Рус = Ропт = Р0пт~Ю 10 Вт. Результаты исследований имеют важные прикладные значения: указывают интервал допуска 1опт на возможную нестабильность мощности УС до - +10% от Ропт=Ю"10 Вт, определяют требования к электрофизическим характеристикам переходов - Ус >0,7мВ, 7<0,002 применяемых в качестве источников УС, и самое главное для многоэлементных приемных джозефсоновских систем -определяют возможность

минимизации их чувствительности в мм и субмм диапазонах частот исм на генераторном переходе програмным способом. Таким образом показано, что схема радиометра с управляемой ВАХ выгодно отличается от модуляционной и позволяет достичь наивысшей чувствительности детекторного приемника при использовании в нем ТДП.

Глава 4 посвящена реализации полученных результатов радиофизи-ческих исследований в модели восьмиканального широкополосного джозефсоновского радиометра на ТДП в режиме с управляемой ВАХ. В ней излагаются принципы его моделирования, описываются особенности блоков и систем радиометра, приводятся результаты исследований радиофизических характеристик.

В разделе 4.1. дано обоснование схемы построения радиометра. Это детекторный приемник с управляемой ВАХ. В качестве источников управляющего сигнала и сигнала подшумливания используется ТДП.

В разделе 4.2 приведено описание созданной матричной микросхемы с планарными антеннами, описана конструкция детекторной секции, включающей линейку из 8 детекторных ТДП, генераторов УС и сигнала подшумливания также выполненных на ТДП.

Раздел 4.3 посвящен выбору и исследованию характеристик тракта канализации СВЧ сигнала и криогенной системы радиометра. Показано, что выбранный квазиоптический лучевод с фторопластовыми линзами длиной 960 мм на частоте 220 ГГц имел потери ~0,8 дБ. В качестве криогенной системы использовался сосуд Дьюара КГ 40/45.

В разделе 4.4 описана практическая схема радиометрического приемника, состоящего из криогенного зонда, с СВЧ трактом и блоком предварительного усиления, а также блока радиометрической обработки, включающего интерфейсную плату связи с ПЭВМ.

Раздел 4.5. включает в себя обсуждение вопросов обработки радиометрических сигналов и их отображения.

Раздел 4.6 посвящен моделированию восьмиканального приемника, изучению процесса построения образа протяженного источника сигнала и его температурного контраста.

В разделе 4.7 даны результаты исследования характеристик восьми-элементного джозефсоновского радиометра:

флуктуационная чувстви-тельность, частотные полосы приема каналов, динамический диапазон, диаграммы направленности, переходное ослабление между каналами.

В заключении приводятся основные результаты работы.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработаны методики:

а) определения величины мощности СВЧ управляющего сигнала, попадающий на детекторный ТДП и определение ее оптимальной величины;

б) поглощения мощности СВЧ сигнала в КРД с двумя ТДП;

в) измерения флуктуационной чувствительности.

2. Впервые экспериментально определена суммарная спектральная плотность низкочастотных шумов ТДП в составе трехэлементной сверхпроводниковой микросхемы.

3. Впервые на основе экспериментального исследования взаимодействия двух ТДП, включенных в тракт СВЧ-детектора, показана возможность их эффективного использования в схеме радиометра с управляющим сигналом как в качестве детектора, так и в качестве генератора управляющего сигнала.

4. Экспериментально исследована зависимость флуктуационной чувствительности радиометра с управляющим сигналом от глубины модуляции, определяемой мощностью УС.

5. Впервые исследован оригинальный приемный модуль на сверхпро-водниковой микросхемы с тремя ТДП, позволяющий вести прием немодули-рованного СВЧ сигнала одновременно двух ортогональных поляризаций.

6. Впервые изучены особенности детектирования электромагнитного излучения субмиллиметрового, диапазона волн матричными джозефсоновскими приемными элементами.

7. Впервые показано, что для построения матричного криогенного приемника предпочтительна схема радиометра с управляемой ВАХ, позволяющая достичь фактически предельной чувствительности при минимальных габаритах, весе и энергопотреблении.

8. Впервые создан одиночный приемный канал - криогенный радио-метрический датчик, элемент многоканальной приемной системы. Исследованы его характеристики в 8 и 3 мм диапазонах

волн. Впервые в радиометрическом приемнике детекторного типа для усиления низкочастотного модулирующего напряжения использован усилитель НЧ на СКВИДе постоянного тока.

9. Впервые разработан восьмиэлементный детекторный радиометрический приемник на торцевых джозефсоновских переходах субмиллиметрового диапазона волн, построенный по схеме с управляющим сигналом, и исследованы его радиофизические характеристики.

Основные результаты опубликованы в работах:

1. Невзаимное устройство, а.с. N1335094 //Куделя A.M., Красников И.И., Пчелинцев В.Ю.

2. Циркулятор. а.с. N1445490 //Куделя A.M., Пчелинцев

В.Ю.

3. Гудков А .Л., Ильин В.А., Куделя A.M. и др. Трехэлементный сверхпроводниковый интегральный модуль//Известия ВУЗов. Радиоэлектроника.- 1995 г., N11. с.74-78.

4. Радиометрический датчик а.с. N1648174.//Денисов А.Г., Куделя A.M., Бондарев И.А. 1991.

5. Куделя A.M., Ильин В.А., Денисов А.Г. Исследование собственной генерации торцевых джозефсоновских переходов//Сборник научных трудов HAH Украины.-Сверхпроводниковая электроника и биомагнетизм.- 1994. с. 38-45.

6. Ильин В.А., Куделя A.M., Ларкин С.Ю. Использование торцевых джозефсоновских переходов в радиометре с управляемой ВАХ//Сверхпроводимость: физика, химия, техника.- 1995. Т.8 N1 с.137-141.

7. Куделя A.M., Ильин В.А., Денисов А.Г. Детектирование СВЧ излучения торцевыми джозефсоновскими переходами в режиме с управляющим сигналом/ /Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1992. №11. С. 65-69.

8. Денисов А.Г., Ильин В.А., Куделя A.M. Исследование характеристик собственной генерации торцевых джозефсоновских переходов.//Радиотехника и электроника. Т. 41. №4. 1996. С. 457-764.

?