Исследование сверхпроводниковых линий передачи для устройств СВЧ криоэлектроники тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Капарков Дмитрий Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ УСТРОЙСТВ СВЧ КРИОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском электротехническом университете имени В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель - доктор физико-математических наук профессор Вендик И.Е Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Третьяков С. А. кандидат физико-математических наук Самойлова Т.Б.

Ведущая организация -

Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе РАН

Защита состоится « •О .» 1997 г. в час.

на заседании диссертационного совета К 063.36.11 Санкт-Петербургского электротехнического университета имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф.Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « 25"» 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Соботковский Б.Е.

I. ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. После открытия явления высокотемпературной сверхпроводимости наиболее заметное развитие практических применений высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) наблюдается в области техники сверхвысоких частот, в частности, для создания высококачественных СВЧ компонентов, приборов и систем для спутниковых средств связи. Использование в этой области ВТСП материалов может обеспечить значительное улучшение качества систем при минимизации массо-габаритных показателей и потребляемой мощности. Это является следствием прогресса технологии опи-таксиальных пленок ВТСП, в результате чего стали доступны ВТСП пленки высокого качества, обладающие низким поверхностным сопротивлением, большой плотностью критического тока и температурой перехода из сверхпроводящего (Б) в нормальное (Ы) состояние Тсл90...100К. ВТСП пленки при температуре жидкого азота обладают более низким поверхностным сопротивлением, чем медные пленки при тех же условиях, вплоть до частот, превышающих 100 ГГц. При переходе в нормальное состояние их поверхностное сопротивление увеличивается на несколько порядкоз. Линии передачи, выполненные на основе пленок ВТСП, характеризуются очень малыми потерями в Б-состоянии и отсутствием частотной дисперсии. В настоящее время реализован ряд СВЧ компонентов и приборов с характеристиками, недостижимым:'! при использовании традиционной технологии. Это различные резонаторы, фильтры, линии задержки, сверхнаправленные антенны. Явление Б-Ы-перехода может быть использовано для создания СВЧ управляющих устройств - модуляторов, выключателей и фазо-враателей. Постоянное улучшение характеристик и рост функциональной сложности СВЧ устройств на ВТСП доказывают хорошие перспективы для применения ВТСП материалов в этой высокотехнологичной области.

Однако, несмотря на наблюдаемый прогресс, остается ряд проблем, требующих скорейшего решения. В большой степени это относится к учету особенностей ВТСП пленок как физических объектов при проектировании СВЧ устройств. Имеющиеся в настоящее время системы автоматизированного проектирования СВЧ устройств ориентированы на традиционную технологию СВЧ интегральных схем. Использование таких САПР для проектирования СВЧ устройств на основе ВТСП пленок может привести к значительному расхождению между

расчетными и экспериментальными данными. Причины этого заключаются в следующем:

- многие модели элементов схем не обеспечивают требуемой точности при использовании диэлектрических подложек, обычных для ВТСП технологии;

- поверхностное сопротивление ВТСП пленок является комплексной величиной, которая зависит от температуры и частоты иначе, чем у обычных металлов;

- при расчете волновых характеристик планарных ВТСП линий передачи необходимо учитывать влияние замедления, связанного с кинетическими явлениями в ВТСП и эффект вытеснения тока на края полоски;

- проектные цели для ВТСП приборов белее жесткие, чем для традиционных, что приводит к необходимости учета эффектов второго порядка, в частности, температурной зависимости диэлектрической проницаемости подложки и изменения геометрических размеров элементов схемы при охлаждении.

Целью диссертационной работы являются разработка моделк микрополосковой линии передачи из ВТСП, оценка предельных характеристик и разработка методов оптимального проектирования СВЧ компонентов, приборов и управляющих устройств на основе тонкил ВТСП пленок с использованием оригинальной САПР. Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:

1. Выбор и проверка феноменологической модели поверхностного сопротивления ВТСП.

2. Описание распределения тока в СВЧ линиях передачи на ВТСП в аналитической форме и использование полученных формул е САПР СВЧ устройств на ВТСП пленках.

3. Анализ факторов, определяюцих точность проектирования криоэлектронных СВЧ устройств и коррекция моделей линий передачи для учета температурных и кинетических эффектов.

4. Разработка САПР криоэлектронных устройств СВЧ на ВТСЕ пленках.

5. Определение критериев оптимального проектирования ВТСЕ ключей и разработка управляющих СВЧ устройств на их основе.

Объектами исследования являются пленки ВТСП различного качества и СВЧ приборы на ВТСП: полуволновый микрополосковый резонатор, фильтр нижних частот, узкополосный полосно-пропускагаций

фильтр, Б-Ы-ключи различной конфигурации и приборы на Э-Ы-пере-ходе, управляемом током - неотражающий модулятор и дискретные фазовращатели----- ---------------------------------------------------------------------------

Основные методы исследования. При разработке модели поверхностного сопротивления ВТСП и модели ВТСП микрополосковой линии передачи использовались теория сверхпроводимости, методы теории математического моделирования и теории оптимизации. Решение задач анализа характеристик СВЧ устройств на пленках ВТСП проведено с применением аппарата теории цепей. При реализации разработанных программных средств были использованы методы структурного и объектно-ориентированного программирования.

Основные защищаемые положения:

1. Поверхностный импеданс ВТСП в диапазоне частот и температур, включая переход из Б- в Ы-состояние, может быть описан феноменологической моделью, основанной на двухжидкостном приближении. При этом дополнительно к традиционным параметрам двухжид-костной модели используются параметр остаточного сопротивления а и показатель степени в температурной зависимости глубины проникновения у.

2. Температурный сдзиг резонансной частоты резонаторов и центральной частоты полосно-пропускающих фильтров опрецеяется параметром у - показателем степени в температурой зависимости глубины проникновения, величина которого находится в пределах 1.5 - 2.

3. Влияние некинетических эффектов на характеристики высокодобротных резонаторов и узкополосных ППФ сопоставимо с влиянием кинетической индуктивности в ВТСП, что необходимо учитывать при проектировании таких устройств.

4. Переключательные свойства ключей на Б-Ы-переходе, выполненного в виде полоски с малым поперечным сечением (толщина 0,1 -0,2 мкм, ширина 5-15 мкм), полностью описываются параметром коммутационного качества К, величина которого определяется параметрами ВТСП пленки и не зависит от геометрии ключа.

Новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Двухжидкостая феноменологическая модель поверхностного сопротивления ВТСП усовершенствована с целью учета явления остаточного сопротивления на низких температурах. Введение в каче-

стве параметра модели показателя степени в температурной зависимости глубины проникновения дает возможность описать поверхностное сопротивление ВТСП пленок, отличающихся крутизной Б-К-пере-хода.

2. Предложена интерполяционная формула для расчета поверхностного сопротивления объемных образцов и тонких пленок ВТСП вблизи температуры перехода, которая позволяет избежать разрывности в зависимости от температуры.

3. Анализ многочисленных экспериментальных данных, полученных для ВТСП образцов различной структуры и при различных условиях эксперимента, показал, что описание поверхностного сопротивления ВТСП пленок при помощи разработанной модели обеспечивает точность, сравнимую с точностью измерений.

4. Получена аналитическая модель ВТСП микрополосковой линии передачи, использующая аплроксимационное описание распределения плотности тока в поперечном сечении линии.

5. Определена взаимосвязь между параметрами ВТСП пленки и параметрами 2-М-ключа. В результате исследования Б-й-ключей различной геометрии показано, что для уменьшения индуктивной составляющей импеданса ключа необходимо использовать ключ в виде отрезка двух связанных линий с поперечным сечением, в два раза меньшим, чем у ключа в виде отрезка одиночной линии. При этом уменьшение индуктивности определяется степенью связи между двумя линиями.

6. Разработаны критерии оптимального проектирования СВЧ фазовращателей, использующих в качестве переключательного элемента ВТСП Э-Ы—ключ. Показано, что необходимым условием для получения минимальных потерь в отражательном фазовращателе является обеспечение режима согласования между входной линией передачи и средне-геометрическим значением сопротивлений ключа в двух состояниях .

Значение для практики результатов диссертационной работы заключается в следующем:

- предложенная феноменологическая модель адекватно описывает температурную и частотную зависимости поверхностного импеданса ВТСП пленок различного качества;

- разработанные программные средства являются удобным инструментом для решения задач проектирования линейных пассивных СВЧ

схем на ВТСП пленках. Они позволяют определять модельное описание ВТСП пленки по экспериментальным данным, рассчитывать волновые характеристики- ВТСП-линий-- передачи-в-диапазоне-температур" и частот и проводить анализ линейных СВЧ устройств на ВТСП пленках.

- разработанные критерии оптимального проектирования СВЧ управляющих устройств на Э-Ы-переходе дают возможность оценить их предельные характеристики в зависимости от качества пленок ВТСП. Проведенные экспериментальные исследования разработанных фильтра нижних частот, полосно-пропускагацего фильтра, модулятора и фазовращателей доказывают возможность реализации СВЧ устройств с улучшенными характеристиками.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

- научно-технических конферециях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ в 1990-199бгг.;

- Европейских конференциях по СВЧ технике в 1592г. (22пй ЕиМС, Хельсинки, Финляндия), в 1993г. (23гс1 ЕиМС, Мадрид, Испания), в 1994г., (24ИЬ ЕиМС, Канны, Франция), в 1995 г. (25а ЕиМС, Болонья, Италия) ;

- Международном студенческом семинаре "Применение сверхпроводников в технике СВЧ", С.-Петербург, май 1995 г.;

- Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости в 1995 г. (ЕиСАЗ-95, Эдинбург, Шотландия) .

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах и 9 публикаций в трудах зарубежных конференций. Одна работа находится в печати.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 144 страницах машинописного текста. Работа содержит 62 рисунка и 8 таблиц.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, формулируется цель работы, приводятся основные научные положения, которые выносятся на защиту.

Первая глава диссертационной работы имеет обзорный характер и содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований пленок ВТСП, СВЧ элементов и устройств на их основе. В качестве исходного приближения для описания свойств высокотемпературного сверхпроводника в электромагнитном поле на макроскопическом уровне используется феноменологическая теория, построенная на основе уравнений Лондонов и двухжидкостной модели. Отмечаются ограничения классической двухжидкостной модели, которые не позволяют учесть следующие особенности поведения ВТСП на СВЧ: во-первых, наличие остаточного сопротивления, величина которого может быть значительной; во-вторых, характер температурной зависимости лондоновской глубины проникновения. Эта зависимость аппроксимируется выражением типа Я,1,(Т)=Хь(0) (1-(Т/Тс)у)"1/2 , причем для классических сверхпроводников у=4, в то время как для ВТСП многие экспериментальные результаты дают у=1,5...2 в зависимости от качества ВТСП пленки. Обсуждаются существующие модели поверхностного сопротивления ВТСП и способы учета в моделях названных особенностей материала. Сопоставляются различные подходы к моделированию ВТСП линий передачи и делается вывод о применимости феноменологической модели ВТСП для построения САПР криогенных ВТСП устройств.

На примерах разработанных пассивных и активных СВЧ элементов и устройств анализируются достижимые характеристики приборов, существующие ограничения применимости ВСТП материалов в области СВЧ техники, при этом акцент делается на проблемы проектирования. Рассматриваются особенности машинного проектирования СВЧ устройств на основе ВТСП пленок. Формулируются требования к точности моделей, используемых в САПР, и определяются факторы, влияние которых необходимо учитывать при проектировании.

Оцениваются возможности использования перехода ВТСП из Э- в Ы-состояние для создания Б-Ы ключей, которые в общем случае являются отрезками линии передачи. Для определения более эффекив-ного и технологичного способа управления 8-Ы-ключами проводится анализ процессов переключения при переходе из Б- в Ы-состояние и

обратно. Рассматриваются воздействия лазерным импульсом, локальным нагревом, магнитным полем и импульсом тока. Делается вывод о целесообразности, применения- в - управляющих' СВЧшустройствах^токо-вых ключей, которые имеют наибольшую простоту реализации и быстродействие не хуже 1СГ10 с. Так как в процесс переключения вовлечены как быстрые электронные процессы (постоянная времени переключения т=10~12с), так и медленные тепловые (т=10~8с), обсуждаются условия, при которых тепловые процессы з пленке не доминируют. Эти условия обеспечиваются совокупностью факторов, таких как теплопроводность материала подложки, структурное качество ВТСП пленки, геометрия ключа, а также параметры импульса воздействия.

Таким образом, на основании обобщения теоретических и практических материалов определены требования к моделированию ВТСП линий передачи и сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассматривается феноменологическая модель тонких ВТСП пленок и СВЧ линий передачи на их основе. Чтобы учесть в характеристиках линий передачи свойства материала, необходимо вычислить зависимость волнового импеданса линии и длины волны з ней от процессов токового транспорта в ВТСП пленке. Данный расчет должен основываться на знании поверхностного импеданса ВТСП пленки при заданной температуре и распределении плотности тока в поперечном сечении линии. Вешественная часть поверхностного импеданса определяет потери в линии, а мнимая часть -фазовую скорость с учетом кинетических процессов в сверхпроводнике. Для расчета поверхностного импеданса предложено использовать феноменологическую модель, основанную на двухжидкостном приближении. Модель является модификацией известной двухжидкостной модели Гортера-Казимира, в которую введен коэффициент для учета явления остаточного сопротивления в ВТСП при низких температурах. Так как для ВТСП материалов не наблюдается однозначного характера зависимости лондоновской глубины проникновения от температуры, предлагается использовать показатель степенной зависимости у как параметр модели и определять его по результатам измерений. Результаты обработки экспериментальных данных показали, что значения параметра у для большинства случаев находятся в пределах 1,5...2. Учет остаточного сопротивления в модели производится при

помоши дополнительного параметра ос, введенного в температурную зависимость проводимости ВТСП, которая описывается выражением:

Всего в модель поверхностного импеданса ВТСП пленки входят пять параметров:

- температура перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное Тс;

- лондоновская глубина проникновения при Т-»0 Хь{0);

- проводимость в нормальном состоянии при Т=ТС с%(Тс);

- показатель степени в температурной зависимости лондонов-ской глубины проникновения у ;

- коэффициент, учитывающий явление остаточного сопротивления а.

Формулы для расчета поверхностного импеданса Ъ^ тонкой пленки выводятся из формул для Ъ^ объемного образца, для чего учитывается влияние дифракции волн, отраженных от границы пленка-подложка. Определяются границы применимости модели.

Предлагается аппроксимационная формула для сшивания зависимостей йпов в резистивном и нормальном состояниях, позволяющая избежать разрывности зависимости в зоне когерентности вблизи точки фазового перехода.

Окончательно, после веделения температурно-зависимого множителя, вьцэажения для расчета вещественной и мнимой частей поыверхностного импеданса имеют вид:

• (1 - t < 1

£ 1

(шц0Г ОмОД • А(Ц

,2 Ам

а.

а.

1: < 1

Кпов(« = • 1 + [юИсЛьР^мШ]2 • / t

t

t > 1

а„а)с1

соц0

• Вв)

С1

t < 1

О

1: > 1

где A(t) = tl/2 + a(1" tT) , B(t) = (1 - t^r1

_________________________________- _________________________________________________________________________________

Проверка модели, проведенная на большом экспериментальном материале, показала, что ошибка расчетов поверхностсного сопротивления ВТСП ке превышает ошибки измерений. Получены модельные описания ВТСП пленок различного качества, исследованных в различных диапазонах частот и при различных условиях эксперимента. При этом наблюдается следующая взаимосвязь между параметрами модели и температурной зависимостью поверхностного сопротивления. По величине у можно судить о качестве и однородности ВТСП материала: большие значения у соответствуют более резкому переходу из сверхпроводящего состояния в нормальное. Параметр остаточного сопротивления а определяет наклон зависимости R^ в области низких температур. Для высокоориентированных пленок характерны значения а=1...3, a для гранулированных пленок а>8. При больших значениях а остаточное сопротивление становится доминирующим, приводя к тому что практически не зависит от температуры. Величина лондокозской глубины проникновения À.L(0) для большинства зависимостей находится в пределах 0,13...0.18 мкм, что согласуется с данными из других источников. При этом пленки с меньшим поверхностным сопротивлением характеризуются меньшим значением ?ч,(0). Подтверждена корреляция между толщиной пленки и лондонов-ской глубиной проникновения.

Модель использована далее при определении вклада поверхностного импеданса ВТСП пленки в волновые характеристики микро-полосковой линии передачи. Получено аналитическое выражение для расчета плотности поверхностного тока в полоске и экране МГШ, основанное на решении интегрального уравнения в магнитостати-ческом приближении. При аппроксимации распределения тока в полоске толщиной d сделано предположение, что плотность тока на краях полоски конечна и постоянна на расстоянии A=2\zL/d, определяемом как краевая глубина проникновения. В принятой аппроксимации не учитызаетя распределение тока внутри полоски. Тем ке менее, расчет постоянной затухания, выполненный при таком допущении, дает результаты, близко совпадающие с результатами численного моделирования. Формулы для расчета потерь в ВТСП линии использованы для анализа соотношения между потерями в полоске и экране для МГШ различной геометрии из ВТСП и металлов.

Особенности распределения тока и кинетические эффекты в полоске из ВТСП приводят к тому, что фазовая скорость в ней будет отличаться от фазовой скорости полоски из металла такой же геометрии. Получено выражение для расчета изменения эффективной диэлектрической проницаемости ВТСП МПЛ, связанного с кинетической индуктивностью и определяемого глубиной проникновения и геометрическими размерами полоски.

'Результаты расчета распределения плотности тока, эффективной диэлектрической проницаемости и постоянной затухания в ВТСП микрополосковой линии показали качественное и количественное совпадение с результатами численного моделирования, что доказывает применимость моделей для построения САПР криоэлектронных устройств СВЧ.

В третьей главе анализируются дополнительные факторы, определяющие точность проектирования СВЧ устройств, работающих при криогенных температурах. Приводятся графики температурных зависимостей потерь и эффективной диэлектрической проницаемости в микрополосковой линии различных конфигураций. Определяются условия, выполнение которых минимизирует вклад кинетические эффектов в постоянную распространения:

- следует использовать пленки высокого качества, для которых характерны меньшие значения ~КЬ (0);

- толщина пленок должна удовлетворять неравенству <3<2*Я,Ь(Т);

- рабочая температура должна быть ниже 0,8 Тс;

- ширина линии передачи должна быть много больше \х,(1).

Показано, что тепловые эффекты некинетической природы, такие как изменение диэлектрической проницаемости и механическое сжатие подложки при охлаждении могут оказывать существенное влияние на расчетные характеристики высокодобротных резонаторов и узкополосных фильтров. Среди пассивных СВЧ компонентов именно в таких устройствах проявляются преимущества ВТСП технологии перед традиционной. Для подложек, используемых для нанесения ВТСП пленок, приводятся аппроксимационные зависимости диэлектрической проницаемости в широком диапазоне температур. Далее приводятся примеры использования САПР СВЧ устройств на ВТСП пленках для расчета линейных устройств - фильтра низких частот, резонатора и полоснопропускаюцего фильтра. Экспериментальные исследования устройств подтвердили точность использованных моделей. Так, мик-

рополосковые резонаторы имели различные зависимости добротности и сдвига резонансной частоты от температуры, что соответствующим образом """"отразилось " "на"'"параметрах'модели"" ~плёнкйТ~"Для "плёнки" лучшего качества были получены значения )^(0)=0,13 мкм и у=2, что согласуется с изложенными ранее модельными представлениями. Исследование полосно-пропускающего фильтра проводилось на фильтрах идентичной топологии, выполненных из меди и ВТСП. Это позволило определить вклад тепловых эффектов кинетической и некинетической природы. Так, охлаждение от комнатной температуры до ЗОК привело к смещению центральной частоты медного фильтра на 0,8% при полосе пропускания 1%. Таким образом, изменение диэлектрической проницаемости е и сжатие подложки приводит к смещению центральной частоты, сопоставимой с полосой пропускания узкополосного ППФ. Сравнение частотных характеристик медного и ВТСП фильтра показало, что при температурах ниже 60 К кинетические эффекты в ВТСП выражены достаточно слабо, и сдвиг центральной частоты определяется главным образом изменением е, как и в медном фильтре. При приближении к температуре перехода сдвиг центральной частоты определяется кинетическими эффектами в ВТСП и связан с параметрами ВТСП пленки. Отмечается, что вносимые потери у ЗТСП фильтра при Т=78К в два раза меньше, чем у медного при тех же условиях.

Таким образом, результаты исследования пассивных СВЧ устройств на ВТСП показали, что использование феноменологической модели ВТСП линий передачи совместно с температурно-зависимыми моделями диэлектрической проницаемости позволяет адекватно рассчитывать характеристики криоэлектронных устройств на тонких ВТСП пленках.

Четвертая глава посвящена анализу критериев оптимального проектирования СВЧ управляющих устройств на ВТСП. Преимущества ВТСП в управляющих устройствах проявляются с одной стороны в малых вносимых потерях, и с другой - в высоком быстродействии. Кроме того, все устройство выполняется в едином технологическом цикле - при формировании рисунка на подложке формируются как пассивные части - линии передачи, шлейфы подачи смещения и т.д., - так и активные элементы, которые также являются отрезками линий передачи.

Характеристики управляющих устройств определяются параметрами ключевого элемента. Отличительной чертой ВТСП ключа явля-

ется достаточно малое сопротивление в нормальном состоянии, что делает затруднительным получение высокой развязки в выключенном состоянии ключа. Разработанная методика позволяет по известному сопротивлению ключа в двух состояниях определить требования к согласующей цепи а также полосу частот устройства в целом. Формулируются основные принципы, используемые при проектировании фазовращателей на пленках ВТСП:

- обеспечение минимальных потерь отражательного фазовращателя определяется возможностью согласования сопротивления

Им = -^ЯцНд с импедансом входной линии;

минимальные вносимые потери полностью определяются

переключательным качеством ВТСП пленки / и п0В • Для

ключа значение К определяется физическими параметрами ВТСП пленки и и является функцией температуры и частоты;

- диапазон частот отражательного фазовращателя ограничивается добротностью ключа 0=шЬ/Вм.

Разработанная методика проектирования ФВ позволяет использовать ключи с сопротивлением в Ы-состоянии порядка нескольких сотен Ом. Такие ключи могут быть реализованы в виде отрезка узкой линии передачи длиной менее 1 мм. Так, при поверхностном сопротивлении 1^= 4...8 См отрезок линии шириной 10 мкм и длиной 700 мкм будет иметь сопротивление 280...560 Ом.

Полоса частот управляющего устройства связана с паразитной индуктивностью ключа, поэтому важно сочетать высокое сопротивление ключа в нормальном состоянии и возможно более низкую индуктивность. Показано, что уменьшить индуктивность ключа при сохранении сопротивления в нормальном состоянии возможно, если использовать параллельное соединение нескольких линий с пропорциональным уменьшением их ширины. Уменьшение индуктивности определяется степенью связи между двумя линиями. На практике технологический предел ширины линии передачи составляет 5 мкм. Кроме этого, индуктивность системы многосвязанных линий трудно рассчитать с требуемой точностью. Поэтому наиболее целесообразным является ключ, содержащий 2 или 3 слабо связанные линии. Для проверки степени уменьшения индуктивности были исследованы ключи различной геометрии. Приводятся результаты исследования ключей в форме меандровой линии и ключа с уменьшенной индуктивностью.

Главу завершает описание разработанных управляющих устройств - неотражающего СВЧ модулятора и отражающего и проходного "фазовращателёйу-~й"сопоставляются ~результаты машинного моделирования и экспериментов.

3 приложении приведено руководство пользователя САПР СВЧ устройств на ВТСП пленках.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получена феноменологическая модель поверхностного сопротивления ВТСП пленок, учитывающая явление остаточного сопротивления на низких температурах и особенности температурной зависимости лондоновской глубины проникновения в ВСТП. Модель является модификацией двухжидкостной модели Гортера-Казимира, в которую, кроме температуры перехода Тс, лондоновской глубины проникновения при Т = 0К А,ь(0) и проводимости в нормальном состоянии при Т = ТС <tn, дополнительно введены параметр остаточного сопротивления а и показатель степени у в зависимости XL(t)= XL(0)-(l-t*)-0'5 . Параметры модели Тс, ах, и толщина пленки определяются по результатам измерений, а параметры а, у и XL(0) - подбираются для наилучшего совпадения с экспериментальными данными. При этом значение параметра а находится из остаточного сопротивления при Т-»0, а значение у определяется по крутизне перехода в ВТСП. Показано, что в зависимости от свойств ВТСП пленок значения параметров находятся в пределах: а = 1...20, у=1,5...2.

2. Предложена интерполяционная формула для расчета поверхностного сопротивления вблизи температуры перехода, которая позволяет избежать разрывности в зависимости Rn0S от температуры.

3. Определены модельные описания для обширного набора экспериментальных зависимостей поверхностного сопротивления, полученных для различных пленок при различных условиях эксперимента. Показано, что эпитаксиальные пленки высокого качества характеризуются большими значениями параметра у и малыми значениями остаточного сопротивления а.

4. Модель ВТСП микрополосковой линии передачи, учитывающая распределение тока в поперечном сечении линии, использована в оригинальном программном комплексе, предназначенном для анализа линейных СВЧ устройств на основе ВТСП пленок. Отличительной чер-

той программного продукта является возможность проведения анализа характеристик устройств в диапазоне температур.

5. Экспериментальная проверка использованных моделей проведена по результатам измерения в широком диапазоне температур характеристик резонатора и узкополосного ППФ, при этом продемонстрировано близкое совпадение расчетных и экспериментальных данных. Таким образом показано, что описание свойств ВТСП пленок с помощью простых феноменологических моделей позволяет решать задачи проектирования криоэлектронных СВЧ устройств, выполненных на их основе.

6. Сформулированы критерии оптимального синтеза ВТСП клсней, использующих явление S-N-перехода под действием тока управления, и определены границы их применимости в управляющих СВЧ устройствах. Показано, что переключательные свойства S-N-ключа, характеризуемые параметром коммутационного качества, не зависят от геометрии ключа и определяются только свойствами ВТСП пленки.

7. Исследованы S-N-ключи различной конфигурации, при этом показано, что для уменьшения индуктивной составляющей импеданса ключа необходимо использовать ключ в виде отрезка двух связанных линий с поперечным сечением, в два раза меньшим, чем у ключа в виде отрезка одиночной линии. При этом уменьшение индуктивности определяется степенью связи между двумя линиями.

8. Разработаны критерии оптимального проектирования СВЧ фазовращателей, использующих в качестве переключательного элемента ВТСП S-N-ключ. Показано, что необходимым условием для получения минимальных потерь в отражательном фазовращателе является обеспечение режима согласования между входной линией передачи и средне-геометрическим значением сопротивлений ключа в двух состояниях.

9. Экспериментальные исследования разработанных пассивных и активных СВЧ устройств показали возможность использования ВТСП материалов в криоэлектронике СВЧ для реализации устройств с улучшенными характеристиками.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. High temperature superconductor phase shifter/ I.B.Vendik, D.I.Kaparkov, S.F.Karmanenko et al.//Proc. of 22th EuMC.-Helsinki:Microwave Exh.@Publ., 1992.- V.2.-P.1337-1341.

2. HTSC current controlled devices for microwave applica-tions/S.A.Gal'chenko, D.I.Kaparkov, V.V.Kuznetsov et al. //Proc. "о f ~23rd~ËuMC ,"~^rï^-Reed"Ëxh.Comp V -1993 7-P78 46-84 8".

3. Non-reflective low-noise modulator: the beneficial application of HTSC at microwaves/V. V.Kuznetscv, D.I.Kaparkov et al.//Proc. of 23rd EuMC, Madrid.-Reed Exh. Сотр.-1993.-P.843-846.

4. Non-reflective high-Tc superconductor modulator/

D.I.Kaparkov, V.V.Kuznetsov, M.Lofgren, I.B.Vendik //Electronics Letters.-1993.-V.29, N.11.-P.1006-1007.

5. A software based on sircple, fast, correct formulae for modelling the propagation characteristics of HTSC transmission lines at microwaves/D.I.Kaparkov, S.A.Gal'chenko, S.G.Kolesov et al.//Proc. of 23rd EuMC.- Madrid:Reed Exh.Сотр.-P.725-728.

6. High-Tc superconducting phase shifters/I.B.Vendik, M.M.Gajdukov, D.I.Kaparkov et al.//Proc. of 24th EuMC, Kannes.-Nexus Business Comm.-1994.-V.2.-P.1906-1911.

7. Critical limitations in low-loss narrowband HTSC filter design/S.S.Gevcrgian, E.Carlsson, S .A.Gal'chenko, D. I .Kaparkov, I.B.Vendik//Proc. of 24th EuMC, Kannes.-Nexus Business Ccmm..-1994.-V.2.-P.522-527.

8. High-Tc superconductor microstrip resonator on sapphire substrate (r-cut)/I.B.Vendik, S.S.Gevorgian, D.I.Kaparkov, A.A.Monin//Proc. of 25th EuMC, Bologna.-Nexus Media Ltd.-1995.-V.2.-P.1205-1208.

9. Fast digital phase shifter based on S-N transition in high-Tc superconducting film/I.Vendik, D.Kaparkov, M.Gajdukov et al.//Proc. of 25th EuMC,Bologna.-Nexus Media Ltd.-1995.-V.2.-

P.931-936.

10. Microwave digital phase shifters based on a S-N-swit-

chir.g in HTS thin films/D.I.Kaparkov, V.O.Sherman, I.B.Vendik et al.//Proc. European Conf. on Applied Supercond.- Edinburgh: IOP Publ. Ltd.-1995.-Inst.Phys.Conf.Ser. N148.-P.1139-1142.

11. САПР линейных интегральных схем СВЧ на высокотемпературных сверхпроводниках/И.Б.Вендик, С.А.Гальченко, С.Ш.Геворкян, Д.И.Капарков, М.Ф.Ситникова//Радиоэлектроника в СПбГЭТУ:

Сб.науч.трудов/СПбГЭТУ.-СПб, 1995.-Вып.1, С.25-29.

12. Modeling of high-Tc superconductor microstrip resonator on sapphire substrate/D.Bourse, V.Madrangeas, P.Guillon, D.Kaparkov, D.Kholodniak, A.Monin, I.Vendik //Electronic Lett.-1996.-V.32, N.16.- P.1494-1496.

Подписано в печать 20.02.97 Формат 60*84/16

Печать офсетная. Заказ №121 Печатный лист Тираж 100 экз.

АОЗТ "Копи-Сервис" 194156, Санкт-Петербург, Б.Сампсониевский пр., 93