Криогенная система фазовой автоподстройки частоты для сверхпроводникового интегрального приемника тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

ХУДЧЕНКО Андрей Вячеславович

КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ИНТЕГРАЛЬНОГО ПРИЕМНИКА

Специальность 01.04.03: «Радиофизика»

1 ОНТ 2009

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

МОСКВА - 2009

003477934

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В А. Котельникова РАН, г. Москва.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Кошелец Валерий Павлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Гольцман Григорий Наумович

кандидат физико-математических наук Масленников Юрий Васильевич

Ведущая организация:

Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород

Защита состоится «23» октября 2009 г. в 10й на заседании диссертационного совета Д.002.231.02 при ИРЭ им. В А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан « 22 » сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д.002.231.02 при ИРЭ РАН

доктор физико-математических наук

А.А. Потапов

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Одним из перспективных и активно развивающихся направлений современной сверхпроводниковой электроники является создание сверхчувствительных приёмных устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС-переходов). Благодаря высокой нелинейности вольт-амперных характеристик, низкому уровню собственных шумов и криогенным рабочим температурам стало возможным создание приемных устройств с рекордными параметрами. Среди когерентных приёмных устройств, приборы на СИС-переходах являются наиболее чувствительными во всём миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн. В настоящий момент уже созданы устройства с шумовой температурой лишь в несколько раз превосходящей квантовый предел, что на порядок ниже, чем, например, у приемников на основе диодов Шоттки.

В ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН была предложена концепция сверхпроводникового интегрального приемника (СИП). На одной микросхеме размещены приемная антенна, квантовый СИС смеситель на квазичастичной нелинейности туннельного перехода и сверхпроводниковый генератор гетеродина (СГГ) на распределенном джозефсоновском переходе. Туннельные переходы выполнены по технологии NЪ/АШ/ЫЪИ либо ЫЬ/АЮ/ЫЬ. Интегральные приемники крайне перспективны для радиоастрономии, мониторинга окружающей среды, осуществляемого с борта спутников, специальных самолетов или высотных аэростатов, а также медицинской диагностики и систем безопасности.

Для стабилизации частоты генерации СГГ необходимо использовать широкополосную систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Поскольку ширина автономной линии излучения СГГ может достигать

нескольких мегагерц, а ширина полосы синхронизации существующих полупроводниковых системам ФАПЧ составляет порядка 10 МГц, то лишь ограниченная часть излучаемой СГГ мощности может быть синхронизирована, остальная же часть дает вклад в фазовые шумы. Чем шире полоса синхронизации системы ФАПЧ, тем большая часть мощности СГГ будет синхронизована.

Существует несколько причин, требующих существенно расширить ширину полосы синхронизации ФАПЧ для СГГ. При определенных рабочих частотах ширина линии СГГ превышает 10 МГц за счет эффекта джозефсоновской самонакачки и существующая полупроводниковая ФАПЧ, электронный блок которой расположен вне криостата при комнатной температуре, не может осуществить эффективную синхронизацию. Кроме того, дальнейшее развитие сверхпроводниковой электроники и продвижение в область терагерцовых рабочих частот невозможно без применения новых материалов с более высокими значениями критической температуры по сравнению с ниобием. В настоящее время наиболее подходящими кандидатами для этого являются структуры на основе плёнок NbN и NbTiN с использованием искусственных барьеров из A1N и MgO. Ожидается, что при использовании этой технологии за счет больших поверхностных потерь ширина линии СГГ может существенно превосходить величину 10 МГц. В этом случае для эффективной синхронизации СГГ необходимо существенное увеличение ширины полосы синхронизации системы ФАПЧ.

Использование СИП в интерферометрии требует крайне высокого уровня фазовой стабильности СГГ. Так, например, для проекта ALMA (интерферометр в Чили с базой 15 км) среднеквадратичный фазовый шум должен быть менее 75 фс (уровень флуктуаций сигнала, проходящего сквозь атмосферу). Достижение этого уровня требует крайне малой доли фазовых шумов в спектре СГГ, т.е. для его достижения нужно расширять полосу синхронизации ФАПЧ до 40 МГц вместо величины порядка 10 МГц для комнатной полупроводниковой системы.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является:

• - Исследование спектральных свойств СИП со сверхпроводниковым генератором гетеродина. Изучение спектральных характеристик фазовосинхронизованного СГГ (ФС СГГ) и их зависимости от параметров системы ФАПЧ.

• Разработка схемы криогенной системы ФАПЧ для СГГ, значительно уменьшающей фазовые шумы и улучшающей спектральное качество линии излучения ФС СГГ по сравнению с аналогом - полупроводниковой системой ФАПЧ, работающей вне криостата при комнатной температуре.

• Реализация криогенного фазового детектора (КФД), основанного на туннельном СИС-переходе. Исследование его электрофизических свойств, определение амплитудных и частотных характеристик, описание принципа его работы.

• Оптимизация согласования КФД и СГГ и схемы их совместного включения в состав криогенной системы ФАПЧ.

• Экспериментальная реализация криогенной системы ФАПЧ для СГГ, исследование её свойств. Реализация криогенной системы ФАПЧ с эффективной полосой синхронизации более 40 МГц.

Научная новизна

Изучены спектральные свойства сверхпроводникового интегрального приемника (СИП) на СГГ.

Предложен и исследован новый элемент сверхпроводниковой электроники - криогенный фазовый детектор на туннельном СИС -переходе. Изучены его фазовые, амплитудные и частотные характеристики, определены оптимальные режимы работы.

Построена модель, которая качественно и количественно описывает связь КФД и СГГ, эта модель успешно применена для оптимизации криогенной системы ФАГТЧ.

Продемонстрирована принципиальная возможность реализации криогенной системы ФАПЧ для СГГ с шириной полосы синхронизации более 40 МГц.

Практическая ценность работы

Определены спектральные свойства СИП на СГГ.

Реализован новый элемент криогенный фазовый детектор СИС-переходе, что расширяет элементную базу сверхпроводниковой электроники.

Разработана, впервые создана и запатентована криогенная система ФАПЧ для СГГ, основанная на использовании туннельного СИС-перехода в качестве фазового детектора и на размещении всех элементов петли в одном криостате с СГГ. Перспективным выглядит применение концепции криогенной системы ФАПЧ для фазовой синхронизации квантовых каскадных лазеров, разрабатываемых для терагерцовой спектроскопии и радиоастрономии, которые, как и распределенный джозефсоновский переход, работают при криогенных температурах.

Разработан эффективный метод определения базовых характеристик СИС - перехода в качестве КФД путем измерения ВАХ и зависимости тока накачки от мощности подаваемого на переход одного СВЧ-сигнала.

Увеличена ширина полосы синхронизации криогенной системы ФАПЧ до 40 МГц по сравнению с величиной порядка 10 МГц для полупроводниковой комнатной системы. Такая система позволяет синхронизовать СГГ с автономной линией генерации более 12 МГц, что было недостижимо для комнатной системы, и таким образом расширяет частотный диапазон СИП. В случае узких линий СГГ (менее 3 МГц) криогенная система ФАПЧ в 3 раза уменьшает долю фазовых шумов, что делает более перспективным использование СИП в интерферометрии.

Для криогенной системы ФАПЧ с интегрирующим фильтром реализован режим удержания частоты сверхпроводникового генератора без использования внешних частотных дискриминаторов.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Спектральное качество фазовосинхронизированного сверхпроводникового генератора гетеродина (СГГ) является одним из основных параметров, определяющих спектральные свойства СИП.

2) Туннельный СИС-переход эффективно работает как криогенный фазовый (КФД) детектор. Амплитуда его выходного сигнала может достигать 0.5 мВ для СИС-перехода, изготовленного по технологии Nb/A10x/Nb.

3) Криогенная система ФАПЧ, основанная на КФД, позволяет эффективно синхронизировать СГТ. Ее ширина полосы синхронизации может быть более 40 МГц.

Апробация работы

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 19 работах, в том числе в 12 статьях в журналах (8 из рекомендованного списка ВАК), одном патенте и в 6 расширенных тезисах по докладам на международных конференциях (список публикаций приведён ниже), общий объем опубликованных по теме диссертации работ составил 84 мп. страницы.

Работы публиковались в ведущих специализированных изданиях: IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Superconductor Science and Technology, «Известия ВУЗов. Радиофизика», «Нелинейный Мир», «Радиотехника и Электроника». Публикации по материалам диссертации полностью отражают ее содержание; они хорошо известны специалистам, на

них имеются ссылки в научной периодике. Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на ведущих международных конференциях в области сверхпроводниковой электроники:

- Applied Superconductivity Conference (ASC 2004, 2006, 2008);

- European Conference on Applied Superconductivity (2005);

- International Superconductive Electronics Conference (ISEC'2005,2009);

- International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT-2006, ISSTT-2008, ISSTT-2009);

- 5 раз представлялись на конкурсах молодых ученых им. И.В. Анисимкина в ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН (2004 - 2008 г.г.).

- были представлены на международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий в рамках первого международного форума по нанотехнологиям, 2008 г.

- докладывались на XLVII научной конференции МФТИ, 2005г.

Личный вклад автора

Автором спроектирована и собрана экспериментальная установка, проведены экспериментальные исследования. и численное моделирование свойств систем и их отдельных элементов, проведены расчеты и изготовление СВЧ элементов и схем.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка публикаций по теме диссертации и списка цитированной литературы. Работа изложена на 118 страницах, содержит 49 рисунков и 1 таблицу. Список цитируемой литературы состоит из 80 работ.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и определены её цели. Сформулированы научная новизна, практическая ценность работы и положения, выносимые на защиту. Рассмотрены вопросы авторства в публикациях результатов.

Первая глава носит обзорный характер. В ней дан краткий обзор областей применения криогенных приемников субмиллиметрового диапазона на квазичастичной нелинейности СИС-переходов, обладающих высокой чувствительностью. Описана концепция сверхпроводникового интегрального приемника (СИП), объединяющего на одной микросхеме приемную антенну, СИС-смеситель, сверхпроводниковый генератор гетеродина (СГГ) на основе распределенного туннельного перехода с вязким потоком джозефсоновских вихрей и гармонический смеситель, используемый для фазовой синхронизации СГГ. Синхронизация с внешним опорным генератором осуществляется при помощи полупроводниковой системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), размещенной вне криостата при комнатной температуре. Перечислены основные причины, требующие существенного расширения полосы синхронизации ФАПЧ для СГГ. Дано общее описание систем ФАГГЧ, принципов их работы и основных характеристик, таких как полоса синхронизации Л и полоса удержания. Приведены способы измерения полосы синхронизации в эксперименте. Предложен принцип построения новой компактной системы ФАПЧ для СГГ, имеющей А много больше, чем для полупроводниковой системы. Рассмотрены основные принципы работы СИС переходов в качестве активных элементов СВЧ приёмных устройств на основе квазичастичной нелинейности с целью их использования в качестве криогенного фазового детектора (КФД). В заключении сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе проведено изучение влияния особенностей спектра СГТ на спектральные свойства СИП, а также выработаны требования к

параметрам этого спектра. Исследованы спектральные свойства фазовосинхронизированного СГГ (ФС СГГ) в зависимости от А ФАПЧ и задержек в петле г.

Показано, что если СГГ находится в режиме частотной стабилизации, то спектральное разрешение СИП равно ширине автономной линии и может достигать нескольких МГц в зависимости от рабочей частоты СГГ. При использовании же ФС СГГ спектральное разрешение СИП может достигать 10 КГц.

Далее описаны методы восстановления принимаемого сигнала с учетом аппаратной функции СИП, определяемой спектром СГГ. Проанализированы методы деконволюции и разобран итерационный метод восстановления, предложенный автором. Показано, что особенность спектра ФС СГГ, а именно наличие центрального узкого пика, позволяет уверенно использовать метод простой деконволюции для восстановления спектра сигнала, измеренного с помощью СИП с усилением шума в спектре в 1/СК раз. Получено, что вклад неточности определения СК (ДСК) в итоговую ошибку

ДСК

измерений после деконволюции не превышает величины ■■ .

СК

Установлено, что А комнатной полупроводниковой системы ФАПЧ ограничена групповой задержкой сигнала в петле системы г. Описан эксперимент, показывающий влияние г на работу комнатной системы ФАПЧ, в котором в петлю вносилась дополнительная задержка путем увеличения длины соединительных кабелей петли. Продемонстрировано, что с ростом г происходит сужение А полупроводниковой системы ФАПЧ и увеличение уровня фазовых шумов. Установлено, что ширина полосы синхронизации ФАПЧ А обратно пропорциональна т, причем зависимость А "'(г) линейна и позволяет измерять г системы ФАПЧ (см. рис. 1). Таким методом определена задержка петли комнатной ФАПЧ. Она равна 17 не с точностью 0.5 не, причем кабели петли дают основной вклад, равный 11.5 не.

Экспериментально показано, что спектральное качество ФС СГГ растет с увеличением А при уменьшении т, причем зависимость СК(г) имеет характер, близкий к линейному и позволяет оценить, насколько должна быть уменьшена задержка петли для достижения требуемого уровня СК.

Длина петли, м 012345678

Задержка петли, не

Рис. 1. Зависимость величины, обратной ширине полосы синхронизации ФАЛЧ Дот задержки в петле. Данные получены для трех различных ширин автономной линии СГГ (1.3 МГц; 2.2 МГц; 4.2 МГц).

В конце главы приведены выводы и дан анализ перспектив разработки криогенной системы ФАПЧ.

Третья глава посвящена изучению криогенного фазового детектора на туннельном СИС-переходе (КФД) с целью использования его в криогенной ФАЛЧ для СГГ. Исследованы фазовые, амплитудные и частотные характеристики КФД.

В начале главы представлены перспективы использования СИС-перехода в роли КФД. Его ключевые преимущества, за счет которых

существенно упрощается создание широкополосной криогенной системы ФАПЧ для СГГ, заключаются в том, что СИС-переход работает при температуре 4.2 К, и он практически не выделяет тепла (меньше 10"6 Вт). Эти свойства позволяют сблизить КФД с СГГ вплоть до интеграции их на один чип. Возможность такого сближения элементов петли способствует компактности криогенной системы ФАПЧ. Показано, что для полного описания КФД на СИС-переходе нужно определить форму его фазового отклика, изучить амплитудные и частотные характеристики.

Далее приведены предварительные оценки возможности использования туннельного СИС-перехода в роли КФД, основанные на анализе его вольтамперных характеристик (ВАХ), под действием СВЧ сигналов частотой порядка 1 ГГц. Ток накачки СИС-перехода растет с увеличением подаваемой на него мощности СВЧ сигнала. В случае синфазного задания двух сигналов суммарная приходящая мощность больше, и больше ток накачки, при подаче сигналов в противофазе - малая суммарная мощность вызывает меньший ток накачки (см. рис. 2а). Исследования показали возможность получения синусоидального фазового отклика КФД в зависимости от разности фаз СВЧ сигналов (р (см. рис. 26).

300

250

< 200 S

¿"150 ¡2

100

3 ' 1 1 ' • yf У/ р'/ ■ 7 а

1 2 3

Напряжение, мВ

60 120 180 240 300 360

<р, град

Рис. 2. ВАХ СИС-перехода, измеренные при различных лющностях СВЧ сигналов (частота 5 ГГц) (а). Кривая 1 - автономная; кривая 2 - при подаче одного сигнала; кривая 3 - два сигнала, синфазный случай; кривая 4 - два сигнала, противофазный случай (разность фаз равна 180°); кривая 5 -разность значений токов для кривых 3 и 4. Синусоидальный фазовый отклик (б) (три случая разных мощностей входящих сигналов).

Рассмотрены частотные свойства КФД. Собственная емкость СИС-перехода микронного размера составляет порядка 0.1 пФ, поэтому можно уверенно сказать, что она не будет сказываться на его выходных амплитудно-частотных свойствах в диапазоне до 1 ГГц. Экспериментально подтверждено, что КФД имеет равномерный отклик до частот 750 МГц, что значительно превосходит требуемый для криогенной системы ФАПЧ диапазон 0... 100МГц. Измерено, что амплитудные характеристики СИС-перехода имеют качественно одинаковый характер для частот входных сигналов от 0.4 до 20 ГГц.

Для исследования амплитудных характеристик КФД на СИС-переходе, он рассматривается подключенным к сопротивлению R (рис. 3). Под действием входных СВЧ сигналов изменяется напряжение КФД, пропорционально которому меняется ток через сопротивление R. В дальнейшем, при включении КФД в криогенную ФАПЧ, этот ток будет проходить через контрольную линию СГГ (KJT СГГ) и управлять его частотой генерации. Получена формула, описывающая зависимость амплитуда выходного сигнала КФД от разности фаз <р подаваемых СВЧ сигналов мощностью Pi и Р2:

Из нее следует, что, измеряя ВАХ для получения дифференциального сопротивления гл и зависимость 1(Р) (ток накачки СИС-перехода от

31

мощности подаваемого СВЧ сигнала) для вычисления производной —,

дР

можно полностью охарактеризовать амплитудные свойства СИС-перехода как фазового детектора. По данной формуле были рассчитаны зависимости выходного сигнала от мощности подаваемых сигналов. Дополнительно были проведены прямые измерения таких зависимостей. Результаты, полученные обоими способами, имеют хорошее качественное и удовлетворительное

д

(1)

количественное совпадение, что подтверждает правильность модели, приводящей к представленной формуле.

Рис.3. СИС—переход с нагрузочным сопротивлением Я.

В работе показано, что выходной сигнал КФД на СИС-переходе площадью 2 мкм2 достигает величины -50 дБм, что соответствует амплитуде напряжения около 0.5 мВ и амплитуде тока порядка 10 мкА.

В следующем разделе проведен анализ ВАХ и зависимости 1(Р), который указывает на генерацию мощных старших гармоник сигнала на СИС-переходе, за счет которых он работает в квантовом режиме накачки.

Рассмотрено влияние критического тока СИС-перехода на работу КФД. Получено, что критический ток значительно изменяет многие зависимости, важные для работы КФД, и для однозначной воспроизводимости параметров КФД его нужно полностью подавлять. Однако, практически при всех измерениях удавалось избежать сильного влияния критического тока подстройкой рабочего режима КФД. В завершении главы приведены выводы.

Четвертая глава посвящена созданию и исследованию криогенной системы ФАПЧ для СГГ, а также описанию ключевых вопросов её проектирования. Основное внимание уделено концепции системы, ее схеме, описанию работы отдельных элементов петли и их соединению; в главе

приведены также экспериментальные результаты для различных реализаций криогенной ФАПЧ.

В начале главы описана концепция криогенной системы ФАПЧ, направленная на достижение основной цели: сделать систему как можно более компактной, обеспечив минимальные задержки в петле, что в совокупности с уменьшением задержки в отдельных элементах петли приведет к увеличению А . Далее приведена блок-схема криогенной системы ФАПЧ на КФД (см. рис. 4) и ее подробное описание.

Комнатная полупроводниковая : ФАПЧ *

Спектроанализатор

600 ГГц

20 ГГц

4 ГГц

сгг

Петлевой фильтр

Гармонический смеситель

Усилители

КФД

Т - 4.2 К

Опорный сигнал 4 ГГц

Рис. 4. Блок-схема криогенной системы ФАПЧ.

Рассмотрено соединение КФД с СГГ, схема приведена на рис. 3. Описано согласование КФД и СГГ. На основе формулы (1), полученной в главе 3, выведена формула, описывающая коэффициент передачи сигнала петли в цепи КФД - СГГ ^кфд-сгг, определяемый как отношение смещения частоты СГТ (¡/сгг в зависимости от разности фаз (!<р СВЧ сигналов на входе

КФД: -КкФд-сгт - [Гц/рад], ^кфд-сгг является также коэффициентом

усиления разомкнутой петли и определяет полосу удержания системы ФАПЧ. Оценено, что полоса удержания криогенной ФАПЧ для СГГ, основанной на КФД с СИС-переходом площадью 2 мкм2, может достигать 250 МГц.

Приводится анализ групповой задержки т в различных схемах. С учетом результатов этого анализа решено использовать заграждающий фильтр в петле криогенной ФАПЧ вместо фильтра нижних частот. Для улучшения криогенной системы ФАПЧ, а в частности, для уменьшения т в заграждающем фильтре петли до 0.5 не, рабочая частота системы была увеличена до 4 ГГц.

Описана разработка интегрирующего фильтра петли, который необходим для увеличения стабильности синхронизованного СГГ. Он позволяет реализовать режим подтягивания и удержания частоты СГГ. Это делает систему устойчивой к шумам и позволяет ей работать без дополнительной частотной стабилизации. Фильтр размещается между КФД и СГГ, которые работают при температуре 4.2 К и чувствительны к нагреванию, поэтому он выполнен на пассивных элементах: индуктивности и сопротивлениях. Показано, что интегрирующий фильтр существенно снижает уровень фазовых шумов ФС СГГ при отстройке частоты от несущей менее 100 кГц. Это важно для радиоастрономических применений СИП. Фильтр рассчитан так, что он не увеличивает групповую задержку, приводящую к уменьшению А .

Решена задача оптимизации согласования КФД и СГГ, которая состоит в максимизации коэффициента передачи в петле в цепи КФД - СГГ Ккфд-сгг с учетом включения КФД и СГГ в петлю криогенной ФАПЧ. Рекомендуемая величина площади туннельного СИС-перехода в КФД составляет приблизительно 1 мкм2 при плотности тока около 5... 1 ОкА/см2 , что дает в рабочей точке гд примерно 50 Ом. При этом оптимальное значение

сопротивления Я резистора, расположенного в цепи между КФД и СГГ, равно примерно 10 Ом.

Далее в главе писаны две конкретные реализации криогенной системы ФАПЧ. Приведены результаты синхронизации ими СГТ (рис. 5) и представлены их характеристики, которые представлены в итоговой таблице 1). Рассмотрен эксперимент по измерению задержки петли, аналогичный описанному в главе 2. В результате этого эксперимента для последней реализации криогенной ФАПЧ с длиной петли 50 см, получено, что общая задержка петли равна примерно 5.5 не. Ширина полосы синхронизации этой системы достигает величины более 40 МГц. Для СГГ с шириной линии около 11 МГц такая система способна синхронизировать 63% мощности излучения, что более чем в три раза превосходит результат для полупроводниковой комнатной ФАПЧ. Приведен анализ того, как увеличение А позволяет использовать больший коэффициент усиления петли и снизить общий уровень фазовых шумов.

Рис. 5. Преобразованные вниз по частоте спектры СГГ, синхронизованного: кривая«1» - второй криогенной системой ФАПЧ; кривая «2» - первой криогенной системой ФАПЧ; кривая «3» - комнатной системой ФАПЧ; кривая «4» - автономная частотно-стабилизированная линия СГГ шириной 2 МГц.

Проведен сравнительный анализ двух криогенных систем ФАПЧ и комнатной полупроводниковой системы, отраженный в таблице 1.

Таблица 1

Комнатная п/п ФАПЧ Криогенная ФАПЧ 1 Криогенная ФАПЧ 2

Рабочая частота 0.4 ГГц 0.4 ГГц 4 ГГц

Длина петли, см 220 100 50

Задержка в кабелях, НС 11.5 5 2.5

Задержка в фильтре, НС 1.5 1.5 0.5

Задержка в элементах петли, не 5.5 4 3

Полная задержка, не 17 9 5.5

Ширина полосы синхронизации, МГц 12 25 40

СК для Ш = 2 МГц 82 % 91 % 94%

СК для = 7 МГц 40% 62% 81%

СКдля1ЛУ = 11 МГц Около 20 % 45% 63 %

В конце главы предложены пути дальнейшего развития криогенных систем ФАПЧ для СГГ, и приведены выводы главы.

В заключении сформулированы результаты диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Предложен и исследован новый элемент сверхпроводниковой электроники - криогенный фазовый детектор (КФД) основанный на туннельном переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС). Изучены его амплитудные, частотные и фазовые характеристики. Амплитудно-частотная зависимость выходного сигнала КФД равномерна до 750 МГц, что почти на порядок больше величины, требуемой для синхронизации СГГ. Получена формула, описывающая зависимость амплитуды выходного сигнала КФД от его параметров. Разработан

эффективный метод определения базовых характеристик СИС-перехода в качестве КФД путем измерения ВАХ и зависимости тока накачки от мощности подаваемого на переход одиночного СВЧ-сигнала. Выходной сигнал КФД на СИС-переходе площадью 2 мкм2 достигает уровня -50 дБм. Определены оптимальные режимы работы КФД.

2. Построена модель, которая качественно и количественно описывает согласование КФД и СГГ и их совместное включение в криогенную систему ФАПЧ, эта модель успешно применена для проектирования и оптимизации системы.

3. Разработана схема криогенной системы ФАПЧ, основанная на использовании туннельного СИС-перехода в качестве фазового детектора, что приводит к минимизации перепадов температур в петле обратной связи и для наиболее компактному расположению элементов.

4. Экспериментально реализовано несколько конфигураций криогенной системы ФАПЧ для СГГ. Проведено их детальное изучение и анализ работы. Для криогенной системы ФАПЧ с опорной частотой 4 ГГц, общая задержка петли которой составляет около 5.5 не, получена полоса синхронизации системы более 40 МГц. Для СГГ с шириной линии около 11 МГц такая криогенная система ФАПЧ способна синхронизировать 63% мощности, что более чем в три раза превосходит показатель для полупроводниковой комнатной ФАПЧ.

5. Для криогенной системы ФАПЧ с интегрирующим фильтром реализован режим удержания и подтягивания частоты генератора. Это делает систему устойчивой к шумам и позволяет ей работать без дополнительной частотной стабилизации. Интегрирующий фильтр позволяет существенно снизить уровень фазовых шумов фазовосинхронизованного СГГ при отстройке частоты от несущей менее 100 кГц, что важно для радиоастрономических применений СИП.

Публикации по теме диссертации

[Al] А.В. Худченко, М.Ю. Торгашин, В.П. Кошелец, «Влияние ширины автономной линии генерации ФФО на разрешение сверхпроводникового интегрального приемника», труды XLVII научной конференции МФТИ, т.5, стр. 28-30, 2004.

[А2] V.P. Koshelets, S.V. Shitov, А.В. Ermakov, O.V. Koryukin, L.V. Filippenko, A. V. Khudchenko, M. Yu. Torgashin,P. Yagoubov, R. Hoogeveen, O.M. Pylypenko, "Superconducting Integrated Receiver for TELIS","IEEE Trans, on Appl. Supercond. ", vol. 15, pp. 960-963, 2005.

[A3] В.П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, А.Б. Ермаков , JI.B. Филиппенко, О.В. Корюкин, М.Ю. Торгашин, А.В. Худченко. «Интегральный сверхпроводниковый спектрометр для мониторинга атмосферы.», Известия ВУЗов «Радиофизика», т. XLVIII, № 10-11, стр. 947-954 2005.

[А4] V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, А.В. Ermakov, L.V. Filippenko, O.V. Koryukin, A.V. Khudchenko, M.Yu. Torgashin, P. A. Yagoubov, R. W.M Hoogeveen, and W. Wild, "Super-conducting Submm Integrated Receiver with Phase-Locked Flux-Flow Oscillator for TELIS"., pl08. Conference Proceedings ISSTT 2005, p. 276 - 271, 2005.

[A5] В.П. Кошелец, А.В. Худченко, «Исследование спектральных характеристик сверхпроводникового интегрального приемника», «Радиотехника и электроника», т.15, №5, с 633-640, 2006.

[Аб] А.В. Худченко. «Исследование спектральных характеристик сверхпроводникового интегрального приемника», «Нелинейный Мир», т.4, №6, с 339-340,2006.

[А7] P. Yagoubov, R. Hoogeveen, М. Torgashin, A. Khudchenko, V. Koshelets, N. Suttiwong, G. Wagner, M. Birk, "550-650 GHz spectrometer development for TELIS", Paris, May 2006, Conf. Proceedings ISSTT 2006, report FR3-3.

[A8] V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, P.A. Yagoubov, R.W.M. Hoogeveen, and W. Wild, "Integrated Submillimeter Receiver for TELIS","IEEE-Trans. on Appl. Supercond. ", vol. 17, pp. 336-342, 2007.

[A9] A.V. Khudchenko, V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, P.A. Yagoubov, and O.M. Pylypenko, "Cryogenic Phase Detector for Superconducting Integrated Receiver", "IEEE Trans, on Appl. Supercond.", vol. 17, pp. 606-608,2007.

[А 10] В.П. Кошелец, Л.В.Филиппенко, В.Б. Борисов, П.Н.Дмитриев, А.Б. Ермаков, О.С. Киселёв , И.Л.Лапицкая, А.С. Соболев, М.Ю. Торгашин, А.В. Худченко, П.А. Ягубов, «Интегральный сверхпроводниковый бортовой спектрометр для мониторинга атмосферы.», Известия ВУЗов «Радиофизика», т. L, № 10-11, стр. 935-940,2007.

[All] Патент на изобретение №2319300 "Широкополосная система фазовой автоподстройки частоты для криогенного генератора" с приоритетом от 21.11.2006, авторы: Кошелец В.П., Худченко А.В., Дмитриев П.Н. Зарегистрировано в государственном реестре изобретений РФ 10.03.2008.

[А 12] А.В. Худченко, В.П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, А.Б. Ермаков,

О.М. Пилипенко, «Криогенная система фазовой автоподстройки частоты», «Нелинейный Мир», т.5, №5, с 343-344, 2007,

[А 13] А.В. Худченко, В.П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, А.Б. Ермаков,

О.М. Пилипенко, «Криогенный фазовый детектор», «Нелинейный Мир», т.6, №4, с 284-285, 2008.

[А14] А.В. Худченко, В.П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, А.Б. Ермаков,

«Криогенный фазовый детектор», «Радотехника и электроника», т.53, №5, с 624-629, 2008.

[А 15] A.V. Khudchenko, V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, А.В. Ermakov, О.М. Pylypenko, and P.A. Yagoubov, "Cryogenic Phase Locking Loop System for Flux-Flow Oscillator", ISSTT-08, vol 2, pp. 511-515,2009.

[A16] V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, P.N. Dmitriev, L.V. Filippenko,

A.V. Khudchenko, N.V. Kinev, O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, "Phase-locked Local Oscillator for Superconducting Integrated Receiver", Proceedings of the ISSTT-08, vol 1, pp. 211-220,2009.

[A17] А.В. Худченко, В.П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, А.Б. Ермаков, «Криогенная система фазовой автоподстройки частоты для сверхпроводникового генератора гетеродина», «Нелинейный Мир», т.7, . №3, с 222-223, 2009.

[А 18] A.V. Khudchenko, V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, O.M. Pylypenko "Cryogenic Phase Locking Loop System for Flux Flow Oscillators", Extended Abst. ISEC'2009, HF-P17, Fukuoka, Japan, June 2009

[A19] A V Khudchenko, V P Koshelets, P N Dmitriev, А В Ermakov,

P A Yagoubov and О M Pylypenko, "Cryogenic Phase Locking Loop System for Superconducting Integrated Receiver", Superconductor Science and Technology, vol. 22, No8, 2009.

Худченко Андрей Вячеславович

Криогенная система фазовой автоподстройки частоты для сверхпроводникового интегрального приемника

Подписано в печать 21.09.09 Формат 60x84 Усл. печ.л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ 3 5 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский физико-технический институт (государственный университет)

141700, Московская область г. Долгопрудный, Институтский пер. 9

Список используемых сокращений и обозначений

1. Введение

1.1. Вступление

1.2. Сверхпроводниковый интегральный приемник (СИП)

1.3. Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)

1.4. Туннельный переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС)

1.5. Постановка задачи

2. Спектральные свойства СИП

2.1. Спектральное разрешение СИП, основанного на сверхпроводниковом генераторе гетеродина СГГ

2.2. Восстановление спектра сигнала источника при известном спектре гетеродина

2.2.1. Деконволюция

2.2.2. Итерационный метод

2.2.3. Учет ошибки в определении спектрального качества СК.

2.3. Ширина синхронизации полупроводниковой системы ФАПЧ для СГГ

2.4. Выводы главы.

3. Криогенный фазовый детектор (КФД) на туннельном СИС-переходе

3.1. Введение

3.2. Анализ вольтамперной характеристики СИС-перехода. Форма фазового отклика

3.3. Частотные характеристики КФД

3.4. Амплитудные характеристики КФД

3.5. Генерация гармоник опорного сигнала на СИС-переходе

3.6. Влияние критического тока

3.7. Выводы главы

4. Криогенная система ФАПЧ

4.1 Концепция, схема

4.2 Согласование КФД и СГТ

4.3 Фильтр петли

4.3.1. Групповая задержка

4.3.2. Заграждающий фильтр

4.3.3. Интегрирующий фильтр, фазовые шумы

4.4 Оптимизация цепи КФД-СГТ в составе криогенной системы ФАПЧ. Определение оптимальных параметров СИС-перехода для КФД в криогенной системе ФАПЧ

4.5 Экспериментальные результаты

4.6 Обобщение результатов, перспективы развития криогенной системы ФАПЧ 99 4.7. Выводы главы

1.1. Вступление

В последние десятилетия в мире ведутся интенсивные разработки устройств для приема и обработки сигналов в терагерцовой области частот 11 1

3*10 -10 Гц, начиная с субмиллиметровых волн и заканчивая дальним ИК диапазоном. Растущий интерес к терагерцовым технологиям обусловлен широтой и актуальностью потенциальных областей их применения.

В астрофизике спектральные линии молекул и излучения пыли в континууме являются основным источником информации о физико-химических условиях и процессах в областях звездообразования и о межзвездной среде в галактиках. Исследования процессов формирования звезд и эволюции галактик относятся к числу наиболее фундаментальных проблем астрофизики. Наиболее информативны с этой точки зрения миллиметровый и, особенно, субмиллиметровый диапазоны длин волн, где сосредоточены основные колебательно-вращательные переходы большинства молекул, возбуждаемые при тех физических условиях, которые характерны для данных объектов, а также пик излучения межзвездной пыли. Многие атмосферные газы и соединения (например, ОН, СН, NH, НС1, СЮ, Н20) имеют спектральные линии, соответствующие терагерцовому диапазону частот. В этом же диапазоне находятся частоты медленных пространственных колебательных мод больших молекул (макромолекул). Таким образом, наблюдение и измерение спектральных линий в субмиллиметровом диапазоне является эффективным методом исследований в радиоастрономии [3-8], экологическом мониторинге атмосферы [9], биофизике [10,11]. В последнее время также проявляется повышенный интерес к созданию устройств наблюдения в субмиллиметровом диапазоне для систем контроля безопасности, обнаружения взрывчатых и отравляющих веществ [12,13], а также для медицинских исследований [14].

Исторически сложилось, что терагерцовая область частот долгое время была мало исследована по сравнению с другими диапазонами ввиду сложности изготовления приемников и генераторов [1]. До недавнего времени, самыми распространенными в терагерцовом диапазоне являлись приемники на диодах Шоттки, работающие в широком интервале температур [15-17]. Однако такие приемники имеют, относительно низкую чувствительность, а также требуют большой мощности гетеродина (порядка нескольких милливатт), что трудно достижимо на частотах порядка 1 ТГц и выше из-за отсутствия мощных перестраиваемых твердотельных источников излучения.

В последние десятилетия для задач, требующих низкий уровень собственных шумов приемника, незаменимыми являются криогенные приемники на основе СИС-смесителей (туннельных переходов сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник), шумовая температура которых является самой низкой среди всех известных когерентных приемников в диапазоне 100 - 1000 ГГц и ограничивается уровнем квантовых шумов hf/2k (здесь к — постоянная Больцмана, h — постоянная Планка, / - частота сигнала) [18-26]. Это объясняется как чрезвычайно высокой нелинейностью сверхпроводниковых элементов, так и их предельно низкими собственными шумами, обусловленными природой элементов и криогенной рабочей температурой. Поскольку время накопления для приема сверхслабых сигналов и обнаружения сверхмалых концентраций веществ пропорционально квадрату шумовой температуры используемого приемника, устройства на СИС-смесителях позволяют значительно сократить время наблюдения

В настоящий момент СИС-приемники с внешним источником гетеродина получили широкое распространение, как в единичных радиотелескопах, так и в составе приемников-интерферометров наземного базирования [27]. В качестве генератора гетеродина используются генераторы Ганна и гармонические умножители на основе барьера Шоттки, а в лабораторных исследованиях - лампы обратной волны. На частотах выше рабочего диапазона приемников на СИС-переходах в качестве нелинейных элементов используются смесители на горячих электронах (НЕВ) [28-30].

Для частот принимаемого излучения выше 300 ГГц наблюдается существенное поглощение сигнала парами воды в атмосфере. Именно поэтому все субмиллиметровые приемники и радиотелескопы располагаются на значительной высоте или устанавливаются на борту специальных самолетов и спутников. При этом большие габариты, вес и цена генераторов гетеродина в субмиллиметровом диапазоне длин волн являются основными факторами, ограничивающим широкое использование субмиллиметровых приемников.

В ИРЭ РАН совместно с Институтом космических исследований Нидерландов (SRON) был предложен, создан и исследован интегральный спектрометр со сверхпроводниковым генератором гетеродина [31-33, А2, A3, А4, А8, А10]. Легкие и компактные сверхчувствительные интегральные приемники (СИП) субмиллиметрового диапазона длин волн являются весьма привлекательными для дистанционного мониторинга атмосферы и измерения газовых компонент малой концентрации (например, окиси хлора и других элементов, ответственных за разрушение озона). Многие из этих компонент, источниками которых, в частности, являются химические производства, могут быть обнаружены дистанционно только по их излучению в субмиллиметровом диапазоне длин волн [34-36]. Нарис.1.1 приведен пример расчетного атмосферного спектра. Методы микроволновой спектроскопии, регистрирующие вращательные и вращательно-колебательные спектры молекул в газовой и паровой фазе, остаются наиболее прецизионными и обеспечивают лучшую чувствительность и разрешающую способность для проведения экспресс-анализа физиологически активных веществ. Малые габариты интегрального приемника делают его перспективным для построения на его основе многоэлементного матричного приемника, не увеличивая существенным образом размеры и вес всей приемной системы.

497 498 499 500 501 502 503 504

Частота, ГГц

Рис. 1.1. Пример рассчитанного атмосферного спектра [37].

На данный момент для СИП было получено спектральное разрешение порядка 10 кГц с использованием тестового сигнала, генерируемого 1020 ГГц синтезатором и преобразованного гармоническим умножителем на снове полупроводниковых сверхрешеток [33,38]. Была экспериментально продемонстрирована возможность измерения спектральных линий газа SOj при помощи интегрального приемника, работающего в режиме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [39]. Газ S02, являющийся побочным продуктом металлургического производства и приводящий к образованию «кислотных» дождей, находился в газовой кювете при давлениях порядка 0.03 мБар. Был измерен спектр линии S02, шириной 1.2 МГц, на частоте 326867.5 МГц.

С помощью СИП, разработанного для проекта TELIS (TErahertz Limb Sounder), продемонстрирована в частности возможность измерения с борта высотного аэростата соединений хлора в стратосфере, обедняющих озоновый слой. Аэростат был запущен с полигона Эсрэндж в Швеции в марте 2009. Полет длился более 12 часов на высоте 30-35 км. На протяжении всего этого времени СИП исправно работал, предавая на землю важную научную

1Я информацию о различных атмосферных газах (H2-lcO, HDO, СЮ, 02, изотопы 03, НС1, НОС1), которая обрабатывается в настоящее время. Пример измеренного атмосферного спектра приведен на рис. 1.2.

Частота ПЧ. МГц

Рис. 1.2. Пример спектров атмосферных газов, измеренных СИП с борта аэростата на разных высотах до 30 Км.

4.7. Выводы главы

1. Разработана схема криогенной системы ФАПЧ основанная на использовании туннельного СИС-перехода в качестве фазового детектора для наиболее компактного расположения элементов, что позволяет минимизировать перепады температуры в петле обратной связи и, как следствие, значительно сократить длину петли крио ФАПЧ.

2. Построена модель, которая качественно и количественно описывает согласование КФД и СГГ и их совместное включение в криогенную систему

ФАПЧ. Модель успешно применена при проектировании и оптимизации криогенной системы ФАПЧ.

3. Разработан и испытан интегрирующий фильтр для криогенной системы ФАПЧ, позволяющий реализовать режим подтягивания и удержания частоты СГГ. Это делает систему устойчивой к шумам и позволяет ей работать без дополнительной частотной стабилизации. Интегрирующий фильтр позволяет значительно увеличить усиление на низких частотах, что существенно снижает уровень фазовых шумов ФС СГГ при отстройке частоты от несущей менее 100 кГц (последнее чрезвычайно важно для радиоастрономических применений СИП).

4. Реализованы различные конфигурации криогенной системы ФАПЧ для СГГ. Проведено их детальное изучение и анализ работы. Создана криогенная система ФАПЧ с длиной петли 50 см, общая задержка петли которой равна примерно 5.5 не, а ширина полосы синхронизации составляет более 40 МГц. Для СГГ с шириной линии около 11 МГц такая система способна синхронизировать 63% мощности излучения, что более чем в три раза превосходит результат для полупроводниковой комнатной ФАПЧ. Предложены пути дальнейшего развития криогенных систем ФАПЧ для СГГ.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Предложен и исследован новый элемент сверхпроводниковой электроники - криогенный фазовый детектор (КФД) основанный на туннельном переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС). Изучены его амплитудные, частотные и фазовые характеристики. Амплитудно-частотная зависимость выходного сигнала КФД равномерна до 750 МГц, что почти на порядок больше величины, требуемой для синхронизации СГГ. Получена формула, описывающая зависимость амплитуды выходного сигнала КФД от его параметров. Разработан эффективный метод определения базовых характеристик СИС-перехода в качестве КФД путем измерения ВАХ и зависимости тока накачки от мощности подаваемого на переход одиночного СВЧ-сигнала. Выходной сигнал КФД на СИС-переходе площадью 2 мкм достигает уровня -50 дБм. Определены оптимальные режимы работы КФД.

2. Построена модель, которая качественно и количественно описывает согласование КФД и СГГ и их совместное включение в криогенную систему ФАПЧ, эта модель успешно применена для проектирования и оптимизации системы.

3. Разработана схема криогенной системы ФАПЧ, основанная на использовании туннельного СИС-перехода в качестве фазового детектора, что приводит к минимизации перепадов температур в петле обратной связи и для наиболее компактному расположению элементов.

4. Экспериментально реализовано несколько конфигураций криогенной системы ФАПЧ для СГГ. Проведено их детальное изучение и анализ работы. Для криогенной системы ФАПЧ с опорной частотой 4 ГГц, общая задержка петли которой составляет около 5.5 не, получена полоса синхронизации системы более 40 МГц. Для СГТ с шириной линии около 11 МГц такая криогенная система ФАПЧ способна синхронизировать 63% мощности, что более чем в три раза превосходит показатель для полупроводниковой комнатной ФАПЧ.

5. Для криогенной системы ФАПЧ с интегрирующим фильтром реализован режим удержания и подтягивания частоты генератора. Это делает систему устойчивой к шумам и позволяет ей работать без дополнительной частотной стабилизации. Интегрирующий фильтр позволяет существенно снизить уровень фазовых шумов фазовосинхронизованного СГГ при отстройке частоты от несущей менее 100 кГц, что важно для радиоастрономических применений СИП.

Благодарности

Я искренне признателен моему научному руководителю Кошельцу Валерию Павловичу за предоставленную уникальную возможность заниматься интересной и актуальной научной работой, решать нетривиальные задачи, работая в его лаборатории, а также за оказанную огромную поддержку в этой работе и неоценимую помощь при написании диссертации.

Хочется выразить особую признательность Павлу Ягубову за дружественную атмосферу и большую помощь в проведении экспериментов, а тукже Андрею Барышеву за интересные идеи, готовность всегда помочь дельным советом и выручить хорошим прибором.

Огромную помощь в при проведении экспериментов мне оказали голландские коллеги Ханс Гольштейн, Рональд Хеспер, Хенк Од и др.

Хочется■ также поблагодарить всех сотрудников лаборатории 234 сверхпроводниковых устрой сотрудиков для приема и обработки информации ИРЭ РАН за сотрудничество и поддержку.

Наконец, хочу выразить свою признательность своим родным и близким. Без их поддержки и терпения эта работа никогда бы не была проделана.

Работы автора по теме диссертации

Al] А.В. Худченко, М.Ю. Торгапшн, В.П. Кошелец, «Влияние ширины автономной линии генерации ФФО на разрешение сверхпроводникового интегрального приемника», труды XLVII научной конференции МФТИ, т.5, стр. 28-30,2004.

А2] V.P. Koshelets, S.V. Shitov, А.В. Ermakov, O.V. Koryukin, L.V. Filippenko, A. V. Khudchenko, M. Yu. Torgashin,P. Yagoubov, R. Hoogeveen, O.M. Pylypenko, "Superconducting Integrated Receiver for TELIS", "IEEE Trans, on Appl. Supercond. ", vol. 15, pp. 960-963, 2005.

A3] В.П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, А.Б. Ермаков , Л.В. Филиппенко, О.В. Корюкин, М.Ю. Торгашин, А.В. Худченко, «Интегральный сверхпроводниковый спектрометр для мониторинга атмосферы.», Известия ВУЗов «Радиофизика», т. XLVIII, № 10-11, стр. 947-954 2005. (V. P. Koshelets, Р. N. Dmitriev, А. В. Ermakov, L. V. Filippenko, О. V. Koryukin, M.Yu.Torgashin, А. V. Khudchenko, "Integrated Superconducting Spectrometer for Atmosphere Monitoring", "Radiophysics and Quantum Electronics", vol. 48, No. 10-11, pp 947-954,2005.)

A4] V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, O.V. Koryukin, A.V. Khudchenko, M.Yu. Torgashin, P.A. Yagoubov, R. W.M Hoogeveen, and W. Wild, "Super-conducting Submm Integrated Receiver with Phase-Locked Flux-Flow Oscillator for TELIS". Abstract for the 16th International Symposium on Space Terahertz Technology, Sweden, May 2005, pi08. Conference Proceedings ISSTT2005, p. 276 - 271.

А5] В.П. Кошелец, А.В. Худченко, «Исследование спектральных характеристик сверхпроводникового интегрального приемника», «Радиотехника и электроника», т.15, №5, с 633-640, 2006. (V.P. Koshelets and А. V. Khudchenko, "Analysis of Spectral Characteristics of a Superconducting Integrated Receiver", Journal of Communications Technology and Electronics, 2006, Vol. 51, No. 5, pp. 596-603. Original Russian Text © V.P. Koshelets, A.V. Khudchenko, 2006, published in Radiotekhnika i Elektronika, Vol. 51, No. 5, pp. 633-640, 2006)

A6] A.B. Худченко, «Исследование спектральных характеристик сверхпроводникового интегрального приемника», «Нелинейный Мир», т.4, №6, с 339-340, 2006.

А7] P. Yagoubov, R. Hoogeveen, М. Torgashin, A. Khudchenko, V. Koshelets, N. Suttiwong, G. Wagner, M. Birk, "550-650 GHz spectrometer development for TELIS", The 17th International Symposium on Space Terahertz Technology, Paris, May 2006, Conference Proceedings ISSTT 2006, report FR3-3.

A8] V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, A.V. Khudchenko, O.S. Kiselev, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, P.A. Yagoubov, R.W.M. Hoogeveen, and W. Wild, "Integrated Submillimeter Receiver for TELIS", "IEEE Trans, on Appl. Supercond. ", vol. 17, pp. 336-342, 2007.

A9] A.V. Khudchenko, V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, P.A. Yagoubov, and O.M. Pylypenko, "Cryogenic Phase Detector for Superconducting Integrated Receiver", "IEEE Trans, on Appl. Supercond.", vol. 17, pp. 606-608, 2007.

A10]B. П. Кошелец, Л.В.Филиппенко, В. Б. Борисов, П.Н.Дмитриев, А. Б. Ермаков, О. С. Киселёв , И.Л.Лапицкая, А. С. Соболев, М.Ю. Торгашин,

А. В. Худченко, П.А. Ягубов, «Интегральный сверхпроводниковый бортовой спектрометр для мониторинга атмосферы.», Известия ВУЗов «Радиофизика», т. L, № 10-11, стр. 935-940, 2007.

All]Патент на изобретение №2319300 "Широкополосная система фазовой автоподстройки частоты для криогенного генератора" с приоритетом от 21.11.2006, авторы: Кошелец В.П., Худченко А.В., Дмитриев П.Н. Зарегистрировано в государственном реестре изобретений РФ 10.03.2008.

А 121 А.В. Худченко, В.П. Кошелец, П.Н.Дмитриев, А.Б.Ермаков, О.М. Пилипенко, «Криогенная система фазовой автоподстройки частоты», «Нелинейный Мир», т.5, №5, с 343-344, 2007.

ГА131 А.В. Худченко, В.П. Кошелец, П.Н.Дмитриев, А.Б.Ермаков, О.М. Пилипенко, «Криогенный фазовый детектор», «Нелинейный Мир», т.6, №4, с 284-285, 2008.

А 141 А.В. Худченко, В.П. Кошелец, П.Н.Дмитриев, А.Б.Ермаков, «Криогенный фазовый детектор», «Радиотехника и электроника», т.53, №5, с 624-629, 2008. (A.V. Khudchenko, V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, А.В. Ermakov "A cryogenic phase detector for a cooled wideband phase-lock loop system", Journal of Communications Technology and Electronics, vol. 53, No. 5, pp. 594-599, 2008.)

ГА151 A.V. Khudchenko, V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, O.M. Pylypenko, and P.A. Yagoubov, "Cryogenic Phase Locking Loop System for Flux-Flow Oscillator", Proceedings of the 19th International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT-08), vol 2, pp. 511-515, 2009.

A16]Valery P. Koshelets, Andrey B. Ermakov, Pavel N. Dmitriev, Lyudmila V. Filippenko, Andrey V. Khudchenko, Nickolay V. Kinev, Oleg S. Kiselev, Alexander S. Sobolev, Mikhail Yu. Torgashin, "Phase-locked Local Oscillator for Superconducting Integrated Receiver", Proceedings of the 19th International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT-08), vol 1, pp. 211-220, 2009.

ГА171 A.B. Худченко, В.П. Кошелец, П.Н.Дмитриев, А.Б.Ермаков, «Криогенная система фазовой автоподстройки частоты для сверхпроводникового генератора гетеродина», «Нелинейный Мир», т.7, №3, с 222-223, 2009.

ГА181 A.V. Khudchenko, V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, O.M. Pylypenko "Cryogenic Phase Locking Loop System for Flux Flow Oscillators", Extended Abstracts of the International Superconductive Conference ISEC'2009, HF-P17, Fukuoka, Japan, June 2009

ГА191 A.V. Khudchenko, V.P. Koshelets, P. N. Dmitriev, A. B. Ermakov, P A Yagoubov and О M Pylypenko, "Cryogenic Phase Locking Loop System for Superconducting Integrated Receiver", Superconductor Science and Technology, vol. 22, No8, 2009.

1. А.В. Соколов, Е.В. Сухонин, Ослабление миллиметровых волн в толще атмосферы, Итоги науки и техники Сер.Радиотенхника, т.20, 1980.

2. В.Н. Пожидаев, Возможности применения терагерцевого диапазона радиоволн, Радиотехника, т.5, с. 5, 2006.

3. S. Cherednichenko, М. Kroug, Н. Merkel, P. Khosropanah, A Adam, EKollberg, DLoudkov, G Gol'tsman, В Voronov, HRichter, HHuebers, 1.6 THz heterodyne receiver for the far infrared space telescope, Physica C., v. 372-376, part 1., pp. 427-431.

4. K. Suto and J. Nishizawa, Widely Frequency-Tunable Terahertz Wave Generation and Spectroscopic Application, International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 26 (7), p. 937-952., 2005.

5. P.H. Siegel, THz Applications for Outer and Inner Space, 7th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, p. 1-4., 2006.

6. Проект SMA Submillimeter Array. - Сайт в Интернете — http://www.cfa.harvard.edu/sma/, 2009.

7. Проект SOFIA Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. — Сайт в Интернете - http://www.sofia.usra.edu/, 2009.

8. Проект HERSCHEL. Сайт в Интернете -http://www.esa.int/science/herschel, 2009.

9. B.M. Fischer, М. Walther, Р Uhd Epsen, Far-infrared vibrational modes of DNA components studied by terahertz time-domain spectroscopy, Physics in Medicine and Biology, 47 (21), p. 3807-3814, 2002.

10. John F Federici, Brian Schulkin, Feng Huang, Dale Gary, Robert Barat, Filipe Oliveira and David Zimdars, THz imaging and sensing for security applications—explosives, weapons and drugs, Semiconductor. Science and Technology;v. 20, S266-S280, 2005.

11. P.H. Siegel, Terahertz technology in biology and medicine. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Volume: 52, Issue: 10, pp. 2438- 2447,2004.

12. T.W. Crowe, R.J. Mattauch, H.P. Roser, W.L. Bishop, W.C.B. Peatman, and X. Liu, GaAs Schottky Diodes for TFIz Mixing Applications, Proc. IEEE., vol. 80., pp. 1827-1841., 1992.

13. S.S. Gearhart, J. Hesler, W.L. Bishop, T.W. Crowe, and G.M. Rebeiz, A Wide-band 760-GHz Planar Integrated Schottky Receiver, IEEEMicrowave and Guided Wave Lett., vol. 3., pp. 205-297, 1993.

14. Hesler J.L, Crowe T.W., WeikleR.M., Bradley R.F., Pan S.K., and Chattopadhyay P., The Design Construction and Evaluation of a 585 GHz Planar Schottky Mixer, Proceedings of the 6th International Symposium on

15. Space Terahertz Technology, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA, p. 34, 1995.

16. А.Б.Зорин, Предельная чувствительность СВЧ-смесителей на основе сверхпроводниковых переходов / Зорин А.Б., Лихарев К.К // Радиотехника и электроника, вып. 6., с. 1200-1204, 1985.

17. Zorin А.В. Quantum Noise in SIS Mixers / Zorin A.B. // IEEE Trans Magn., v. 21., p. 939-942, 1985.

18. Tucker J.R., Quantum detection at millimeter wavelengths / Tucker J.R., Feldman M.J. IIRev. Mod. Phys., v. 4., pp. 1055-1113, 1985.

19. Uzawa Y. Performance of all-NbN quasi-optical SIS mixers for the terahertz band / Uzawa Y., Wang Z., Kawakami A., Miki S. // Proc. 12 Int. Symp. Space Terahertz Technol. San Diego, USA. - Feb., 2001

20. Karpov A., Blondell J., Voss M., Gundlach K.H., Four photons sensitivity heterodyne detection of submillimeter radiation with superconducting tunnel junctions, IEEE Trans on Appl. Superconductivity., v. 5, No 2., pp. 3304-3307, 1995.

21. J. Zmuidzinas Quasi-optical slot antenna SIS mixers, J. Zmuidzinas, and H. G. LeDuc, IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech., v. 40., pp. 17971804, 1992.

22. J. Zmuidzinas Low-noise slot antenna SIS mixers, J. Zmuidzinas, N. G. Ugras, D. Miller, M. Gaidis, H. G. LeDuc, J. A. Stern, IEEE Trans, on Appl. Superconductivity., v. 5, No. 2., p. 3053, 1995.

23. Проект ALMA Сайт в Интернете -http://www.almaobservatorv.org/index.php. 2009.

24. Е. М. Gershenzon, G. N. Gol'tsman, Yu. P. Gousev, A. I. Elant'ev, and A. D. Semenov Electromagnetic Radiation Mixer Based on Heating in Resistive State of Superconductive Nb and YBaCuO Films, IEEE Trans, on Mag., vol. 27, no. 2.-pp. 1317-1320., 1991.

25. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, Integrated Superconducting Receivers, Superconductor Science and Technology, v. 13. pp., R53-R69, 2000.

26. Кошелец В.П., Шитов C.B., Филиппенко Л.В., Дмитриев П.Н., Ермаков А.Б., Соболев А.С., Торгашин М.Ю, Интегральные сверхпроводниковые приемники субмм волн, Известия высших учебных заведений "Радиофизика", Том .46, №8-9, стр. 687-702, 2003.

27. Koshelets V.P., Shitov S. V., Dmitriev P. N., et al., Physica C., v. 367. p. 249, 2002.

28. Shitov S. V., Koshelets V.P., Ermakov A. B;, et' al. // IEEE Trans. Appl. Supercond., v. 13, No. 2., p. 684, 2003.40.: А.Бароне, Дж.Патерно. Эффект Джозефсона. Физика и применения. -М, "Мир", 1985.

29. В.В.Шмидт «Введение в физику сверхпроводников», МЦНМО, 2000.

30. V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, P.N. Dmitriev, A.S. Sobolev, A.M. Baryshev, P.R. Wesselius, J. Mygind, "Radiation linewidth of flux flow oscillators", Superconductor Science and Technology, v. 14, pp. 1040 1043, 2001.

31. V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.N. Mashentsev, A.S. Sobolev, V.V. Khodos, A.L. Pankratov, V.L. Vaks, A.M. Baryshev, P.R. Wesselius, and J. Mygind, Linewidth of Josephson flux flow oscillators, Physica C., 372-376., pp. 316-321,2002.

32. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, A.V. Shchukin, L.V. Filippenko, J. Mygind, and A.V. Ustinov, "Self-Pumping Effects and Radiation Linewidth of Josephson Flux Flow Oscillators", Phys Rev B, vol. 56, p. 5572-5577, 1997

33. N.N. Iosad, N.M. van der Pers, S. Grachev, M. Zuiddam, B.D. Jackson, M. Kroug, P.N. Dmitriev, and Т. M. Klapwijk, "Texture formation in sputter-deposited (Nb0.75Ti0.3)N thin films", Journal of Applied Physics, vol. 92, no. 9, pp. 4999-5005, 2002.

34. N. N. Iosad, N. M. van der Pers, S. Grachev, M. Zuiddam, B. D. Jackson, M. Kroug, P. N. Dmitriev, and Т. M. Klapwijk, "Texture Related Roughness of

35. Nb,Ti)N Sputter-Deposited Films", "IEEE Trans, on Appl. Supercond.", vol. 13, no. 2, pp. 3301-3304, 2003.

36. Z. Wang, A. Kawakami, Y. Uzawa, B. Komiyama, "Superconducting properties and crystal structures of single-crystal niobium nitride thin films deposited at ambient substrate temperature", J. Appl. Phys., vol. 79, p. 7837,1996.

37. Z. Wang, A. Kawakami, Y. Uzawa, B. Komiyama, "High critical current density NbN/AlN/NbN tunnel junction fabricated on ambient temperature MgO substrates", Appl. Phis. Lett., vol. 64, no. 15, pp. 2034-2036, 1994.

38. Z. Wang, A. Kawakami, Y. Uzawa, "NbN/AlN/NbN tunnel junction with1. SJcurrent density up to 54 кА/спГ", Appl. Phis. Lett., vol. 70, no. 1, pp. 114-116,1997.

39. Z. Wang, Y. Uzawa, A. Kawakami, "High current density NbN/AlN/NbN tunnel junction for submillimeter wave SIS mixers", IEEE Trans, on Appl. Supercond., vol. 7, no. 2, pp 2797-2800, 1997.

40. A. Kawakami, Z. Wang, S. Miki, "Low-loss epitaxial Nb/MgO/NbN trilayers for THz application", IEEE Trans, on Appl. Supercond., vol. 11, no. 1, pp 80-83, 2001.

41. Есепкина H.A., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н., Радиотелескопы и радиометры., М: Наука, 1973.

42. S. AlBanna, R. Brito, В. Shillue, ALMA 1st LO Photonic Reference: Status of Phase Drift Measurements, 2005. Доступно в Интернете на сайте -http://www.tuc.nrao.edu/~bshillue/E2EPhaseDriftStatusRevB.doc. 2009.

43. В. Линдсей, Системы синхронизации с связи и управлении, Советское радио, 1978.

44. В.В. Шахгильдян, А.А. Ляховкин, Фазовая автоподстройка частоты, Связь, 1996.

45. F.M. Gardner, Phaselock Techniques, John Wiley & Sons, 1979.

46. I. Giaver, "Energy Gap in Superconductors Measured by Electron Tunneling", Phys. Rev. Lett., vol. 5, pp. 147-148, 1960.

47. I. Giaver, "Photosensitive Tunneling and Superconductivity", Phys. Rev. Lett., vol. 20, pp. 1286-1289, 1968.

48. B.C. Владимиров, Уравнения математической физики, Наука, 1985.

49. E.C. Вентцель, JI.А. Лавров, теория случайных процессов и ее инженерные приложения, М: издательский центр «Академия», 2003.

50. А.Н.Тихонов, А.В.Гончарский, В.В.Степанов, А.ГЛгола, Регуляризующие алгоритмы и априорная информация, Наука, 1983.

51. Tikhonov, A., Goncharski, A., Stepanov, V., & Kochikov, I., Sov. Phys — Doklady, 32, p 456, 1987.

52. V.I. Gelfgat, E.L. Kosarev, E.R. Podolyak. Comput. Phys. Commun. V.74. P.335, 1993.

53. Starch J. L., Pantin E., Murtagh F., «Deconvolution in Astronomy: A Review», Publications of the Astronomical Society of the Pacific., V. 114. N.799.P 1051.2002.

54. K.K. Лихарев «Введение в динамику джозефсоновских переходов», Москва, «Наука», 1985.

55. P. N. Dmitriev, A. B. Ermakov, A. G. Kovalenko, V. P. Koshelets, N. N. Iosad, A. A. Golubov, M. Yu. Kupriyanov, "Niobium Tunnel Junctions with Multi-Layered Electrodes", IEEE Trans, on Appl. Supercond., vol. 9, pp. 3970-3973, 1999.

56. А.С. Кингсеп, Г.Р. Локшин, О.А. Ольхов, Основы физики, т.1, Физматлит, 2001.

57. Tucker J.R., "Quantum Limited Detection in Tunnel Junction Mixers", IEEE J. Quantum Electron., V. QE-15,No. 11, pp. 1234-1258, 1979.

58. Tien P.K., Gordon J.P., "Multiphoton Process Observed in the Interaction of Microwave Fields with the Tunneling Between Superconductor Films", Phys. Rev., v. 129, No. 2, pp. 647-651, 1963.

59. J.R. Tucker, "Predicted Conversion Gain in Superconductor-insulator-superconductor Quasiparticle mixers", Appl. Phys. Lett., v. 36, No. 6, pp. 477479, 1980.

60. A.H. Dayem, R.J. Martin, "Quantum interaction of microwave radiation with tunneling between superconductors", Phys. Rev. Lett., 8, pp. 246-248, 1962.

61. Christophe Risacher, Victor Belitsky, "GaAs HEMT Low-Noise Cryogenic Amplifiers from C-Band to X-Band with 0.7K/GHz Noise Temperature", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 13, no. 3, March 2003.

62. A.L. Pankratov, V.L. Vaks, and V.P. Koshelets, J. Appl. Phys. 102, 0639, 2007.

63. Tarasov, M.; Stepantsov, E.; Lindstrom, Т.; Kalabukhov, A.; Ivanov, Z.; Claeson, Т., "Antenna coupled planar arrays of Josephson junctions", Physica C, v 372-376, pt.l, p 355-9., 2002.

64. J.E. Nordman, Superconductive amplifying Device using fluxon dynamics, Superconductor Science and Technology, 8, pp 681-699, 1995.