Системы сверхпроводниковых туннельных переходов в качестве элементов приемных СВЧ устройств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

'

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

ШИТОВ Сергей Витальевич , 'С,

. С"

СИСТЕМЫ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИЕМНЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ

(01.04.03 - радиофизика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1992

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН, г. Москва.

Научные руководители: — доктор технических наук,

профессор Выставкин А.Н., - доктор физико-математических наук Кошелец В. П.

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук,

профессор Гольцман Г.Н. — кандидат физико-математических наук Куликов В.А.

Ведущая организация - Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород.

24 12 30

Защита состоится апреля 1992 г. в час. мин. н

заседании специализированного совета Д.002.74.02 в ИРЭ РАН п

адресу: г. Москва, 103907, Моховая ул., д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институт радиотехники и электроники РАН.

Автореферат разослан " _марта

1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета

к. т.н.

Голубцов М.Г.

1. Общая характеристика работы.

ть темы^ В 1978 г. были получены первые экспериментальные результаты по преобразованию частоты на квазичастичной нелинейности туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС-переходов), которые показали, что СИС-переходы открывают новые перспективы создания приемников для спектральных измерений, в частности, для радиоастрономии в миллиметровом (ММ) и суб^иллиметровом (СБМА\) диапазонах длин волн [1-3]. Новые приборы обладали лучшими параметрами чем традиционные смесительные диоды с барьером Шоттки или диоды супер-Шоттки (за счет полного отсутствия сопротивления растекания и существенно меньшей потребляемой мощности гетеродина), а также превосходили джозефсоновские смесители на точечных контактах как за счет меньшей шумовой температуры, так и за счет лучшей стабильности. К 1980 г. была в основном разработана теория СИС-смесителей, работающих в квантовом режиме, и были предсказаны уникальные свойства новых приборов [4, 5]. Наиболее привлекательной чертой СИС-переходов является возможность их использования для гетеродинного преобразования с усилением. В принципе, это позволяет надеяться на реализацию практических ММ и СБММ приемников для спектрометрии с мгновенной полосой обзора в несколько ГГц и чувствительностью, лежащей у порога квантовых шумов = М/к.

Однако реализация уникальных свойств СИС-смесителей затруднена тем, что СИС-переход обладает низким входным и высоким выходным импедансом, а также значительной емкостью, присущей туннельной прослойке толщиной лишь 1-2 ни. В связи с этим реализация высоких параметров смесителей требует нетривиальных технологических и электродинамических решений, наиболее перспективным из которых является, как подтвердили самые последние исследования, объединение СИС-переходов в интегральные настроенные системы.

Целью диссертационной работы являлось разработка, создание и экспериментальное изучение систем, включающих несколько СИС-переходов с интегральными элементами настройки, для смесителей мм волн. Исследования были ориентированы на использование переходов на основе ЫЬ, обладающих высокой стабильностью. Разработка системы расчета параметров смесительного элемента, исходя из его экспериментальной ВАХ, позволила производить отбор СИС-структур.

В качестве электродинамической задачи исследования было вы—

брано направление оригинального соединения СИС-переходов в системы с параллельным смещением и интегральными элементами компенсации собственной емкости, позволяющие достигнуть наилучшего согласования как по входу, так и по выходу, и за счет этого реализовать высокую чувствительность приемных устройств [4]. Системы разрабатывались для испытаний в волноводных смесителях; они были испытаны также в квазиоптических интегральных структурах.

Научная новизна определяется наиболее существенными результатами, полученными в данной работе:

-впервые экспериментально исследовано влияние особенностей вольт-амперных характеристик СИС-переходов на основе пленок ЫЬ на процесс гетеродинного преобразования частоты в миллиметровом диапазоне волн (ММДВ);

-предложена новая аналитическая апроксимация вольт-амперных характеристик (ВАХ); на ее основе проведен численный анализ процессов преобразования частоты с учетом влияния особенностей ВАХ переходов на основе тугоплавких материалов;

-впервые были экспериментально исследованы цепочки СИС-переходов с параллельным включением по постоянному току; сравнение с традиционными последовательными цепочками продемонстрировало ряд преимуществ новых систем;

-разработано несколько новых типов структур с интегральными цепями компенсации емкости, содержащих 2Ы или 2Ы+1 СИС-переходов, включенных параллельно по постоянному току;

-разработана, создана и испытана система для точного измерения параметров сверхмалошуйящих смесителей, позволяющая измерять шумовые температуры в 6 мм диапазоне длин волн на уровне единиц градусов Кельвина;

—разработана и экспериментально подтверждена концепция построения оптимальных компенсированных систем туннельных переходов; на ее основе созданы смесительные элементы, на которых в диапазонах длин волн 3 и 6 мм были получены значения шумовой температуры смесителей всего вдвое превышающие «квантовый предел» = Ы/к в этих частотных диапазонах.

0E3.iiIiliiiS.iS2 ценность. Основным итогом диссертационной работы является углубление знаний об особенностях процессов преобразования частоты на сверхпроводниковых туннельных переходах и повышение предельной чувствительности приемных устройств на их основе.

Разработанные в диссертации методы анализа СИС-переходов на

основе пленок тугоплавких материалов и концепция построения оптимизированных систем могут быть использованы (и уже используются) для создания приемников ММДВ и СММДВ с чувствительностями, лежащими у порога квантовых шумов = hf/k, а также для построения других приборов сверхпроводниковой электроники СВЧ (детекторы, генераторы, умножители частоты, переключающие устройства и т.д.).

Наиболее существенным практическим результатом явилась разработка нескольких моделей смесителей в диапазонах длин волн 3 и 6 мм с рекордными параметрами и сравнительно простой технологией изготовления смесительных блоков (волновод полного сечения, один настроечный элемент). На их основе разработан и впервые в отечественной практике экспериментально испытан в полевых условиях на радиотелескопе РТ-25х2 НИРФИ макет СИС-радиометра. В диапазоне длин волн 3 мм в лаборатории получены рекордные шумовые температуры приемника (на теплый вход - менее 20 К). Температурная чувствительность полевого радиометра на частоте 101 ГГц в полосе 500 МГц составила AT = 0,005 К в видеоканале шириной 1 Гц.

Положения^ выносимые на защиту

1. Экспериментально показано, что вольт-амперные характеристики СИС-переходов на основе пленок ниобия при воздействии СВЧ излучения описываются соотношением Тьен-Гордона. Разработана и впервые успешно применена аналитическая зависимость, позволяющая с высокой точностью апроксимировать ВАХ СИС-переходов с коленообразной особенностью. Это позволило решить проблему численных экспериментов по моделированию работы СИС-смесителей на основе пленок тугоплавких материалов.

2. Впервые экспериментально и численно продемонстрировано, что смесители с использованием пленок ниобия могут обладать более высокой эффективностью преобразования по сравнению с переходами на мягких материалах за счет существования коленообразной особенности ВАХ таких СИС-переходов.

3. Впервые экспериментально и численно продемонстрировано, что цепочки СИС-переходов, содержащие N переходов, включенных параллельно по постоянному току, но последовательно по току СВЧ, имеют мощность насыщения и эффективность преобразования не меньше, чем традиционные цепочки, содержащие N таких же переходов, включенных последовательно по постоянному и СВЧ току.

4. Разработан и впервые экспериментально исследоЕан новый способ интеграции СИС-переходов в настроенную систему. Разработана

и экспериментально подтверждена концепция оптимального построения цепочек СИС-переходов для смесителей мм волн. В диапазонах 6 и 3 мм продемонстрированы значения шумовой температуры смесителей всего вдвое превышающие «квантовый предел» = hf/k.

5. На основе оптимизированных систем СИС-переходов разработаны и экспериментально испытаны лабораторные макеты СИС-приемников с рекордно низкими шумовыми температурами (менее

20 К).

Апробация £аботы^_ Основные результаты работы докладывались на научных семинарах ИРЭ РАН, кафедры криогенной электроники МГУ, в ИПФ РАН, на семинарах физического факультета и факультета прикладной электронной физики Чалмерского технологического университета (г. Гетеборг, Швеция), а также на научных конференциях:

-Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости, Ленинград, 1984 г.;

-16 Международном симпозиуме по низкотемпературной физике и криоэлектронике, Иена, ГДР, 1984 г.;

-Всесоюзной конференции «Радиоастрономическая аппаратура», Ереван, 1985 г.; 1989 г.;

-Всесоюзной конференции «Интегральная электроника СВЧ», Красноярск, 1988 г.;

-Международной конференции по микроволновой технике, Пекин, Китай, 1989 г.;

-20 Европейской конференции по технике миллиметровых волн, Будапешт, Венгрия, 1990 г.;

-Международной конференции по прикладной сверхпроводимости (3 раза), США: Балтимор, 1986 г.; Сан-Франциско, 1988 г.; Сноу-Масс, 1990 г.;

-XXIV Европейской конференции молодых радиоастрономов, Гетеборг, Швеция, 1991 г.;

-Международной конференции по сверхпроводниковой электронике (3 раза), Япония: 1987 г., 1989 г.; Шотландия, Глазго, 1991 г.;

Результаты настоящего исследования опубликованы в 27 печатных работах.

Ст£укту£а_и_объем_2аботы^_ Диссертация состоит из Предисловия, восьми глав и Заключения. Объем работы составляет 158 страниц печатного текста, 87 рисунков и 4 таблицы. Библиография содержит 153 наименования.

II. Содержание работы.

§_0ё£М£££51!!! обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель работы, приведены краткие данные о структуре работы и содержании отдельных глав.

В_глаЕе_1 приведен краткий обзор литературы, в котором рассмотрены общие вопросы применения СИС-переходов и методы расчета смесителей на их основе. Приводятся современные данные о параметрах широкополосных СИС-приемников в сравнении с приемниками на охлаждаемых смесителях на диодах с барьером Шоттки в диапазоне 1астот до 400 ГГц [6]. Из приведенных данных следует, что лучшие "ИС-приемники имеют чувствительность в 2-3 раза выше.

Рассмотрена полупроводниковая модель СИС-перехода и процесс гуннелирования с участием квантов СВЧ излучения, поясняющие уника-тьные свойства квантового режима преобразования частоты с усилени-:м [3-5, 7, 8]. Акт поглощения СИС-переходом кванта СВЧ излучения : энергией ЬГ сопровождается туннелированием квазичастицы (электрона), который в выходной цепи вызывает увеличение постоянного медленного) тока. При этом энергия, выделяемая в выходной цепи, .южет превосходить энергию кванта СВЧ. Другими словами, усиление юзникает из-за значительной разности входного и выходного импе-1ансов смесителя: входной импеданс СИС-перехода определяется кван-•овыми эффектами, а выходной - классическим дифференциальным юпротивлением и может значительно превышать входной. Квантовый :арактер процессов определяет минимум собственного шума идеального ]ИС-смесителя, который, при определенных условиях, может быть даже гиже значения М/2к [9].

Приведены линеаризованные эквивалентные схемы СИС-смесителя и фоиллюстрирован модуляционный принцип преобразования частоты, :оторый приводит в практически интересных случаях к результатам, овпадающим с вычисленными по трехчастотной модели [8]. Приведены юновные соотношения для импедансов и токов, в том числе для .вантовой реактивной компоненты СВЧ тока. Рассмотрены общие ехнологические и электрофизические требования к переходам, |редназначенным для СВЧ применений [10].

В разделе, посвященном экспериментальным устройствам и мето-;ам их разработки, рассмотрены методы масштабного моделирования олноводных СИС-смесителей и их элементов [11], приведены совре-[енные данные о цепочках последовательно соединенных

СИС-переходов, с помощью которых можно повысить мощность насыщения смесителя [12]. Анализируются их преимущества и недостатки. Особое внимание уделено интегральным настроечным элементам [13] и современной классификации систем СИС-переходов с такими элементами. Отмечено, что наилучшие шумовые температуры приемников были получены на цепочках последовательно включенных переходов, в том числе, с интегральными элементами компенсации емкости отдельных переходов и составили 23—40 К в двухполосном режиме в диапазоне длин волн 3 мм [6, 14]. В конце главы на основе проведенного анализа литературы формулируется постановка задачи, обосновывается выбор цели исследования и средства решения поставленных задач.

Следует отметить, что значительная часть упоминаемых данных была опубликована в период выполнения диссертационной работы, а к началу ее выполнения в 1983 г. многие исследования находились на начальном этапе.

Глава_2 посвящена анализу особенностей ВАХ СИС-переходов на основе тугоплавких материалов, которые рассматриваются в качестве базовых элементов для дальнейшего исследования [А1-АЗ]. Приведены экспериментальные данные по сравнению удельных емкостей переходов с естественным окисным барьером МЬОх и искусственным барьером А10 , полученные по измерению резонансов волн Свихарта [15, 16] в переходах с размером 10x40 мкм и параметром Я Б = 1000 Ом-мкм . Анализируется влияние коленообразной особенности (КО) ВАХ, имеющей участок отрицательного дифференциального сопротивления и вызванной эффектом близости в области барьера [17], на смесительные свойства в режиме перехода от классического режима преобразования к квантовому на частотах 38 и 72 ГГц [А5]. Экспериментально были получены участки отрицательного импеданса на квазичастичных ступенях ВАХ, которые не могли быть интерпретированы в рамках известных экспериментальных данных, как влияние импеданса источника гетеродина. Продемонстрировано, что наличие КО позволяет расширить область частот, в которой реализуется квантовый режим. В связи с этим обсуждается вопрос о применимости соотношения Тьен-Гордона [7, 8] к ВАХ с (КО) в рамках известных методик расчета параметров СИС-смесителей. Приводятся экспериментальные данные, позволяющие утвердительно ответить на этот вопрос.

Глава_3 посвящена обсуждению результатов численного

моделирования СИС-смесителей с использованием ВАХ экспери-

iентальных переходов. Разработка аналитического параметрического ыражения для апроксимации ВАХ с КО, позволила провести численное юделирование эффективности преобразования, а также расчитать нумовые температуры смесителя и приемника [All, А19]:

Aj + A2V A5exp(-(V+A6)2/A|) + Ag+ AgV

(V) = _75__v __

l+exp(-(A3V +A4)2m) 1 + exp(-(A10- A3V)2n)

1сходными данными для расчета параметров приемника являлись: экс-1ериментальная ВАХ, полученная с помощью автоматизированной систе-1Ы сбора и обработки данных, емкость С СИС-структуры с учетом :нтегральных цепей настройки, частота гетеродина f, импедансы сточника гетеродина RLQ и сигнала Rs, потери во входных цепях, лумовая температура тракта ПЧ Тпц, физическая температура Т. 'езультаты расчетов могли быть представлены в виде линий равного силения и равной шумовой температуры в координатах нормированной ющности гетеродина и нормированного импеданса источника гетероди-а. Такое представление позволяет оценить как потенциальные возмо-<ности устройства, так и устойчивость выбранного режима. Для срав-ения с экспериментальными данными использовались расчитанные ависимости эффективности преобразования от напряжения смещения, оторые продемонстрировали хорошее качественное и удовлетворитель-ое количественное совпадение.

В выражении (1) коэффициент А5 определяет величину КО на ВАХ !ИС-перехода. Взяв Ag = 0 можно «убрать» КО и получить из (1) ависимость характерную для СИС-переходов на мягких материалах. >ыли проведены численные эксперименты, которые подтвердили, что в пределенных условиях наличие КО приводит к возрастанию ффективности преобразования СИС-смесителя, а также улучшает шумо-ую температуру приемника. В результате расчета для эксперимен-альной ВАХ перехода типа Nb-NbOx~Pb+Bi среднего качества был олучен оптимальный режим с шумовой температурой смесителя 15 К и силением +5 дБ в однополосном режиме на частоте 45 ГГц. Расчетная ]умовая температура приемника с таким смесителем и Тпц = 14 К оставила менее 30 К-

Глава_4 посвящена исследованию новых систем из N параллельно ключенных по постоянному току СИС-переходов, в качестве льтернативы традиционным цепочкам из последовательно включенных ереходов. Традиционные цепочки используются с целью одновременно

- s -

облегчить согласование по входу, сделать его более широкополосным,

о

а также с целью повысить мощность насыщения смесителя в N раз [А9, А10]. Однако при последовательном включении не удается достигнуть одинакового оптимального напряжения на всех переходах в системе, т.к. вседа существует конечный разброс параметров. Требования к малости разброса тем жестче, чем ниже частота и чем выше дифференциальное сопротивление в рабочей точке (чем выше потенциальная эффективность смесителя!). При этом дифференциальное сопротивление может составлять 500 Ом и выше, что затрудняет эффективное согласование выхода смесителя со стандартными линиями ПЧ.

В новых системах переходы также включены последовательно по СВЧ сигналу, но на всех переходах поддерживается равное оптимальное напряжение смещения за счет высокой индуктивности цепей смещения, выполненных в виде длинных сверхпроводящих линий шириной около 10 мкм. Выходной импеданс параллельной цепочки при этом уменьшается за счет параллельного включения переходов по относительно низкочастотному выходному сигналу, что также облегчает согласование с трактом ПЧ. На частоте 38 ГГц были измерены уровни насыщения квантовых пиков преобразованного сигнала для смесителя с новыми и традиционными системами, содержащими 13 одинаковых переходов. Амплитуда квантовых пиков выходного сигнала (эффективность преобразования) для параллельных цепочек оказалась выше, а процесс насыщения резче при равных уровнях входного сигнала.

Проведенный численный анализ показал, что разброс параметров, вызывающий уменьшение эффективности преобразования на 3 дБ, для параллельных цепочек может достигать ±50% в то время, как для традиционных цепочек эта величина имеет порядок hf/eVg (около 5% на частоте 38 ГГц).

Глава 5 посвящена анализу влияния собственной емкости СИС-переходов на эффективность согласования с источником сигнала. Влияние емкости С удобно характеризовать параметром Г = 2m"'CR Некомпенсированная емкость перехода приводит к уменьшению вход-

о

ного импеданса R j« 1/(1+Г ) и не только затрудняет согласование, но увеличивает влияние потерь в элементах механической настройки f цепях подвода сигнала [A4]. Для эффективной компенсации емкости туннельного слоя индуктивный элемент должен быть расположе! вблизи перехода, т.е. должен быть в интегральном исполнении. Бьи исследован ряд компенсирующих элементов как на основе сверхпроводящих микрополоскоиых линий (СМПЛ), так и на двухпроводных пленом-

ных (квази-щелевых) линиях.

Экспериментальное измерение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) компенсированной системы на основе одиночного перехода и отрезка разомкнутой на конце СМПЛ длиной (2 800 мкм) и ши-

риной 10 мкм было проведено в режиме прямого детектирования монохроматического амплитудно модулированного излучения в диапазоне частот 30-55 ГГц. Особенность измерений заключалась в прямом сравнении различных АЧХ, получаемых при изменении длины СМПЛ для одного и того же образца. Подгонкой параметров в теоретическом выражении для формы резонансной кривой удалось уточнить параметры экспериментальной структуры: ^Эфф и pw для СМПЛ, собственную емкость СИС-перехода С, а также его импеданс в режиме детектора.

Исследования другого типа индуктивности — замкнутой на конце двухпроводной линии - были проведены с использованием масштабного моделирования на частотах 100-1000 МГц. Теоретическое рассмотрение в приближении овальных силовых линий электрического и магнитного поля позволило провести аналитическое интегрирование и вычислить приближенные значения погонных емкости и индуктивности. В результате было получено простое аналитическое приближение для волнового сопротивления pw такой линии, применимость которого подтвердилась в модельных экспериментах [А19]:

ГуГ0 1п( 1+ п/р)

V- V _

р *,= У—-:-— (2)

* * е0(1+е) /л(1+ тгр)

Здесь р - отношение ширины полосок, которые предполагаются одинаковыми, к зазору между ними. Описанные линии были применены в системах, в которых компенсирующие элементы совмещали функцию цепей параллельного питания. На основе такого совмещения был разработан прототип смесительного элемента из двух переходов, включенных параллельно по постоянному току за счет сверхпроводящей компенсирующей индуктивности. В районе резонансной частоты, определяемой компенсирующей индуктивностью и емкостью двух последовательно включенных переходов, такая система должна обладать максимальной чувствительностью [А4]. На основе описанной элементарной ячейки был разработан принцип построения нескольких типов систем из 2N и 2№-1 переходов. За счет наличия гальванической связи между переходами, такие системы представляют собой сложные, в случае произвольных частот - распределенные системы. Были найдены уело-

вия, при которых в районе заданной частоты систему можно рассматривать как набор невзамодействующих низкодобротных резонансных контуров, эквивалентный параллельной цепочке из переходов с нулевой емкостью [А22-А24]. Таким образом в описанных системах удается, сохранив положительные черты традиционных цепочек, улучшить следующие параметры:

-кардинально снизить влияние разброса параметров переходов; -улучшить согласование смесителя по выходу; -компенсировать влияние собственной емкости. Дополнительным преимуществом двухпроводной компенсации является отсутствие гальванической развязки [13], что делает систему переходов похожей на квантовый интерферометр постоянного тока, и позволяет слабыми магнитными полями подавить ступени Шапиро [3, 8], нежелательные в СИС-смесителях, в особенности в СММД.

Глава_6 посвящена обоснованию концепции оптимально

согласованных систем СИС-переходов с интегральными элементами компенсации емкости. Эта концепция исходит из возможности выбора оптимальных параметров для. систем, описанных в предыдущей главе, и может быть проиллюстрирована следующими рассуждениями.

Для заданной частоты { можно вычислить [8] нормированное на Ип значение входного импеданса г для СИС-перехода данного типа и стандартного качества. Численным методом, описанным в главе 3, определяем нормированное на дифференциальное (выходное) сопротивление г<1 СИС-перехода в оптимальном режиме. Задавая теперь им-педансы источника сигнала и нагрузки а также полосу согласования А1={/Г, мы можем найти как нужное количество N переходов в цепочке, так и параметры одиночных переходов ее составляющих -размер б и удельное сопротивление туннельной прослойки кото-

рое обратно пропорционально плотности туннельного тока:

М2 = (^/^(г/г) (3)

Г = уг = 2л1-С1?г, = 2л^уд(51уг (4)

С помощью приведенных зависимостей можно оценить параметры проектируемых систем при условии, что для переходов выполняется ряд простых условий. 1) Условие квантового режима (высокая крутизна ВАХ в районе напряжения У^):

ЗУ^/е (5)

2) Амплитуда гетеродина V | на переходе задана и ее нормированное

значение а = eVfj/hf = 1. При этом нормированный импеданс СИС-перехода в диапазоне частот 40-120 ГГц практически линейно зависит от частоты:

г = 0,004-f [ГГц], (6)

а нормированный выходной импеданс rd = 5. Условие 2) вполне оправдано, т.к. оно примерно соответствует краю заданного частотного диапазона (Г = 1) и, следовательно, параметры системы внутри него будут не хуже. В работе привены графические зависимости на которых отмечены точки, использованные при разработке экспериментальных систем, на которых были продемонстрированы рекордные параметры.

Последовательное включение M параллельных цепочек (из N переходов каждая) позволяет расширить динамический диапазон смесителя 2 2

в N -М раз, так же как и для последовательной цепочки из N-M

переходов. Однако разброс параметров среди M параллельных систем 1/2

будет в N раз меньше чем для отдельных переходов в последовательной цепочке. Системы, построенные по описанному принципу были, среди прочих, испытаны в 6 мм диапазоне длин волн.

Глава_7 содержит экспериментальные данные о тестировании смесителей в диапазоне 37-53 ГГц на основе различных систем СИС-переходов с компенсацией емкости [А17-А19]. Испытания проводились в жидком гелии при температуре 4,2 К. Для получения хорошей точности измерения шумовой температуры малошумящих СИС-смесителей была создана специальная измерительная система с низкими уровнями шумовой мощности. В качестве калиброванных источников шума на СВЧ и ПЧ в системе использовались согласованная волноводная и коаксиальная нагрузки, имеющие К.СВН на уровне 1,1-1,5. Такой уровень КСВН обеспечивал точность измерения шумовой температуры приемника (Т^) и шумовой температуры системы ПЧ (Тпц) в пределах ±10% от физической температуры нагрузок. Нагрузки находились в жидком гелии рядом со смесителем и усилителем ПЧ и были заключены в вакуумные объемы, что позволяло менять их физическую температуру в пределах 4,2 - 100 К. Время температурной релаксации составляло около 20 сек. Проведенные исследования показали, что калибровка тракта ПЧ с помощью нагреваемой нагрузки ПЧ без заметной потери точности может быть заменена на калибровку с помощью дробового шума СИС-перехода при напряжениях больших щелевого. В работе приводятся технические подробности конструкций смесителей и измерительных нагрузок переменной температуры.

В начале исследований была разработана и использовалась сме-

сительная камера на волноводах 2,6x5,2 мм, имеющая 2 настроим бесконтактного типа. Такая конструкция позволяла производит! согласование волновода полного сечения и образцов с импедансам) менее 10 Ом. Мгновенная ширина полосы согласования при этом измерялась по чувствительности к монохроматическому сигналу гетеродин; и по уровню -3 дБ обычно не превосходила 1 ГГц. При f = 1,5 ГП это означает однополосный режим приема. В более поздних исследованиях, вследствие применения структур с оптимизированными импедан-сами, стала применяться смесительная камера с единственной настройкой — бесконтактным цилиндрическим поршнем. Однако, как показал: исследования [18] расширение полосы согласования дальше определенных пределов приводит к насыщению высокоэффективных СИС-смесителей. В работе приведена сводная таблица, которая содержи основные данные 10 испытаний смесителей с различными структурами содержащими от 1 до 8 переходов типа Nb-NbO-Pb+Bi и Nb-A10 -Nb

A q Л

типичным размером одиночных переходов S = 10 мкм [А16]. При тестировании с помощью нагреваемой нагрузки были получены шумовы температуры приемника на «холодном» фланце T^(SSB) = 5+3 К : смесителя TM(SSB) = 3±2 К на частоте 45 ГГц. Эти значения находятся вплотную к уровню квантового предела для шума линейных усилителей hf/2k, который составляет на частоте 45 ГГц около 1,2 К. Н вход смесителя мог быть подключен лучевод сечения 10x23 мм и измерена шумовая температура на теплом входе. Шумовая температура при емника на теплом входе составила T^(SSB) = 18+5 К.

Глава_8 содержит данные о экспериментальном исследовани смесителей и лабораторных приемников в диапазоне 64-118 ГГ [А22—А27]. Часть испытаний разработанных смесителей проводилась рамках сотрудничества с Чалмерским технологическим университета (Швеция, г. Гетеборг) с использованием оборудования университета.

Было проведено несколько серий исследований волноводных сме сителей с системами на переходах типа Nb-A10 — Nb с типичным разме

г 2

ром S = 1,5 мкм каждый. Первая серия включала испытания оптимизи рованных систем из 10 и 11 переходов. Измерения проводились в па pax гелия при температуре 4,5-5 К. Смеситель на волновода 1,2x2,4 мм имел две настройки. Сигнал и гетеродин подавались н вход смесителя по квазиоптическому тракту, а на выходе использо вался НЕМТ-усилитель с шумовой температурой около 7 К и полоса 3,2-4,2 ГГц. В этой серии измерений на частотах гетеродина 102 106 ГГц была получена TR(DSB) = 19,5 ± 5 К на теплый вход прием

ника и Т^ББВ) = 6 ± 3 К, что всего вдвое выше значения Ы/2к равного 2,7 К на этих частотах. Вторая серия измерений проводилась в заливном криостате, описанном в главе 7, при температуре смесителя 4,2 К и Тпч = 8-10 К. В этой серии была реализована ТдфБВ) = 10 ± 5 К в районе частот 82 и 100 ГГц. Смеситель имел один настроечный элемент и при ! = 1,5 ГГц продемонстрировал усиление около 4 дБ [А22-А24]. Полоса перестройки составила около 50 ГГц. Третья и четвертая серии измерений были аналогичны первой, но проводились на смесителях с одной настройкой, используемой для режекции зеркального канала на уровне -15 дБ. В третьей серии использовались системы из 10 и 11 переходов, а в четвертой — из 4 и 5. Была продемонстрирована чувствительность на уровне Т^ББВ) = 16-40 К при полосе перестройки около 30 ГГц. На сегодня описанные результаты являются рекордными в диапазоне длин волн 3 мм [19].

Были проведены также испытания смесителя в составе приемника с криогенной системой замкнутого цикла при температуре 4,5 К. Системы подобного типа удобны для практического использования, т.к. имеют ресурс непрерывной работы, измеряемый многими месяцами и даже годами. Однако, в машинах замкнутого цикла существует заметный уровень вибраций и колебаний температуры. Проведенные испытания продемонстрировали стабильную работу приемника со смесителем на структуре из 5 переходов на уровне Т^ББВ) = 60 К и неравномерностью ±1 дБ в диапазоне частот 84-116 ГГц. Параметры приемников практически не изменялись при переустановке смесительных элементов из одной камеры в другую и обратно. Исследование зависимости параметров приемника от уровня охлаждения показало, что повышение температуры корпуса смесителя выше 5 К ведет к резкому возрастанию шумовой температуры, а охлаждение ниже 4,5 К практически не улучшает шумовых параметров. Несмотря на то, что были проведены лишь первые тесты и, по ряду причин, существует значительный резерв для роста чувствительности, полученные параметры соответствуют одним из лучших для практических устройств 3 мм диапазона длин волн.

В работе приводятся данные о серии тестов оптимизированных систем в составе интегрального смесителя Б^УРОБ, в котором входная щелевая антенна, трансформатор импеданса и собственно смесительный элемент формировались методом напыления на кварцевой подложке размером 15x24 мм и толщиной 80 мкм. В такой системе, где отсутствуют какие-либо настроечные элементы, была получена Т„(05В) =

210110 К в районе частоты 80 ГГц. Подробный анализ результатов показал наличие избыточного шумового сигнала, возможного вследствие дефектов квазиоптической линии подвода сигнала.

В работе приведена сводная таблица испытаний 13 различных типов смесителей в составе полных приемников с теплым входом.

Исследования макета радиометра на радиотелескопе РТ-25х2 НИРФИ [А25-А27] явились первыми экспедиционными испытаниями СИС-приемника в отечественной практике. Калибровки и радиоастрономические наблюдения проводились со штатной системой облучателей телескопа, включавшей диаграммный модулятор. Ряд проведенных тестов показал, что имеется существенный резерв роста чувствительности. Шумовая температура приемника на системе облучателей составила Tsys(DSB) = 140 К на частоте 101 ГГц в то время, как на входном

фланце криостата было измерено Tn(DSB) = 40 К. Измерения темпера-

к

турной чувствительности в этом режиме дали значение ДТ = 0,005 К в широком канале 500 МГц. В узком спектральном канале 100 кГц около частоты 115,2 ГГц (спектральная линия СО) была получена чувствительность на уровне 2 К в видеоканале шириной 1 Гц.

В процессе тестирования были обнаружены свидетельства насыщения приемника в режиме максимальной чувствительности шумовым сигналом £ 300 К, что, скорее всего, объясняется широким спектром, перенесенным на ПЧ и отсутствием каких-либо ограничителей внеполосного сигнала [18]. Наряду с этим был продемонстрирован режим измерения сигнала от Солнца (Т £ 2000 К) без насыщения входного смесителя. Насыщения удастся избежать за счет правильного выбора режима по мощности гетеродина.

§_3ак£1!2чении приводятся основные результаты исследований:

1. Экспериментально показано, что ВАХ СИС-переходов на основе пленок ниобия, имеющие характерную особенность, при воздействи.. СВЧ излучения описываются соотношением Тьен-Гордона. Предложена аналитическая зависимость, позволяющая с высокой точностью апрок-симировать ВАХ таких переходов. Разработана лабораторная методика расчета параметров смесителей, использующая экспериментальные ВАХ СИС-переходов.

2. Экспериментально показано, что в СИС-смесителе с использованием переходов на основе пленок ниобия легче реализуется квантовый режим преобразования за счет существования коленообразной особенности ВАХ таких переходов.

3. Экспериментально показано, что цепочки СИС-переходов,

содержащие N переходов, включенных параллельно по постоянному току, но последовательно по току СВЧ, имеют мощность насыщения не меньше, чем традиционные цепочки, содержащие N таких же переходов, включенных последовательно по постоянному и СВЧ току. Продемонстрировано, что такое соединение позволяет кардинально уменьшить влияние разброса параметров по сравнению с цепочкой последовательно соединенных переходов. Это открывает возможность повышения степени интеграции СИС-переходов микронного и субмикронного размеров.

4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена новая концепция построения цепочек СИС-переходов для смесителей мм волн, в которых переходы включены паралельно по постоянному току и току выходного сигнала, но последовательно по входному СВЧ сигналу с помощью цепей, выполняющих функцию интегральных элементов компенсации емкости. Использование новой концепции позволило оптимизировать основные параметры цепочек СИС-переходов и в лабораторных условиях создать приемники с рекордными параметрами.

5. Создана лабораторная система для точного измерения шумовых параметров СИС-смесителей при температуре жидкого гелия, позволившая измерить шумы СИС-смесителей близкие к уровню квантовых флуктуаций hf/k .

6. В диапазоне длин волн 6 мм экспериментальный СИС-приемник, измеренный на входном («холодном») фланце продемонстрировал шумовую температуру примерно в два раза выше, чем квантовый уровень шума на соответствующих частотах.

7. В результате проведенных исследований разработаны, созданы и испытаны СИС—смесители, которые могут быть использованы в составе криогенных приемников 6 и 3 мм диапазонов длин волн при охлаждении до температур 4-5 К. Экспериментальные гетеродинные приемники с такими смесителями продемонстрировали рекордные чувствительности на «теплых» входах: 18-60 К SSB в диапазоне длин волн 6 мм и 16-40 К SSB в диапазоне длин волн 3 мм.

8. В результате проведенных исследований разработан, создан и испытан на радиотелескопе РТ-25х2 СИС-приемник диапазона 64-118 ГГц. Двухполосная шумовая температура собственно приемника была 20-60 К. Флуктуационная чувствительность радиометра на частоте 101 ГГц составила 0,005 К при мгновенной полосе 500 МГц в видеоканале шириной 1 Гц. Флуктуационная чувствительность спектрометра в районе входной частоты 115,2 ГГц составила около 2 К в канале

100 кГц при однополосном режиме приема. Проведены радиоастрономические наблюдения планет, а также молекулярных облаков в созвездии Орион на частоте 115,2 ГГц. Продемонстрированы режимы широкого динамического диапазона, позволяющие проводить наблюдения Солнца (Т = 2000 К) без насыщения входного СИС-смесителя.

III. Публикации по теме диссертации.

AI. Выставкин А.Н., Губанков В.Н., Константинян К.И., Кошелец В. П., Шитов C.B. Исследование СВЧ свойств сверхпроводящих туннельных переходов в режиме квазичастичного туннелирования. // Труды Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости, Л-д, 1984, Т. 2, С. 8-10.

А2. Выставкин А.Н., Губанков В.Н., Константинян К.И., Кошелец В.П., Шитов C.B. Преобразование частоты в мм-диапазоне длин волн на сверхпроводящих туннельных переходах в режиме квазичастичного туннелирования.// Тезисы Всесоюзной конференции "Проблемы интегральной СВЧ электроники", Л-д, 1984, С. 211-212.

A3. Белицкий В.Ю., Выставкин А.Н., Кошелец В.П., Овсянников Г.А., Серпученко И.Л., Шитов C.B. СИС переходы из тугоплавких материалов для смесителей мм волн.// Труды 16-го Международного симпозиума по низкотемпературной физике и криоэлектронике, ГДР, 1984, С. 18-33.

A4. Белицкий В.Ю., Кошелец В.П., Овсянников Г.А., Шитов C.B. Детектор СВЧ. // Авторское свидетельство No. 12708679, 1984. В сборнике "Открытия. Изобретения", 1986, No 42.

А5. Выставкин А.Н., Кошелец В.П., Овсянников Г.А., Серпученко И.Л., Шитов C.B. Преобразование частоты на квазичастичной нелинейности переходов типа Nb-A^Og-Nb.// Письма в ЖТФ, 1985, Т. И, С. 290-295.

А6. Выставкин А.Н., Кошелец В.П., Овсянников Г.А., Серпученко И.Л., Шитов C.B. Преобразование частоты на туннельных переходах Nb-A^Og-Nb. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура", Ереван, 1985, С. 186-188.

А7. Белицкий В.Ю., Выставкин А.Н., Губанков В.Н., Кошелец

B.П., Тарасов М.А., Шитов C.B. Смесители 4-мм диапазона длин волн на сверхпроводниковых туннельных переходах.// Тезисы 15 отраслевой н-т конференции, Л-д, 1985, С. 84-85.

А8. Кошелец В. П., Овсянников Г. А., Серпученко И. Л., Шитов

C.B. Преобразование частоты на. цепочках СИС переходов. // Тезисы

конференции молодых ученых по актуальным вопросам физики., Ереван, 1985, С. 6-7.

А9. Belitsky V.Yu., Gubankov V.N., Koshelets V.P., Dvsyannikov G.A., Serpuchenko I.L., Shiiov S.V., Tarasov M.A., Vystavkin A.N. Refractory Material SIS Junction Structures.// IEEE Trans on Magn., 1987, V. MAG-23, No.2, P. 684 - 687.

Л10. Koshelets V.P., Kovtonyuk S.A., Ovsyannikov G.A., Serpuchenko I.L., Shitov S.V., Vystavkin A.N. Refractory Material Superconducting Structures for MM Wave Receivers.// Extended \bstracts of ISEC-87, Tokyo, Japan, 1987, P. 111-113.

All. Ермаков Ан.Б., Кошелей В.П., Серпученко И.Л., Шитов С.В. Эффективность преобразования частоты в мм диапазоне длин волн на 2ИС-переходах с коленообразной особенностью.// Тезисы докладов 1 Зсесоюзной конференции молодых ученых, Ереван, 1988, С.65-66.

А12. Выставкин А.Н., Ермаков Ан.Б., Кошелец В.П., Серпученко 1.Л., Филиппенко Л.В., Шитов С.В. Туннельные переходы из Nb, (зготовленные по методу SNAP, для приемников миллиметровых волн.// >зисы докладов Всесоюзной конференции «Интегральная электроника :ВЧ», Красноярск, 1988, С. 6.

А13. Belitsky V.Yu., Ermakov An.В., Kaplunenko V.K., Khabipov Л. I., Koshelets V. P., Likharev К. K-. Matlashov A. N.. Mukhanov ).A., Semenov V.K., Serpuchenko I.L., Shitov S.V., Vystavkin I.N., Zhuravlev Yu.Ye. Preparation and Investigation of Integrated iuperconducting Structures for Signal Detection and Data 'rocessing.// Proceedings of the 15th USSR-Japan Electronics ymposium on New Materials for Electronic Devices, 1988, P.221-244.

A14. Ermakov An. В., Koshelets V. P., Serpuchenko I.L., illipenko L.V., Shitov S.V., Vystavkin A.N. SNAP Structures with lb-AIOx~Nb Junctions for MM Wave Receivers.// IEEE Trans on Magn., 989, V. MAG-25, No.2, P. 1060-1063.

A15. Ermakov An. В., Koshelets V.P., Serpuchenko I.L., Shitov .V., Vystavkin A.N. Nb-A10x~Nb Junctions Structurtes for MM Wave eceivers. // Proceedings of ICMWIT, China 1989, P.264-267.

A16. Ermakov An.В., Koshelets V.P., Kovtonyuk S.A., erpuchenko I.L. Shitov S.V., Vystavkin A.N. Investigation of the [b-A10x~Nb Junctions and MM Wave Mixers. // Extended Abstracts of SEC-89, Tokyo, Japan, 1989, P. 294-297.

Л17. Кошелец В.П., Шитов С.В. Малошумящий СИС-смеситель на иапазон 6 мм.// Тезисы XXI Всесоюзной конференции

«Радиоастрономическая аппаратура», Ереван, 1989, С.149-150.

А18. Ермаков Ан.Б., Шитов С. В. Расчет СИС-смесителя.// Тезисы XXI Всесоюзной конференции «Радиоастрономическая аппаратура», Ереван, 1989, С. 151-152.

А19. Выставкин А.Н., Ермаков Ан.Б., Кошелец В.П., Шитов С.В. Малошумящий смеситель диапазона 43-50 ГГц на СИС-переходах.// Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1990, Т.З, №8, С. 17261737.

А20. Belitsky V.Yu., Filippenko L.V., Koshelets V.P., Serpuchenko I.L., Tarasov M.A., Shitov S.V. Superconducting Tunnel Junction Noise Generator and SIS Mixer Noise Measurements.// 20th European Microwave Conference Proceedings, 1990, V.l, P.816-820.

A21. Ermakov An. В., Koshelets V.P., Kovtonjuk S.A., Shitov S.V. Parallel Biased SIS Arrays for MM Wave Mixers: Main Ideas and Experimental Verification.//IEEE Trans, on Magn., 1990, V. MAG-27, No. 2, P. 2642-2645.

A22. Шитов С.В., Кошелец В.П., Ковтонюк С.А., Ермаков Ан.Б. Цепочки СИС-переходов с параллельным смещением для приемников мм волн. // Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1991, т. 4, No. 10, С. 2023-2033.

А23. Ermakov An. В., Koshelets V.P., Kovtonjuk S.A., Shitov S.V., Whyborn N.D. and Lindstrom C.-O. Ultralow Noise 100 GHz Receiver Based on Parallel Biased SIS Arrays.// Extended Abstracts of Third International Superconductive Electronics Conference, Glasgow, June 1991, P.542-545.

A24. Shitov S.V., Koshelets V.P., Kovtonjuk S.A., Ermakov An.В., Whyborn N.D. and Lindstrom C.-O. Ultra-low-noise 100 GH2 Receiver Based on Parallel Biased SIS Arrays.// Supercond. Sci, Technol., 1991, V. 4, P. 406-408.

A25. Ermakov An. В., Koshelets V.P., Kovtonjuk S.A., Shitov S.V. Ultra Low Noise SIS-receiver for MM Wave Radio Astronomy.// Abstracts of XXIV Young European Radio Astronomers Conference Chalmers University of Technology, Gothenburg, August 1991.

A26. Шитов С.В., Кошелец В.П., Ковтонюк С.А., Ермаков Ан.Б. Барышев A.M. Малошумящий приемник на 100 ГГц на цепочках СИС-переходов с параллельным смещением.// В сборнике тезисов Украинского симпозиума "Физика и техника ММ и СУБММ радиоволн" октябрь 1991.

А27. Шитов С.В., Вдовин В.Ф., Зинченко И.И., Кошелец В.П.

арасов М.А., Чернышов В.И. Испытания радиометра с СИС смесителем а радиотелескопе РТ-25х2: препринт №309 Института прикладной 1ИЗИКИ РАН, 1992, г. Нижний Новгород.

Цитированная литература:

1. Richards P.L., Shen Т.М., Harris R.E., Lloyd F.L. luasiparticle Heterodyne Mixing in SIS Tunnel Junctions. // Appl. hys. Lett., 1979, V. 34, P. 345-346.

2. Dolan G.J., Phillips T.G., and Woody D.P. Low Noise 115 IHz Mixing Superconducting Oxide Barrier Tunnel Junctions. // ppl. Phys. Lett., 1979, V. 34, P. 347-349.

3. Gundlach K.H. Principles of Direct and Heterodyne •etection with SIS Junctions. // NATO ASI Series, V. F59, uperconducting Electronics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg,

989, P. 259-284.

.4. Tucker J.R. Quantum Limited Detection in Tunnel Junction \ixers. // IEEE J. Quantum Electron., 1979, V. QE-15, No 11, . 1234-1258.

5. Tucker J.R. Predicted Conversion Gain in Superconductor insulator-superconductor Quasiparticle mixers. // Appl. Phys. ett., 1980, V. 36, No .6, P. 477-479.

6. Kerr A.R. and Pan S.-K- Some Recent Developments in the •esign of SIS Mixers. // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves,

990, V. 11, No. 10, P. 1169-1187.

7. Tien P.K., Gordon J.P. Multiphoton Process Observed in the nteraction of Microwave Fields with the Tunneling Between uperconductor Films.// Phys. Rev., 1963, V.129, No.2, P.647-651.

8. Tucker J.R., Feldman M.J. Quantum Detection at Millimeter /avelenghts. // Rev. of Mod. Phys., 1985, V. 4. P. 1055-1113.

9. Зорин А.Б., Лихарев K.K. Предельная чувствительность СВЧ-месителей на основе сверхпроводниковых переходов. // Радиотехника

электроника, 1985, Вып. 6, С. 1200-1204.

10. Basavaiah S., Greiner J.H., Zappe Н.Н., and Singer S.J. Measurements of Device Parameters on Large Arrays of Josephson nterferometers.//J. Appl. Phys., 1980, V.51, No. 3, P.1702-1710.

11. Raisanen A.V., McGrath W.R., Grete D.G., and Richards '.L. Scaled Model Measurements of Embedding Impedances for SIS /avequide Mixers. // Int. J. Infrared and MM Waves, 1985, V. 6, No 2, P. 1169-1189.

12. McGrath W.R., Raisanen A.V., and Richards P.L. Accurate Noise Measurements of Superconducting Quasiparticle Array Mixers. // IEEE Trans, on Magn., 1985, V. MAG-21, No 2, P. 212-215.

13. Kerr A.R., Pan S.K., Feldman M.Y. Integrated Tunning Elements for SIS Mixers. // Int. J. of Infrared and MM Waves, 1988, V.9, P. 203-212.

14. Ogava H., Mizuno A., Hoko H., Ishikawa H., and Fukui Y. A 110 GHz SIS Receiver for Radio Astronomy. // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves, 1990, V. 11, No. 6, P. 717-726.

15. Swihart J.C. Field Solution for a Thin-Film Superconducting Transition Line.//J. Appl. Phys., 1961, V.32, P. 461-469.

16. Fiske M.D. Temperature and Magnetic Field Dependence ol the Josephson Tunnelling Current. // Rev. Mod. Phys. 1964, V.36, P.461-469.

17. Голубов A.A., Куприянов М.Ю., Лукичев В.Ф. Теория эффект* Джозефсона в туннельных структурах SNIS и SNINS. // ФНТ, 1984, Т, 10, С. 789-795.

18. D'Addario L.R. Saturation of the SIS Mixer by Out-of-Banc Signals. // IEEE Trans. MTT, 1988, V. 36, No. 6, P. 1103-1105.

19. V/engler M.J. Submillimeter Wave Detection with Superconducting Tunnel Diods. // Proceedings of the IEEE, Submitted ir 1991.

Подписано в печать 16.03.1992 г.

Формат 60x84 I/I6. Объем 1,16 усл.п.л. Тира- 100 окз. КРЭ РАН. Sai:. Б 30.