Сверхпроводниковые усилители СВЧ на основе сквидов постоянного тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ПРЕДИСЛОВИЕ: П. 1. Объекты исследования.

П.2. Постановка задачи. Научная значимость 7 и новизна результатов.

П.З. План изложения.

П.4. Вопросы авторства и публикация 11 полученных результатов

П. 5. Основные положения, выносимые на 13 защиту.

П. 6. Аннотация

Глава 1.

ВВЕДЕНИЕ

Обзор литературы)

Сквиды как элементы сверхпроводниковой электроники. Области применения. Физические основы работы сквидов. Принцип 19 квантовой интерференции. Флуктуации и предельная чувствительность.

Усилители на основе сквидов постоянного тока. Особенности тестирования сквид-усилителя. Предельные параметры: шумы, полоса, уровень насыщения

Постановка задачи исследования.

Глава 2.

Применение принципов масштабного моделирования в конструировании сквид-усилителя на частоту 4 ГГц. Выбор параметров сквида как отправная

Глава 3.

3.5 Глава 4. точка моделирования. Таблица параметров. Принцип масштабного моделирования.

Теоретические основы и условия применимости.

Конструкция масштабной модели и ее варианты. Схема СВЧ эксперимента. Оптимизированная модель и ее параметры, пересчитанные к реальному прибору. Выводы по Главе 2.

Численное моделирование сквид-усилителя. 63 Известные модели сквид-усилителя, обоснование выбора.

Программное обеспечение и численные методы исследования.

Общая эквивалентная схема сквид-усилителя 69 на 4 ГГц и ее особенности. Принцип замещения. Роль выходных фильтров. Результаты численного моделирования.

Усиление, полоса, шумы.

Выводы по Главе 3.

Конструкция сквид-усилителя на частоту

Концепция однокаскадного и двухкаскадного 84 усилителей с интегрированным источником шума.

Особенности конструкции входных и выходных цепей. Вложенная катушка, ее параметры. Конденсаторы, их конструкция и параметры. Выходные фильтры. Технология изготовления. Существующие ограничения (компромиссные решения). Технологическая карта.

Корпусной вариант усилителя ПЧ в стандарте 105 SMA.

Выводы по Главе 4.

Глава 5.

Экспериментальное исследование сквидусилителя

Экспериментальная установка для измерения 111 параметров СКУ. Схема эксперимента. Методика обработки полученных результатов.

Диапазон, усиление, шумы, согласование входа и выхода (в зависимости от параметров сквида и конструкции выходных цепей). Измерение мощности насыщения (в зависимости от параметров сквида). Возможность параметрического преобразования в сквид-усилителе. Сравнение полученных результатов с результатами масштабной модели и численными расчетами (определение параметров). Оценка паразитных параметров. Выводы по Главе 5.

Глава 6.

Сравнительный анализ сквид-усилителя и полупроводниковых усилителей. Выводы по Главе 6.

Глава 7 Проблемы и перспективы развития сквидусилителей.

7.1 Проблема эффективного согласования. 148 Предлагаемые решения. Оптимизация входа и выхода. Коэффициент включения по входу. Выходные фильтры.

7.2 Проблема увеличения динамического 158 диапазона. Связь с параметрами сквида (на основе экспериментальных данных). Предлагаемые решения.

7.3 Проблема повышения частоты и 160 коэффициента усиления. Существующие ограничения и предлагаемые решения.

7.4 Широкополосный усилитель для 161 радиоастрономии. Концепция построения, схема, топология.

7.5 Усилитель для средств связи на ВТСП. 167 Предлагаемые решения и ожидаемые параметры.

7.6 Выводы по Главе 7.

Открытие в 60-х годах эффекта Джозефсона [1] привело к созданию нового раздела электроники - сверхпроводниковой электроники гелиевого уровня охлаждения и более низких температур вплоть до нескольких десятков мК. В последние годы рабочий диапазон температур был существенно расширен за счет появления высокотемпературной сверхпроводниковой электроники, работающей при температурах выше жидкого азота. Низкий уровень шумов, сильная нелинейность джозефсоновских переходов и малые времена переключения сделали возможной разработку на их основе целого ряда радиофизических и цифровых устройств в широком диапазоне частот.

Широкое распространение получили магнитометрические устройства, базирующиеся на сверхпроводниковых квантовых интерферометрах, или сквидах, которые в настоящее время широко применяются в биомедицине, геофизике, физике твердого тела, технике низкочастотной связи, в системах неразрушающего контроля дефектов лопаток турбин и деталей самолетов. Успешное внедрение данных приборов в повседневную практику стало возможным благодаря проведению всесторонних исследований процессов в сквидах и осмыслению накопленного объема полученной информации.

Наиболее успешные практические результаты были достигнуты при использовании джозефсоновских переходы на основе ниобиевой трехслойной технологии изготовления туннельных джозефсоновских переходов (Nb-A10x-Nb). Именно эта технология в настоящее время обеспечивает изготовление устойчивых и высококачественных джозефсоновских переходов, необходимых для создания различных экспериментальных приборов на основе сквидов как в низкочастотном диапазоне, так и в высокочастотной области спектра.

В последние годы большой интерес к исследованиям сквидов (и более сложных структур на их основе) обусловлен возможностью их применения в высокочастотных аналоговых устройствах, например: в усилителях сверхвысокочастотного диапазона. Сквид-усилители одновременно могут обладать как малыми шумами (на уровне квантовых флуктуаций), так и чрезвычайно низкими мощностями потребления. Такие усилители очень перспективны при использовании совместно с другими сверхпроводниковыми устройствами, с которыми возможна их технологическая совместимость: например, полностью сверхпроводниковый интегральный приемник субмиллиметрового диапазона [2] и аналого-цифровой преобразователь [3].

Сверхпроводниковые усилители СВЧ на основе двухконтактного (состоящего из двух джозефсоновских переходов) сквида представляют собой объект исследования, а их практическое конструирование, изготовление и всестороннее изучение их свойств, а также исследование возможности их практического применения, составляют основное содержание данной диссертационной работы.

П.2. Постановка задачи. Научная значимость и новизна результатов.

К 1995-1996 годам, к началу описанных в настоящей диссертации работ автора, были изучены только основные свойства ВЧ («100 МГц) усилителей на основе двухконтактного сквида [4]. Даже теоретически были исследованы далеко не все возможные режимы работы таких усилителей [5], экспериментально была показана только возможность их работы в очень узкой полосе на частотах мегагерцового диапазона при очень малых уровнях входного шумового сигнала [6]. Характеристики таких усилителей были привлекательны только с точки зрения низкого уровня собственных шумов <1 К.

Поэтому основными целями исследований, выполненных автором в период с 1996 по 2002 годы, были:

1 создание сквид-усилителя на основе двухконтактного сквида на центральную частоту 4 ГГц на основе ниобиевой технологии и исследование его радиофизических характеристик;

2 изучение возможности его практического применения в радиоастрономии (как сверхпроводникового усилителя промежуточной частоты для СИС-смесителей); а также в качестве буферного устройства между СИС-смесителем и сверхпроводниковым аналого-цифровым преобразователем (АЦП) или другими цифровыми устройствами сверхпроводниковой электроники.

В проведенных исследованиях условно можно выделить несколько частей, имеющих самостоятельную научную значимость и новизну:

1. создание практической конструкции и экспериментальное исследование интегрального СВЧ усилителя на основе двухконтактного сквида, работающего на центральной частоте 4 ГГц, с шириной полосы более 10% и обладающий усилением по мощности 10-г 12 дБ;

2. создание сквид-усилителя, работающего на частоте 4 ГГц с шумовой температурой TN « 1,0 К при физической температуре Т = 4,2 К;

3. исследование и анализ входных и выходных фильтров сквид-усилителя, поскольку эти цепи определяют возможность согласования (по входу - с СИС-смесителем, по выходу с цифровыми устройствами).

4. экспериментальное исследование механизма насыщения СВЧ сквид-усилителя;

5. исследование возможности создания широкополосного многокаскадного сквид-усилителя с шумами на уровне одного каскада;

Выполнение этих исследований позволило создать уникальный сверхпроводниковый СВЧ усилитель, превосходящий по своим параметрам современный уровень разработок в этом классе приборов.

П.З. План изложения.