СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРИБОР НА ОСНОВЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ СТРУКТУРЫ ИЗ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДОВ
SUPERCONDUCTIVE APPLIANCE BASED ON MULTI-ELEMENT STRUCTURE FROM JOSEPHSON JUNCTIONS

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах, для усиления слабых сигналов СВЧ-диапазона, а также в качестве детектора слабых магнитных полей.
Известен сверхпроводниковый магнетометр на основе джозефсоновских переходов (ДП), реализованный на параллельной цепочке сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов) переменной площади (СКИФ-структура) (патент WO 0125805, Schopohl et al., 12.04.2001; патент WO 2004114463, Oppenlaender J. et al., 29.12.2004). За счет интерференции откликов некратных площадей форма отклика напряжения от приложенного магнитного поля такой СКИФ-структуры имеет один большой минимум в нуле магнитного поля.
Недостатком такого магнетометра является низкое значение выходного импеданса, что затрудняет использование параллельной СКИФ-структуры для высокочастотных устройств. Также СВЧ-устройства на основе параллельной СКИФ-структуры не обеспечивают необходимой линейности усиления сигнала и не позволяют добиться большого сигнала на выходе.
Известен также СВЧ-усилитель, состоящий из ДП (патент RU 2353051 C2, 06.06.2007) на основе линейных цепочек СКВИДов постоянного тока, имеющих повышенный коэффициент усиления и высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала в полосе частот 1-10 ГГц (прототип предлагаемого технического решения).
Устройство-прототип представляет собой широкополосный сверхпроводящий СВЧ-усилитель, который содержит входной элемент, предназначенный для подачи СВЧ-сигнала и преобразования его в магнитный поток, воздействующий на последовательную цепочку двухконтактных СКВИДов; источник постоянного тока смещения, являющийся средством задания режима магнитного поля смещения, подключенный индуктивным образом к каждому из СКВИДов указанной цепочки СКВИДов. Данная последовательная цепочка СКВИДов, образованная из сегментов, подключается к выходному элементу таким образом, чтобы получить на нем суммарное изменение напряжения. Указанные входной и выходной элементы выполнены в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи.
Основными недостатками прототипа являются:
1) уменьшение амплитуды вольт-полевой характеристики, а следовательно, и коэффициента усиления вследствие подавления зависимости критического тока от приложенного магнитного поля из-за проникновения магнитного поля в ДП, которое не учитывалось при моделировании конструкции усилителя;
2) неидеальная развязка входа и выхода из-за конструктивных особенностей электромагнитной связи, которая выполнена на основе связанных параллельно расположенных двухпроводных линий, что приводит к наличию ненулевой взаимной индукции;
3) неоптимальная связь по магнитному полю входной линии со СКИФ-структурой из-за быстрого спадании поля при выходе за пределы двухпроводной линии: поля параллельных проволок вычитаются вне проволок, что уменьшает взаимную индукцию входной цепи и петель СКВИДов;
4) предполагаемая широкополосность отклика трудно осуществима при наличии ограничения на размер СКИФ-структуры - прототип должен иметь размеры больше или порядка длины волны, так как основан на поглощении бегущей волны, при этом по мере затухания волны вклад активных элементов будет падать, в противном случае согласование возможно за счет демпфирующих резисторов, вызывающих неизбежное поглощение (значительной части) сигнала.
Анализ уровня техники, в том числе и прототипа, показывает, что общим недостатком конструкций устройств, выполненных как на основе низкотемпературных металлических, так и купратных сверхпроводников и реализованных как на основе регулярных цепочек СКВИДов, так и нерегулярных СКИФ-структур, является заметное уменьшение амплитуды вольт-полевой характеристики из-за разброса параметров ДП и влияния индуктивностей СКВИДов.
Целью изобретения является:
1) повышение коэффициента усиления и обеспечение высокой линейности отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала сверхпроводящего прибора в полосе частот 0,1-10 ГГц на основе СКИФ-структуры, состоящей из ДП, характеризуемых неизбежно существующим разбросом параметров;
2) оптимизация развязки между входом и выходом с целью предотвращения просачивания входного сигнала на выход устройства;
3) повышение чувствительности устройства за счет оптимизации связи по магнитному полю между входной линией и СКИФ-структурой;
4) повышение помехозащищенности устройства.
J
J
2
3
7-х
Поставленная цель достигается тем, что сверхпроводящий прибор на основе многоэлементной структуры из джозефсоновских переходов, содержащий чип (бикристаллическую подложку), включающий в себя линию задания входного электромагнитного сигнала в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи, предназначенную для подачи СВЧ-сигнала и преобразования его в магнитный поток, и многоэлементную сверхпроводящую структуру из джозефсоновских переходов (ДП), состоящую из последовательного соединения сверхпроводящих двухконтактных квантовых интерферометров (СКВИДов), имеющих некратные площади, представляющих собой сверхпроводящий квантовый интерференционный фильтр (СКИФ-структуру), имеющий повышенный коэффициент усиления и высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала в полосе частот 0,1-10 ГГц, а также выходной элемент, выполненный в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи, согласно изобретению содержит согласующую плату, предназначенную для задания входного электромагнитного сигнала в резонансную цепь СКИФ-структуры на чипе и снятия выходного сигнала с помощью микрополосковой линии и передачи его на выходной коаксиальный разъем, при этом на одной стороне согласующей платы размещены входная и выходная микрополосковые линии, а на другой стороне платы располагается резонатор, выполненный в виде П-образной щелевой линии длиной λ/2, размеры ДП, входящие в многоэлементную сверхпроводящую структуру, удовлетворяют условию: w<4λ, где w - ширина ДП, λ - джозефсоновская глубина проникновения магнитного поля, предложенное решение основано на низкодобротном резонансе в петле входной линии задания входного электромагнитного сигнала, при этом СКИФ-структура располагается внутри петли входной линии, не имеющей демпфирующих элементов, в качестве сверхпроводника использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBaCuO, где Re - редкоземельный металл, а слабая связь образована бикристаллической границей.
Поставленная цель достигается также тем, что согласующая плата выполнена из ламината с двусторонней металлизацией, толщина t и диэлектрическая проницаемость ε материала ламината выбраны обеспечивающими расчетное значение волнового сопротивления СВЧ-линий.
Существо изобретения поясняется на чертежах:
1
n
B
RF
фиг.1 - эквивалентная электрическая схема патентуемого прибора для случая его применения для усиления СВЧ-сигнала, где a…a - площади СКВИДов, входящих в многоэлементную структуру из ДП; I - постоянный ток задания смещения; I- высокочастотный ток, который протекает через линию задания входного сигнала и преобразуется в магнитный поток в контурах СКИФ-структуры; С1 и С2 - емкости подстроечных конденсаторов;
фиг.2 - согласующая плата, где (1) - входная микрополосковая линия, (2) - П-образный щелевой резонатор, (3) - подводящие микрополосковые линии, (4) - выходная микрополосковая линия, (5) - чип со СКИФ-структурой;
0
В
i
i
i
0
фиг.3 - зависимость напряжения V от магнитного потока Ф в СКИФ-структуре; ΔV - максимальный размах характеристики, Ф - квант магнитного потока, Ф - поток смещения, соответствующий рабочей точке, Ф - регистрируемый внешний магнитный поток, равный произведению регистрируемого тока I, протекаемого через линию задания входного сигнала на чипе, и взаимной индукции M между данной линией и СКИФ-структурой, V - отклик СКИФ-структуры на регистрируемый внешний магнитный поток;
фиг.4 - семейство вольт-амперных характеристик (ВАХ) СКИФ-структуры при различных значения приложенного магнитного поля.
J
J
Устройство представляет собой сверхпроводящий прибор, который содержит: (i) чип, включающий в себя линию задания входного электромагнитного сигнала в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи СВЧ-сигнала и многоэлементную сверхпроводящую структуру из ДП, расположенную внутри петли входной линии и состоящую из последовательного соединения СКВИДов, имеющих некратные площади, представляющих собой СКИФ-структуру, имеющую повышенный коэффициент усиления и высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала в полосе частот 0,1-10 ГГц, (ii) согласующую плату, предназначенную для задания входного электромагнитного сигнала в резонансную цепь СКИФ-структуры на чипе и снятия выходного сигнала с помощью микрополосковой линии и передачи его на выходной коаксиальный разъем. Через линию задания также возможна подача постоянного тока смещения для задания рабочей точки. Линейные размеры ДП, входящие в многоэлементную сверхпроводящую структуру, должны удовлетворять условию: w<4λ, где w - линейный размер ширины тонкой пленки ДП, пересекающей бикристаллическую границу, λ - джозефсоновская глубина проникновения магнитного поля. При этом обеспечивается режим работы многоэлементной структуры, определяемый проникновением магнитного поля в ДП, который характеризуется фраунгоферовой зависимостью (типа sin(x)/x) критического тока от приложенного магнитного поля.
На согласующей плате происходит переход от коаксиального разъема на микрополосковую линию, а затем переход на кольцевого резонатор, в разрыв которого может быть включена линия задания СКИФ-структуры. После преобразования (усиления) сигнала СКИФ-структурой сигнал с чипа снимается с помощью микрополосковой линии и подается на выходной коаксиальный разъем.
Предлагаемое техническое решение содержит следующие основные элементы: чип, эквивалентная электрическая схема которого приведена на фиг.1, и согласующую плату, изображение которой представлено на фиг.2. Согласующая плата предназначена для задания входного электромагнитного сигнала в резонансную цепь СКИФ-структуры, расположенную на чипе. На плате происходит переход от коаксиального разъема на микрополосковую линию, а затем переход на кольцевого резонатор, в разрыв которого может быть включена линия задания СКИФ-структуры. Плата выполнена из ламината с двусторонней металлизацией толщиной t=1,0 мм и диэлектрической проницаемостью керамического изолятора ε=9,2, выбранных из условия удовлетворения согласования импедансов многоконтактной СКИФ-структуры и волнового сопротивления микрополосковых линий на согласующей плате, с использованием известных соотношений для полосковых линий передач. Входная (1) и выходная (4) микрополосковые линии находятся на одной стороне двухсторонней платы. На другой стороне платы находится резонатор, выполненный в виде П-образной щелевой линии (2), который возбуждается пересекающим его входной микрополосковой линией (1). Открытый конец микрополосковой линии (1) образует четвертьволновой шлейф, который обеспечивает режим короткого замыкания в плоскости пересечения щелевой линии. Щелевой резонатор (2) полуволновой длины является неизлучающим и не вносит потерь. В силу противофазного возбуждения двух микрополосковых линий (3) в точке их присоединения к чипу (5) токи в них однофазны. После преобразования (усиления) сигнала СКИФ-структурой сигнал с чипа снимается с помощью микрополосковой линии и подается на выходной коаксиальный разъем. Приведенная развязка входа и выхода платы оптимизирована таким образом, что поле входного сигнала и выходной ток не взаимодействуют в силу балансной конструкции сигнальных цепей.
B
RF
k
k
RF
k
k
0
RF
0
Напряжение на СКИФ-структуре обеспечивается заданием тока смещения I. Высокочастотный ток I, протекающий по петле задания входного сигнала, создает в каждом СКВИДе магнитный поток ΔФ=MI, где M - коэффициент взаимной индукции между k-ым СКВИДом (площадью a, k=1…n) и линией задания входного сигнала. Значения емкостей C1, C2 и индуктивности линии задания входного сигнала L определяются из условия резонанса f=1/(2π√(С1+С2)*L) для обеспечения наибольшей амплитуды тока в линии, подключенной к СВЧ-цепи задания сигнала на плате, к которой подключался чип со СКИФ-структурой. При использовании конденсаторов удается реализовать согласование со СКИФ-структурой в полосе 200 МГц (при центральной частоте 1,5 ГГц) при потерях 1,2 дБ.
Предлагаемая конструкция чипа, содержащего СКИФ-структуру, может быть настроена в широком диапазоне частот на полосу, составляющую порядка 20-30% от центральной частоты за счет компромиссного сочетания компактности и резонансных свойств входной цепи, что делает ее более помехозащищенной. Предложенное решение основано на низкодобротном резонансе в петле входной линии задания, при этом СКИФ-структура располагается внутри петли входной линии задания, не имеющей демпфирующих элементов, что означает минимально возможный уровень потерь сигнала.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
i
0
В
i
i
i
i
i
i
i
0
0
Ф
i
Ф
i
C
0
На фиг.3 показан механизм преобразования входного потока Ф в выходное напряжение V при фиксированном значении постоянного магнитного потока Ф. Входной поток Ф=MQV/(Z+R), где M - взаимная индуктивность между петлей задания входного сигнала и СКИФ-структурой, Q - добротность входного резонансного контура, Z - входной импеданс СКИФ-структуры. Выходное напряжение V можно определить из выражения V=VФ, где V=∂V/∂Ф - передаточная характеристика СКИФ-структуры, которая определяется максимальным размахом выходного напряжения ΔV, который пропорционален характеристическому напряжению V ДП, и квантом магнитного потока Ф.
Максимально возможная связь по магнитному полю (чувствительность) осуществляется за счет двух факторов: во-первых, за счет помещения СКИФ-структуры в пучность доля, расположенную между полосковыми линиями, во-вторых, за счет резонансного увеличения тока сигнала во входной цепи, расположенной на согласующей плате.
В рассмотренной конфигурации СКИФ-структуры устройство работает в режиме, когда вольт-полевая характеристика в основном определяется фраунгоферовой зависимостью критического тока отдельных ДП. При этом вклад в величину преобразования магнитного поля в напряжение дают как циркулирующие токи, так и индуцированный магнитный поток. Входной сигнал индуцирует экранирующие токи в сверхпроводящих петлях каждого из элементов СКИФ-структуры. Ток в петле, индуцированный внешним магнитным полем, преобразуется в ток, циркулирующий в ДП. Такая трансформация позволяет обеспечить требуемую индуктивную связь ДП и входного контура, что, в свою очередь, способствует увеличению усиления СВЧ-сигнала.
C
C
N
C
N
C
Мощность насыщения СКВИДа, работающего без обратной связи, пропорциональна величине характеристического напряжения V=IR, где I - критический ток, R - нормальное сопротивление. Использование купратных сверхпроводников позволяет получать ДП с характеристическим напряжением V, которое может достигать 1 мВ уже при азотной температуре.
C
N
Увеличение динамического диапазона может быть получено за счет использования последовательной или параллельной цепочки СКВИДов. Однако технологический разброс параметров ДП (I и R) не позволяет достигать эффективного сложения откликов от всех СКВИДов в цепочке. Эта проблема может быть решена путем применения многоэлементной структуры из СКВИДов, имеющих некратные площади сверхпроводящих петель, так называемые сверхпроводящие квантовые интерференционные фильтры (СКИФы) последовательного или параллельного типов. В основу формирование отклика СКИФа заложено именно условие некратности площади СКВИДов. Динамический диапазон как параллельной, так и последовательной многоэлементной структуры увеличивается с ростом числа N СКВИДов пропорционально
. В последовательной структуре СКВИДов увеличивается амплитуда выходного сигнала и выходной импеданс. Такое увеличение динамического диапазона обеспечивается без следящей цепи обратной связи.
Боковая модуляция на вольт-полевой зависимости подавляется с увеличением числа N СКВИДов в цепочке за счет интерференции откликов отдельных СКВИДов с разными площадями (с разными периодами модуляции откликов), что также приводит к сглаживанию склонов основного пика отклика СКИФ-структуры.
B
На фиг.4 показано семейство ВАХ СКИФ-структуры, состоящей из N=20 последовательно включенных СКВИДов, измеренной при 15 фиксированных значениях приложенного магнитного поля. Вследствие разброса критических токов ДП наблюдаются скачки напряжения, которые обусловлены переходом в резистивное состояние СКВИДов в структуре увеличением тока смещения I. По мере увеличения приложенного магнитного поля ВАХ становится более гладкой.
2
3
7-х
В качестве сверхпроводникового материала использовано соединение редкоземельных купратов с общей формулой ReBaCuO, где Re - редкоземельный металл. Среди купратных сверхпроводниковых ДП наибольшей воспроизводимостью параметров обладают бикристаллические переходы, которые формируются за счет контакта двух монокристаллических частей пленки, кристаллографические оси которых взаимно развернуты на угол 45°>θ>20°, а бикристаллическая граница обладает свойством слабой связи.
Все элементы чипа могут быть выполнены с помощью фотолитографии и размещены на одной диэлектрической подложке. Технология изготовления таких структур известна, поэтому в настоящем описании не приводится. Соединение чипа и согласующей платы обеспечивается известными методом бондирования низкоиндуктивными металлическими проволоками.
Таким образом, технический результат предлагаемого устройства состоит в повышении коэффициента усиления и обеспечении высокой линейности отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала СКИФ-структуры, оптимизации развязки между входом и выходом согласующей платы, повышении чувствительности устройства за счет оптимизации связи по магнитному полю между входной линией и СКИФ-структурой, повышении помехозащищенности устройства.