СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ
SUPERCONDUCTING WIDE-BAND SHF AMPLIFIER

Изобретение относится к криогенной радиотехнике, а именно к усилителям радиочастотного диапазона, и может быть использовано для усиления электрических сигналов в гигагерцовом диапазоне частот.
N
Радиочастотные усилители на основе сверхпроводящих двухконтактных квантовых интерферометров (двухконтактных сквидов) имеют высокую чувствительность и обладают низкой шумовой температурой (T=1…3 K), совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами.
S
S
J
J
Существуют две проблемы, затрудняющие переход к более высоким частотам сигналов 1-10 ГГц при сохранении столь же высоких показателей по усилению и шумовой температуре, делающих эти усилители конкурентоспособными с полупроводниковыми усилителями на транзисторах с высокой электронной подвижностью. Во-первых, сквид-усилители являются особым видом параметрических усилителей, в которых усиление мощности сигнала на его частоте F происходит путем преобразования сигнала на частоту F+F, где F - частота джозефсоновской генерации, и последующего преобразования вниз, снова на частоту сигнала. Исходя из соотношений Мэн-ли-Роу, коэффициент усиления по мощности, G, такого усилителя не превышает:
C
C
Поэтому джозефсоновские переходы сквида должны обладать высоким характеристическим напряжением V, чтобы предельная частота F джозефсоновской генерации
0
S
C
C
J
C
-15
(Ф - квант магнитного потока, равный 2,07×10 Вб), была на несколько порядков выше частоты F сигнала. Для сквидов на основе Nb джозефсоновских переходов типичные значения V не превышают 100-200 мкВ, соответственно, значения F не превышают 100 ГГц. Типичные значения F в рабочей точке примерно на порядок меньше F и, как видно из формулы (1), усиление исчезает для сигналов с частотой порядка 10 ГГц. Соответственно, ухудшаются и шумовые характеристики усилителя.
Второй проблемой для СВЧ-усилителей на основе классических сквидов в частотном диапазоне выше 0,1 ГГц является нелинейный вид вольт-полевого отклика напряжения на задаваемое извне магнитное поле. В мегагерцевом диапазоне частот эти задачи решаются посредством введения эффективной компенсирующей обратной связи, что практически невозможно осуществить в гигагерцовом диапазоне частот.
Описаны различные конструкции и схемотехнические решения сверхпроводниковых усилителей СВЧ-диапазона. В частности, описана схема согласованного усилителя на сквиде с нагрузкой для диапазона до 0,1 ГГц (JP 60247311, Noguchi, оп. 07.12.1985). Однако как рабочий диапазон частот, так и линейность преобразования для усилителей на одиночном сквиде недостаточны для современных приложений.
Для улучшения характеристик предлагалось перейти к усилителям, содержащим большое количество взаимосвязанных сквидов. Последовательная цепочка из регулярно расположенных одинаковых двухконтактных сквидов может быть использована в качестве основного элемента для усиления цифрового или аналогового сигнала, а также в качестве детектора магнитного поля. Нерегулярная цепочка сквидов, имеющих произвольные площади и ориентации интерферометров, представляет собой так называемые сверхпроводящие квантовые интерференционные фильтры (СКИФы), которые также могут использоваться при построении СВЧ-усилителей. Особенность СКИФа вытекает из нерегулярности его структуры: он позволяет получить один центральный максимум вольт-полевого отклика в нуле внешнего магнитного поля.
Так, в изобретении (DE 3936686, Hoenig, 08.05.1991) описан усилитель на матрице сквидов, охлаждаемой жидким азотом, в тонкопленочном варианте, однако указывается, что он может работать до частот 100 МГц. В изобретении (US 6005380, Hubbell Stephen, 21.12.1999) описан усилитель для высокочувствительной антенны с использованием магнито-связанных сквидов, образующих многоэлементную матрицу. Однако такое устройство предназначено для работы в существенно более узком диапазоне частот и характеризуется относительно низкой предельной рабочей частотой - 516 МГц.
Для создания усилителя электрических сигналов с большими значениями выходного тока предлагалось использовать набор параллельно соединенных сквидов постоянного тока (JP 2003209299, Morooka et al., 25.07.2003). Однако это предложение также не рассчитано на работу в гигагерцовом диапазоне.
В изобретении (US 7095227 В2, Tarutani et al., 22,08.2006) описан усилитель на последовательной цепочке сквидов, позволяющий использовать для питания источник постоянного тока и занимающий малую площадь. Однако такое устройство позволяет достичь лишь относительно малой линейности усиления сигнала, не превышающей линейность усиления для одиночного сквида.
Описаны конструкции усилителей-драйверов на основе многоэлементных цепочек из сквидов для диапазона частот до десятка ГГц, преобразующие БОК-импульсы на входе в импульсы напряжения на выходе, величина которых достаточна для дальнейшего использования в цепях полупроводниковой электроники. В изобретении (US 6486756 В2, Tarutani et al., 26.11.2002) цепочка сквидов разбита на изолированные от земли пары. Такое решение позволяет уменьшить паразитные емкости и увеличить предельное быстродействие усилителя, однако усилители-драйверы годятся лишь для цифровых применений и не могут быть использованы для усиления аналогового сигнала. Еще одним примером такого усилителя для БОК-логики является изобретение (US 6917216 В2, Herr Quentin, 14.10.2004). Принцип его действия основан на разделении и последовательности отражений используемого БОК-импульса для получения достаточных значений выходных импульсов напряжения. Но и это предложение рассчитано исключительно на применение в цифровых устройствах.
Параллельная цепочка сквидов переменной площади (СКИФ-структура) в качестве высокочувствительного магнетометра описана (WO 0125805, Schopohl et al., 12.04.2001; WO 2004114463, Oppenlaender J. et al., 29.12.2004). Однако СВЧ-усилитель на основе параллельной СКИФ-структуры не обеспечивает необходимой линейности усиления сигнала и не позволяет, ко всему прочему, добиться значительных значений сигнала на выходе. Недостаточно высокая линейность усиления сигнала характеризует и усилитель на основе последовательной СКИФ-структуры.
Наиболее близким по совокупности признаков к патентуемому усилителю является сверхпроводящий широкополосный СВЧ-усилитель, содержащий подключенную к входной и выходной сверхпроводящим линиям последовательную цепочку двухконтактных сквидов, связанных со средствами задания рабочих режимов тока и магнитного поля (JP 10028021, TAKEDA et al., 27.01.1998 - ближайший аналог).
Анализ уровня техники, в том числе и ближайшего аналога, показывает, что невысокая линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала остается общим недостатком конструкций всех усилителей, выполненных как на низкотемпературных металлических, так и на высокотемпературных оксидных сверхпроводниках и реализованных как на основе регулярных цепочек сквидов, так и нерегулярных СКИФ-структур.
Задачей изобретения является конструкция СВЧ-усилителя на основе линейных цепочек сквидов постоянного тока, имеющего повышенный коэффициент усиления и высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала в полосе частот 1-10 ГГц.
Решение задачи состоит в том, что сверхпроводящий широкополосный СВЧ-усилитель содержит входной элемент, предназначенный для подачи СВЧ-сигнала и преобразования его в магнитный поток, воздействующий на последовательную цепочку двухконтактных сквидов, источник постоянного тока смещения, средство задания режима магнитного поля смещения, подключенное индуктивным образом к каждому из сквидов указанной цепочки сквидов, которая подключена к указанному выходному элементу таким образом, чтобы получить на нем суммарное изменение напряжения с указанной последовательной цепочки сквидов, образованной из сегментов, каждый из которых выполнен с возможностью формирования периодического отклика напряжения на величину магнитного поля смещения, заданного указанным средством задания магнитного поля смещения.
kn
Каждый из сегментов состоит из групп сквидов с одинаковыми эффективными площадями S, удовлетворяющими условию:
kn
k1
S=n·S,
kn
где S - эффективная площадь сквидов n-ой группы в k-сегменте;
k1
S - эффективная площадь сквидов в первой группе k-сегмента;
k=1, 2…K - номер сегмента в цепочке;
n=1, 2…N - номер группы в сегменте,
при этом величина тока смещения источника постоянного тока выбрана из условия обеспечения синусоидального отклика напряжения единичного сквида от величины магнитного поля B смещения, и отклик напряжения n-ой группы k-го сегмента от величины магнитного поля В смещения удовлетворяет условию:
, мВ,
0
k
k1
0
0
-15
где m - число сквидов в n-ой группе, принадлежащей k-му сегменту; V - амплитуда синусоидального отклика единичного сквида; ω=2πS/Ф; Ф=2,07×10 Вб; ΔВ - наперед заданная величина диапазона изменения поля В смещения, в котором обеспечивается линейность усиления, мТл; А - постоянная, определяемая экспериментальным путем, мВ.
Устройство может характеризоваться тем, что число сегментов в цепочке составляет по меньшей мере два, а также тем, что число сквидов в группе составляет 1-100, а также и тем, что число групп сквидов в сегменте составляет 50-100.
T
k
T
k
0
k1
Устройство может характеризоваться и тем, что периодический отклик напряжения на величину магнитного поля смещения устанавливают общим для всех сегментов, а период отклика (B) для k-го сегмента устанавливают в соответствии с условием (В)=Ф/S.
k1
Устройство может характеризоваться, кроме того, тем, что величины площадей S для разных сегментов не являются кратными и выбраны из условия:
0
k1
0
Ф/2ΔВ≥S≥0.01Ф/2ΔВ.
Устройство может характеризоваться также тем, что указанные входной и выходной элементы выполнены в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи, при этом один из контактов каждого сквида цепочки включен в разрыв одного из полосков выходной линии.
Технический результат изобретения состоит в повышении уровня выходного сигнала и линейности закона преобразования входного магнитного сигнала в изменения напряжения на выходном элементе за счет использования многоэлементных джозефсоновских структур, состоящих из последовательно соединенных сквидов, конструкция и характеристики которых в цепочке подобраны определенным образом, описанным в изобретении.
Сложение откликов от составляющих такую цепочку сквидов как раз и позволяет достигнуть требуемого уровня усиления. Улучшение эксплуатационных характеристик предлагаемой структуры достигается, в том числе, и за счет того, что ее отклик от магнитного поля не периодичен, а имеет один ярко выраженный максимум в нуле поля.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где
на фиг.1 представлена структурная схема патентуемого усилителя;
на фиг.2 проиллюстрирован принцип построения цепочки;
на фиг.3 представлено распределение числа сквидов с синусоидальным откликом по значениям их эффективной площади для формирования результирующего периодического отклика;
на фиг.4 - непериодический (а) и периодические (б, в) отклики напряжения от приложенного магнитного поля смещения, соответствующие непрерывному и дискретным распределениям, показанным на фиг.3;
на фиг.5 - принцип формирования дискретного спектра посредством групп сквидов с одинаковыми эффективными площадями;
на фиг.6 - зависимость линейности отклика от числа групп в сегменте;
на фиг.7 показана схема усилителя с использованием сверхпроводящей полосковой линии передачи,
на фиг.8 - то же, что на фиг.7, увеличена область, где находится включенный в выходную линию сквид.
Структурная схема патентуемого усилителя показана на фиг.1. Сверхпроводящий широкополосный СВЧ-усилитель содержит подключенную к входному 10 и выходному 20 элементам последовательную цепочку 30 двухконтактных сквидов 32. Входной элемент 10 содержит цепь 11 индуктивных элементов 12 по числу сквидов 32, имеющих по два джозефсоновских перехода 33. Цепочка 30 подключена к источнику 40 постоянного тока смещения и средству 50 задания режима магнитного поля смещения. Средство 50 представляет собой источник постоянного тока 52, к которому подключены индуктивные элементы 54, каждый из которых связан с единичным сквидом 32. Смещение рабочей точки сквидов 32 может осуществляться и с помощью индуктивных элементов 12, в этом случае источник 52 должен быть включен в цепь 11 индуктивных элементов 12.
На фиг.2 показан принцип построения цепочки 30. Сквиды 32, содержащие два джозефсоновских перехода 33, образующие цепочку 30, соединены последовательно электрическим образом и составляют K сегментов 300.
k
kn
kn
k1
kn
k1
Каждый из сегментов 300 состоит из N групп 310 сквидов с одинаковыми эффективными площадями S (k=1, 2…K - номер сегмента в цепочке; n=1, 2…N - номер группы в сегменте), удовлетворяющими условию S=n·S, где S - эффективная площадь сквидов n-ой группы в k-ом сегменте; S - эффективная площадь сквидов в первой группе k-го сегмента. Под признаком «эффективная площадь сквида» понимается отношение величины попавшего в сквид магнитного потока Ф к величине индукции прикладываемого к сквиду магнитного поля В.
kn
k1
Каждая из групп 310 состоит из m сквидов 32. Эффективные площади S сквидов 32 в группах 310 k-го сегмента 300 кратны площади S сквидов 32 в первой группе 312.
0
T
k
T
k
0
k1
0
-15
Для того, чтобы обеспечить достаточно высокую линейность усиления в гигагерцовом диапазоне частот, где неприменимы стандартные способы увеличения линейности усиления за счет использования систем обратной связи, необходимо с высокой точностью обеспечить периодический отклик V(B) усилителя от магнитного поля в смещения с единственным максимумом в нуле поля. Соответственно, проводится подбор тока смещения сквидов 32 для обеспечения синусоидального отклика напряжения с амплитудой V единичного сквида от магнитного поля В смещения. Далее, K сегментов 300, в соответствии с патентуемым изобретением, должны иметь периодический отклик напряжения сегмента от магнитного поля В смещения. Периодический отклик напряжения устанавливают общим для всех сегментов 300, а период отклика (В) для k-го сегмента устанавливают в соответствии с условием (B)=Ф/S, Ф=2,07×10Вб.
Рекомендуемое число K сегментов 300 составляет порядка десяти, но получить периодический отклик, имеющий множество максимумов, помимо основного, в нуле поля принципиально возможно и с помощью даже одного сегмента.
На фиг.3 и 4 представлены графики, поясняющие физические принципы, лежащие в основе настоящего изобретения. Цепочка сквидов образована из сегментов, каждый из которых обеспечивает формирование периодического отклика напряжения на величину магнитного поля смещения V(B), заданного указанным средством задания магнитного поля смещения, причем линейные участки периодической кусочно-заданной функции V(B) образуют периодический «треугольный» отклик, представленный на фиг.4 б, в.
kn
По оси абсцисс на фиг.3 отложено распределение групп 310 по площадям S сквидов 32, а по оси ординат - количество m элементов в группе, обеспечивающее формирование периодического отклика напряжения k-го сегмента 300 от магнитного поля 6. Непрерывный спектр, показанный поз.60, соответствует отклику (а) на фиг.4. Дискретные спектры поз.62 соответствует отклику (б), а спектр поз.64 - отклику (в).
На фиг.5 пояснен принцип, позволяющий обеспечить необходимую величину отклика группы 310: количество m сквидов 32 в n-ой группе, принадлежащей k-му сегменту, выбрано в соответствии с законом «синк в квадрате»: , мВ,
0
k
k1
0
где V - амплитуда единичного сквида, А - постоянная, определяемая экспериментальным путем, мВ, ω=2πS/Ф.
k
На фиг.6 представлена рассчитанная зависимость линейности отклика от числа групп 310 в сегменте 300. Для конечного числа спектральных компонент линейность представленных спектров не зависит от начальной частоты дискретного спектра и определяется частотой последней взятой компоненты. С точки зрения количества используемых сквидов оптимальным является дискретный спектр с начальной частотой ω=1 (спектр (в) на фиг.4).
k1
0
0
При необходимости формирования непериодического отклика число k сегментов 300 должно быть порядка 10…30, а величины площадей S для разных сегментов 300 должны быть выбраны в пределах от максимального значения Ф/2ΔВ до минимального значения (0.01…0.1)Ф/2ΔВ и не являться кратными. Это приведет к тому, что сложение откликов с разными периодами обеспечит формирование отклика напряжения всей цепочки с единственным максимумом в нуле магнитного поля (B=0).
На фиг.7, 8 показан широкополосный СВЧ-усилитель на последовательной цепочке 30 сквидов 32, работающий на принципе бегущей волны, с использованием входного 10 и выходного 20 элементов в виде входной 70 и выходной 80, 81 сверхпроводящих полосковых линий. В конце входной линии 70 и в начале выходной линии 80 включены согласованные нагрузки 73 и 82, соответственно. В разрывы выходной полосковой линии 81 включены джозефсоновские переходы 33. Стрелками поз.72 условно показаны области локального воздействия входной волны на сквиды усилителя, а стрелками поз.83 - область пространства, где распространяется усиленная волна.
Все элементы сверхпроводящего широкополосного СВЧ-усилителя могут быть выполнены с помощью электронной литографии и размещены на одной диэлектрической подложке. Технология изготовления таких структур известна и описана (http://www.hypres.com), поэтому в настоящем описании не приводится.
0
Устройство работает следующим образом (см. фиг.1, 2). При поступлении СВЧ-сигнала на входной элемент 10 он преобразуется посредством индуктивных элементов 12 в магнитный поток, воздействующий на сквиды 32, смещенные источником тока 40 в резистивное состояние. Это воздействие вызывает изменение постоянной составляющей напряжения V на сквидах 32. Суммарное изменение напряжения на выходном элементе 20 цепочки 30 прямо пропорционально, с высокой степенью точности, величине входного сигнала. Оценки показывают (см. фиг.6), что высокая линейность (вплоть до 120 дБ) в диапазоне частот усиления вплоть до нескольких десятков ГГц может быть достигнута для разумного количества сквидов 32 в цепочке 30. Для получения, например, как показано на фиг.6, линейности порядка 80 дБ необходимо 25 групп скидов. Причем с ростом номера группы n (а значит, и ее эффективной площади) количество сквидов в группе, обеспечивающее отклик, меняющийся с номером n по указанному выше закону «синк в квадрате», падает до единицы в группе с номером N. Таким образом, в случае использования сквидов с одинаковым откликом для достижения высокой линейности усиления достаточно изготовить последовательную цепочку из примерно 760 единичных сквидов.
Для конструкции, показанной на фиг.7, усилитель работает аналогичным образом. При подаче СВЧ-сигнала на входной элемент 10 он преобразуется в магнитный поток (условно показан стрелками поз.72), воздействующий на сквиды 32 цепочки, и таким образом возбуждается выходной СВЧ-сигнал 20, поскольку один из джозефсоновских переходов 33 каждого сквида 32 включен в разрыв выходной сверхпроводящей полосковой линии 81. По мере распространения по полосковой линии к элементу 20 выходной сигнал возрастает (условно показано стрелками поз.83).
Такое выполнение СВЧ-усилителя позволяет реализовать многоэлементную протяженную цепочку 30, размеры которой сравнимы или превышают длину волны, без ограничений, связанных с распределенностью системы.