Пассивные сверхвысокочастотные устройства

Широкие перспективы применения сверхпроводников в компонентах СВЧ диапазона объясняются возможностью получения тонких ВТСП пленок на диэлектрических подложках. Как правило, к основным параметрам ВТСП пленок относят удельное сопротивление и магнитную восприимчивость. При описании поведения пленок на высоких частотах используют такой параметр, как поверхностное сопротивление. Согласно феноменологической модели, поверхностный импеданс ВТСП пленки в сверхпроводящем состоянии имеет следующий вид [18]:

Z_S(t)=R_S(T)+iX_S(t), (3.1)

, (3.2)

, (3.3)

, (3.4)

, (3.5)

, (3.6)

, (3.7)

где σ_n – проводимость основных носителей заряда (N – электронов) при температуре перехода Т_С;

α – параметр остаточного сопротивления, определяет пределы поверхностного сопротивления при низких температурах;

γ – параметр, характеризующий качество пленки (1,5 … 2,5);

d – толщина ВТСП пленки;

ω – круговая частота.

Параметр γ является показателем качества пленки; чем выше γ, тем ниже поверхностное сопротивление. Кроме того, значение γ в экспоненте влияет на температурную зависимость λ_L и определяет крутизну температурной зависимости поверхностного сопротивления в точке перехода.

Как следует из (3.2), поверхностное активное сопротивление пропорционально квадрату частоты, поэтому ВТСП материалы сохраняют свое преимущество до частот 100…200 ГГц. Это происходит за счет того, что начальное значение поверхностного сопротивления на постоянном токе у ВТСП материалов на несколько порядков ниже, и позволяет создавать компактные линии передачи СВЧ сигналов.

Активная составляющая поверхностного сопротивления определяет величину добротности ВТСП резонатора, а реактивная – чувствительность прибора к температурным колебаниям частоты резонатора и имеет значения для долговременной стабильности.

Как уже отмечалось, применение ВТСП элементов в СВЧ электронике позволяет решить целый ряд проблем. Проведенные исследования показывают, что применение ВТСП материалов позволит обеспечить:

· повышение на 15 – 20% КПД всех энергоемких приборов за счет исключения омических потерь;

· повышение выходной мощности в 2-3 раза и снижение массогабаритных характеристик;

· повышение быстродействия управляющих устройств;

· увеличение чувствительности приемных устройств;

· повышение стабильности генераторов частоты.

Такие показатели являются привлекательными для разработчиков самой различной техники, в том числе и бытовой.

Высокотемпературные сверхпроводники используются в широком спектре пассивных СВЧ устройств: линиях передач, линиях задержки, пассивных фильтрах, амплитудных и фазовых модуляторах, переключателях и ограничителях СВЧ мощности, малогабаритных антеннах (приемных и передающих), резонаторах и др. В частности на основе таких устройств разработаны и успешно эксплуатируются миниатюризованные спутниковые системы связи с повышенной пропускной способностью, системы связи с подвижными объектами (сотовой связи) третьего поколения.