Приемные устройства

Необычные нелинейные свойства джозефсоновских элементов легли в основу создания радиоэлектронных устройств с рекордно высокими параметрами. К ним можно отнести приемные устройства миллиметрового диапазона волн на джозефсоновских элементах. В зависимости от поданного напряжения, джозефсоновский элемент может работать как нелинейный реактивный или активный элемент цепи, обладающий уникальными параметрами: очень высокой степенью нелинейности ВАХ и крайне низкими шумами. По этой причине на джозефсоновских элементах можно реализовать широкий набор приемных устройств в миллиметровом диапазоне: смесители, параметрические усилители, квадратичные видеодетекторы. Сложная нелинейность джозефсоновского элемента в смесителе с внешней накачкой вызывает сильное отличие его параметров от характеристики резистивного смесителя. Так, потери преобразования существенно снижаются и могут быть даже отрицательными, т.е. возможно преобразование с небольшим (≤ 3 дБ) усилением по мощности. К достоинствам смесителей с внешней накачкой можно отнести относительно высокое выходное сопротивление и большой динамический диапазон. Недостатком этих устройств является малая мощность насыщения.

К достоинствам параметрических усилителей на джозефсоновских элементах следует отнести, во-первых, возможность получения высокого коэффициента усиления, что резко снизит требования к шумам следующих каскадов приемного устройства; во-вторых, параметрические усилители могут обеспечить меньшие шумовые температуры, чем смеситель; в-третьих, возможность использования в них джозефсоновских элементов с относительно большой собственной емкостью.

Основным недостатком параметрических усилителей на джозефсоновских переходах является их малый динамический диапазон.

Квадратичные видеодетекторы являются наиболее простым типом приемных устройств на джозефсоновских контактах, используют изменение ВАХ элемента при его облучении принимаемым сигналом. Видеосигнал на выходе такого детектора и его зависимость от напряжения смещения представлены на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Зависимость видеоотклика ΔU от постоянного напряжения на джозефсоновском переходе

Как видно на рисунке, видеосигнал имеет два максимума: плавный при малых напряжениях и резкий асимметричный при U ≈ U_f, U_f =ħf/2е. Последний связан с процессом частотной синхронизации собственной генерации джозефсоновского элемента и сильно зависит от частоты последнего. Свойства видеодетектора в этих двух режимах детектирования (широкополосном и сегментированном) сильно различаются. Наибольшее распространение получил широкополосный режим работы детекторов, вследствие того, что для элементов с сопротивлением порядка 10² Ом, которые могут быть хорошо согласованы с СВЧ трактами, линия селективного отклика существенно уширяется, а его максимальная величина падает.

Селективный режим более предпочтителен для относительно низкоомных контактов, поскольку ширина селективного видеосигнала на выходе соответствует ширине линии джозефсоновской генерации и для получения, например Δf ≈ 1 ГГц сопротивление элемента должно быть не более нескольких Ом. К настоящему времени приемники миллиметрового диапазона еще не получили широкого распространения. Это связано с тем, что попытки создания чувствительных устройств опирались в основном на применение одиночных контактов. Как отмечалось ранее, одиночные контакты не обеспечивают необходимых параметров систем из-за противоречивых требований к ним. Для хорошего согласования с внешними цепями необходимо получить большое сопротивление джозефсоновского элемента.

Успехи криогенной СВЧ электроники позволили создать на основе торцевых джозефсоновских переходов (ТДП, рис. 3.7) приемные устройства миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длины волн. Стабильность современных ТДП и программируемость их параметров при изготовлении позволяют создавать последовательные цепочки из этих элементов (ЦТДП). Применение ЦТДП в ряде случаев предпочтительнее, чем одиночных ТДП: в приемных устройствах можно реализовать значительно больший динамический диапазон, их легче согласовать с сигнальным трактом, они лучше защищены от электротоков и т.д.

Приемники на джозефсоновских элементах традиционно создавались без учета их специфических особенностей – наличия собственной генерации, динамических свойств, вольт-амперных характеристик и т.д. Использование этих особенностей для поиска более рациональных схем построения приемных устройств позволяет улучшить шумовые характеристики приемника и увеличить за счет этого его чувствительность.

В связи с появлением ВТСП возник естественный интерес к созданию на их основе джозефсоновских переходов. Этот интерес обусловлен не только эксплуатационными и материальными выгодами при переходе от гелиевых к азотным температурам, но и наличием у ВТСП большего, чем у низкотемпературных сверхпроводников, значения энергетической щели. Последнее способствует значительному расширению частотного диапазона, в котором могут эффективно использоваться ВТСП джозефсоновские приемные устройства [22].

Генераторы

Для создания приемных устройств субмиллиметрового диапазона волн одной из наиболее сложных является проблема источников излучения. Традиционно в этом диапазоне используют следующие типы генераторов.

1. Линии обратной волны обладают узкой полосой генерации (менее 1 МГц), возможностью электрической перестройки частоты, выходной мощностью порядка милливольта, высокой частотой генерации (1,5 ТГц). Однако для их работы необходимы массивные постоянные магниты и высокое напряжение (до 6 кВ).

2. Широкополосные источники теплового излучения на основе ртутно-кварцевых ламп в сочетании с интерферометрами позволяют получить спектральное разрешение до 1 ГГц в терагерцовом диапазоне. Эти конструкции громоздки и обладают малым уровнем мощности в полосе пропускания линии (<0,1 нВт).

3. Полупроводниковые диоды Ганна генерируют только в отдельных точках, содержат большое число механических настроек и не позволяют получить частоты генерации существенно выше 1 ТГц.

4. Субмиллиметровые газовые лазеры позволяют генерировать достаточную мощность в терагерцовом диапазоне тоже только в отдельных точках. Они громоздки, потребляют большую мощность.

В качестве малогабаритных и дешевых источников субмиллиметрового излучения, совместимых температурно и технологически с криоэлектронными приемными системами, могут быть использованы устройства на базе джозефсоновских переходов в ВТСП материалах. Эти переходы потенциально могут генерировать излучение на частотах вплоть до десятков терагерц, что определяется большой величиной энергетической щели такого сверхпроводника.

Как мы уже отмечали (п. 1.5), одиночный джозефсоновский переход при подаче на него постоянного напряжения смещения U генерирует колебания на частоте, определяемой джозефсоновским соотношением:

ω=2еU/ħ. (3.23)

Согласовав такой источник с приемным трактом, можно построить электрически перестраиваемый в широкой полосе генератор субмиллиметрового излучения. На основе ниобиевых распределенных переходов построены генераторы на потоке флаксонов, которые позволяют формировать колебания на частотах до 600 ГГц и подавать их на туннельные сверхпроводниковые переходы гетеродина. Для ниобиевых переходов более высокие частоты недостижимы, поскольку величина энергии кванта превышает величину энергетической щели в этом сверхпроводнике. Однако в джозефсоновских переходах на основе Y-123 величина щели превышает 20 мВ, что соответствует частоте
10 ТГц.

К недостаткам простого джозефсоновского генератора следует отнести сравнительно малую мощность излучения, составляющую в случае оптимального согласования:

P_max=I_С0V_С0/8, (3.24)

где I_С0 – критический ток;

V_С0=I_С0R – характерное напряжение;

R_Н – нормальное сопротивление перехода.

Обычно эта величина не превышает 1 мкВт. Корме того, линия джозефсоновской генерации слишком широка:

Δf=(2ħ/Ф₀²)R_HkT, (3.25)

или

Δf [МГц]=40R_H [Ом]T [K]. (3.26)

Для одиночного перехода ширина генерации оказывается равной 10 ГГц, для ее сужения можно уменьшить сопротивление перехода и температуру; однако при снижении сопротивления могут уменьшаться характерное напряжение и мощность генерации, а снижение температуры не всегда возможно. Более перспективным оказывается синхронизация колебаний нескольких джозефсоновских генераторов. Примером применения таких цепочек является гетеродин для интегральных смесителей и стандарт напряжения.

Интеграция элементов может осуществляться с использованием квазисосредоточенных элементов, когда группы джозефсоновских переходов сосредотачиваются в области линии передачи размером менее четверти длины волны. В таких структурах эквивалентная схема представляет собой сосредоточенные емкости и индуктивности, а потери определяются паразитным излучением и рассогласованием отдельных переходов и питающего тракта. В этих конструкциях джозефсоновские переходы объединяются в цепочки, включенные в общую приемную антенну или линию передачи как квазисосредоточенную структуру.

В цепочках для гетеродинов используются одномерные или двумерные топологии, но при превышении частоты более 100 ГГц трудно синхронизировать большое количество переходов на площади менее миллиметра. С ростом частоты возрастают потери, и ухудшается согласование импедансов. Одной из причин возрастания потерь являются микрополосковые линии, которые обладают высокими потерями при низких импедансах. В ниобиевых схемах характерный импеданс составляет порядка 1 Ом, что определяется шириной проводника и толщиной изолятора. Увеличение импеданса может быть достигнуто увеличением толщины изолятора и ширины полоски, но это приводит к возрастанию потерь на излучение и ухудшению совместимости с технологией формирования джозефсоновских переходов.

Проблему интеграции и синхронизации джозефсоновских переходов решают посредством резонансного взаимодействия колебаний решетки планарных антенн. В этом случае каждый переход включен в свою планарную атенну и участвует в процессе интерференции излученных волн. Излучение превращается из паразитного эффекта рассеяния мощности в позитивный механизм взаимодействия. Квазиоптические лучеводные системы отличаются меньшими потерями на частотах более 100 Гц. Такое решение позволяет непосредственно согласовать решетку антенн детектора или стандарта напряжения с источником внешнего излучения, или решетку генераторных переходов с потребителем излучения или СДС-смесителем.

Контрольные вопросы

1. Опишите конструкции Д-переходов и их особенности.

2. Перечислите основные свойства Д-криотронов.

3. Каковы особенности ВТСП Д-криотронов?

4. Какие типы логических элементов на Д-криотронах существуют?

5. Опишите работу джозефсоновского логического элемента.

6. Опишите работу квантрона.

7. Назовите приемные устройства на Д-криотронах.

8. Опишите принцип генерации и устройство на Д-переходах.