авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Криогенная система фазовой автоподстройки частоты для сверхпроводникового интегрального приемника

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ХУДЧЕНКО Андрей Вячеславович

КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО

ИНТЕГРАЛЬНОГО ПРИЕМНИКА

Специальность 01.04.03: «Радиофизика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук.

МОСКВА 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В А. Котельникова РАН, г. Москва.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Кошелец Валерий Павлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Гольцман Григорий Наумович

кандидат физико-математических наук

Масленников Юрий Васильевич

Ведущая организация:

Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород

Защита состоится « 23 » октября 2009 г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д.002.231.02 при ИРЭ им. В А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан « 22 » сентября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д.002.231.02 при ИРЭ РАН

доктор физико-математических наук А.А. Потапов

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Одним из перспективных и активно развивающихся направлений современной сверхпроводниковой электроники является создание сверхчувствительных приёмных устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС-переходов). Благодаря высокой нелинейности вольт-амперных характеристик, низкому уровню собственных шумов и криогенным рабочим температурам стало возможным создание приемных устройств с рекордными параметрами. Среди когерентных приёмных устройств, приборы на СИС-переходах являются наиболее чувствительными во всём миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн. В настоящий момент уже созданы устройства с шумовой температурой лишь в несколько раз превосходящей квантовый предел, что на порядок ниже, чем, например, у приемников на основе диодов Шоттки.

В ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН была предложена концепция сверхпроводникового интегрального приемника (СИП). На одной микросхеме размещены приемная антенна, квантовый СИС смеситель на квазичастичной нелинейности туннельного перехода и сверхпроводниковый генератор гетеродина (СГГ) на распределенном джозефсоновском переходе. Туннельные переходы выполнены по технологии Nb/AlNx/NbN либо Nb/AlOx/Nb. Интегральные приемники крайне перспективны для радиоастрономии, мониторинга окружающей среды, осуществляемого с борта спутников, специальных самолетов или высотных аэростатов, а также медицинской диагностики и систем безопасности.



Для стабилизации частоты генерации СГГ необходимо использовать широкополосную систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Поскольку ширина автономной линии излучения СГГ может достигать нескольких мегагерц, а ширина полосы синхронизации существующих полупроводниковых системам ФАПЧ составляет порядка 10 МГц, то лишь ограниченная часть излучаемой СГГ мощности может быть синхронизирована, остальная же часть дает вклад в фазовые шумы. Чем шире полоса синхронизации системы ФАПЧ, тем большая часть мощности СГГ будет синхронизована.

Существует несколько причин, требующих существенно расширить ширину полосы синхронизации ФАПЧ для СГГ. При определенных рабочих частотах ширина линии СГГ превышает 10 МГц за счет эффекта джозефсоновской самонакачки и существующая полупроводниковая ФАПЧ, электронный блок которой расположен вне криостата при комнатной температуре, не может осуществить эффективную синхронизацию. Кроме того, дальнейшее развитие сверхпроводниковой электроники и продвижение в область терагерцовых рабочих частот невозможно без применения новых материалов с более высокими значениями критической температуры по сравнению с ниобием. В настоящее время наиболее подходящими кандидатами для этого являются структуры на основе плёнок NbN и NbTiN с использованием искусственных барьеров из AlN и MgO. Ожидается, что при использовании этой технологии за счет больших поверхностных потерь ширина линии СГГ может существенно превосходить величину 10 МГц. В этом случае для эффективной синхронизации СГГ необходимо существенное увеличение ширины полосы синхронизации системы ФАПЧ.

Использование СИП в интерферометрии требует крайне высокого уровня фазовой стабильности СГГ. Так, например, для проекта ALMA (интерферометр в Чили с базой 15 км) среднеквадратичный фазовый шум должен быть менее 75 фс (уровень флуктуаций сигнала, проходящего сквозь атмосферу). Достижение этого уровня требует крайне малой доли фазовых шумов в спектре СГГ, т.е. для его достижения нужно расширять полосу синхронизации ФАПЧ до 40 МГц вместо величины порядка 10 МГц для комнатной полупроводниковой системы.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является:

  • - Исследование спектральных свойств СИП со сверхпроводниковым генератором гетеродина. Изучение спектральных характеристик фазовосинхронизованного СГГ (ФС СГГ) и их зависимости от параметров системы ФАПЧ.
  • Разработка схемы криогенной системы ФАПЧ для СГГ, значительно уменьшающей фазовые шумы и улучшающей спектральное качество линии излучения ФС СГГ по сравнению с аналогом – полупроводниковой системой ФАПЧ, работающей вне криостата при комнатной температуре.
  • Реализация криогенного фазового детектора (КФД), основанного на туннельном СИС-переходе. Исследование его электрофизических свойств, определение амплитудных и частотных характеристик, описание принципа его работы.
  • Оптимизация согласования КФД и СГГ и схемы их совместного включения в состав криогенной системы ФАПЧ.
  • Экспериментальная реализация криогенной системы ФАПЧ для СГГ, исследование её свойств. Реализация криогенной системы ФАПЧ с эффективной полосой синхронизации более 40 МГц.

Научная новизна

Изучены спектральные свойства сверхпроводникового интегрального приемника (СИП) на СГГ.

Предложен и исследован новый элемент сверхпроводниковой электроники – криогенный фазовый детектор на туннельном СИС – переходе. Изучены его фазовые, амплитудные и частотные характеристики, определены оптимальные режимы работы.

Построена модель, которая качественно и количественно описывает связь КФД и СГГ, эта модель успешно применена для оптимизации криогенной системы ФАПЧ.

Продемонстрирована принципиальная возможность реализации криогенной системы ФАПЧ для СГГ с шириной полосы синхронизации более 40 МГц.

Практическая ценность работы

Определены спектральные свойства СИП на СГГ.

Реализован новый элемент криогенный фазовый детектор СИС-переходе, что расширяет элементную базу сверхпроводниковой электроники.

Разработана, впервые создана и запатентована криогенная система ФАПЧ для СГГ, основанная на использовании туннельного СИС-перехода в качестве фазового детектора и на размещении всех элементов петли в одном криостате с СГГ. Перспективным выглядит применение концепции криогенной системы ФАПЧ для фазовой синхронизации квантовых каскадных лазеров, разрабатываемых для терагерцовой спектроскопии и радиоастрономии, которые, как и распределенный джозефсоновский переход, работают при криогенных температурах.

Разработан эффективный метод определения базовых характеристик СИС - перехода в качестве КФД путем измерения ВАХ и зависимости тока накачки от мощности подаваемого на переход одного СВЧ-сигнала.

Увеличена ширина полосы синхронизации криогенной системы ФАПЧ до 40 МГц по сравнению с величиной порядка 10 МГц для полупроводниковой комнатной системы. Такая система позволяет синхронизовать СГГ с автономной линией генерации более 12 МГц, что было недостижимо для комнатной системы, и таким образом расширяет частотный диапазон СИП. В случае узких линий СГГ (менее 3 МГц) криогенная система ФАПЧ в 3 раза уменьшает долю фазовых шумов, что делает более перспективным использование СИП в интерферометрии.

Для криогенной системы ФАПЧ с интегрирующим фильтром реализован режим удержания частоты сверхпроводникового генератора без использования внешних частотных дискриминаторов.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Спектральное качество фазовосинхронизированного сверхпроводникового генератора гетеродина (СГГ) является одним из основных параметров, определяющих спектральные свойства СИП.
  1. Туннельный СИС-переход эффективно работает как криогенный фазовый (КФД) детектор. Амплитуда его выходного сигнала может достигать 0.5 мВ для СИС-перехода, изготовленного по технологии Nb/AlOx/Nb.
  1. Криогенная система ФАПЧ, основанная на КФД, позволяет эффективно синхронизировать СГГ. Ее ширина полосы синхронизации может быть более 40 МГц.

Апробация работы

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 19 работах, в том числе в 12 статьях в журналах (8 из рекомендованного списка ВАК), одном патенте и в 6 расширенных тезисах по докладам на международных конференциях (список публикаций приведён ниже), общий объем опубликованных по теме диссертации работ составил 84 мп. страницы.

Работы публиковались в ведущих специализированных изданиях: IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Superconductor Science and Technology, «Известия ВУЗов. Радиофизика», «Нелинейный Мир», «Радиотехника и Электроника». Публикации по материалам диссертации полностью отражают ее содержание; они хорошо известны специалистам, на них имеются ссылки в научной периодике. Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на ведущих международных конференциях в области сверхпроводниковой электроники:

  • Applied Superconductivity Conference (ASC 2004, 2006, 2008);
  • European Conference on Applied Superconductivity (2005);
  • International Superconductive Electronics Conference (ISEC’2005, 2009);
  • International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT-2006, ISSTT-2008, ISSTT-2009);
  • 5 раз представлялись на конкурсах молодых ученых им. И.В. Анисимкина в ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН (2004 – 2008 г.г.).
  • были представлены на международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий в рамках первого международного форума по нанотехнологиям, 2008 г.
  • докладывались на XLVII научной конференции МФТИ, 2005г.

Личный вклад автора

Автором спроектирована и собрана экспериментальная установка, проведены экспериментальные исследования и численное моделирование свойств систем и их отдельных элементов, проведены расчеты и изготовление СВЧ элементов и схем.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка публикаций по теме диссертации и списка цитированной литературы. Работа изложена на 118 страницах, содержит 49 рисунков и 1 таблицу. Список цитируемой литературы состоит из 80 работ.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и определены её цели. Сформулированы научная новизна, практическая ценность работы и положения, выносимые на защиту. Рассмотрены вопросы авторства в публикациях результатов.

Первая глава носит обзорный характер. В ней дан краткий обзор областей применения криогенных приемников субмиллиметрового диапазона на квазичастичной нелинейности СИС-переходов, обладающих высокой чувствительностью. Описана концепция сверхпроводникового интегрального приемника (СИП), объединяющего на одной микросхеме приемную антенну, СИС-смеситель, сверхпроводниковый генератор гетеродина (СГГ) на основе распределенного туннельного перехода с вязким потоком джозефсоновских вихрей и гармонический смеситель, используемый для фазовой синхронизации СГГ. Синхронизация с внешним опорным генератором осуществляется при помощи полупроводниковой системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), размещенной вне криостата при комнатной температуре. Перечислены основные причины, требующие существенного расширения полосы синхронизации ФАПЧ для СГГ. Дано общее описание систем ФАПЧ, принципов их работы и основных характеристик, таких как полоса синхронизации и полоса удержания. Приведены способы измерения полосы синхронизации в эксперименте. Предложен принцип построения новой компактной системы ФАПЧ для СГГ, имеющей много больше, чем для полупроводниковой системы. Рассмотрены основные принципы работы СИС переходов в качестве активных элементов СВЧ приёмных устройств на основе квазичастичной нелинейности с целью их использования в качестве криогенного фазового детектора (КФД). В заключении сформулированы основные задачи исследования.





Во второй главе проведено изучение влияния особенностей спектра СГГ на спектральные свойства СИП, а также выработаны требования к параметрам этого спектра. Исследованы спектральные свойства фазовосинхронизированного СГГ (ФС СГГ) в зависимости от ФАПЧ и задержек в петле .

Показано, что если СГГ находится в режиме частотной стабилизации, то спектральное разрешение СИП равно ширине автономной линии и может достигать нескольких МГц в зависимости от рабочей частоты СГГ. При использовании же ФС СГГ спектральное разрешение СИП может достигать 10 КГц.

Далее описаны методы восстановления принимаемого сигнала с учетом аппаратной функции СИП, определяемой спектром СГГ. Проанализированы методы деконволюции и разобран итерационный метод восстановления, предложенный автором. Показано, что особенность спектра ФС СГГ, а именно наличие центрального узкого пика, позволяет уверенно использовать метод простой деконволюции для восстановления спектра сигнала, измеренного с помощью СИП с усилением шума в спектре в 1/СК раз. Получено, что вклад неточности определения СК () в итоговую ошибку измерений после деконволюции не превышает величины .

Установлено, что комнатной полупроводниковой системы ФАПЧ ограничена групповой задержкой сигнала в петле системы . Описан эксперимент, показывающий влияние на работу комнатной системы ФАПЧ, в котором в петлю вносилась дополнительная задержка путем увеличения длины соединительных кабелей петли. Продемонстрировано, что с ростом происходит сужение полупроводниковой системы ФАПЧ и увеличение уровня фазовых шумов. Установлено, что ширина полосы синхронизации ФАПЧ обратно пропорциональна , причем зависимость -1() линейна и позволяет измерять системы ФАПЧ (см. рис. 1). Таким методом определена задержка петли комнатной ФАПЧ. Она равна 17 нс с точностью 0.5 нс, причем кабели петли дают основной вклад, равный 11.5 нс.

Экспериментально показано, что спектральное качество ФС СГГ растет с увеличением при уменьшении , причем зависимость СК() имеет характер, близкий к линейному и позволяет оценить, насколько должна быть уменьшена задержка петли для достижения требуемого уровня СК.

Рис. 1. Зависимость величины, обратной ширине полосы синхронизации ФАПЧ -1, от задержки в петле. Данные получены для трех различных ширин автономной линии СГГ (1.3 МГц; 2.2 МГц; 4.2 МГц).

В конце главы приведены выводы и дан анализ перспектив разработки криогенной системы ФАПЧ.

Третья глава посвящена изучению криогенного фазового детектора на туннельном СИС-переходе (КФД) с целью использования его в криогенной ФАПЧ для СГГ. Исследованы фазовые, амплитудные и частотные характеристики КФД.

В начале главы представлены перспективы использования СИС-перехода в роли КФД. Его ключевые преимущества, за счет которых существенно упрощается создание широкополосной криогенной системы ФАПЧ для СГГ, заключаются в том, что СИС–переход работает при температуре 4.2 К, и он практически не выделяет тепла (меньше 10-6 Вт). Эти свойства позволяют сблизить КФД с СГГ вплоть до интеграции их на один чип. Возможность такого сближения элементов петли способствует компактности криогенной системы ФАПЧ. Показано, что для полного описания КФД на СИС-переходе нужно определить форму его фазового отклика, изучить амплитудные и частотные характеристики.

Далее приведены предварительные оценки возможности использования туннельного СИС-перехода в роли КФД, основанные на анализе его вольтамперных характеристик (ВАХ), под действием СВЧ сигналов частотой порядка 1 ГГц. Ток накачки СИС-перехода растет с увеличением подаваемой на него мощности СВЧ сигнала. В случае синфазного задания двух сигналов суммарная приходящая мощность больше, и больше ток накачки, при подаче сигналов в противофазе – малая суммарная мощность вызывает меньший ток накачки (см. рис. 2а). Исследования показали возможность получения синусоидального фазового отклика КФД в зависимости от разности фаз СВЧ сигналов (см. рис. 2б).

 Рис. 2. ВАХ СИС–перехода, измеренные при-24

Рис. 2. ВАХ СИС–перехода, измеренные при различных мощностях СВЧ сигналов (частота 5 ГГц) (а). Кривая 1 - автономная; кривая 2 - при подаче одного сигнала; кривая 3 - два сигнала, синфазный случай; кривая 4 - два сигнала, противофазный случай (разность фаз равна 180°); кривая 5 - разность значений токов для кривых 3 и 4. Синусоидальный фазовый отклик (б) (три случая разных мощностей входящих сигналов).

Рассмотрены частотные свойства КФД. Собственная емкость СИС-перехода микронного размера составляет порядка 0.1 пФ, поэтому можно уверенно сказать, что она не будет сказываться на его выходных амплитудно-частотных свойствах в диапазоне до 1 ГГц. Экспериментально подтверждено, что КФД имеет равномерный отклик до частот 750 МГц, что значительно превосходит требуемый для криогенной системы ФАПЧ диапазон 0…100 МГц. Измерено, что амплитудные характеристики СИС-перехода имеют качественно одинаковый характер для частот входных сигналов от 0.4 до 20 ГГц.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.