Введение к работе
Актуальность проблемы
Одной из важнейших задач, вытекающих из тенденций развития современных систем коммуникации, радиоконтроля, навигации и пр., является дальнейшее повышение уровня помехозащищенности аппаратуры, увеличение чувствительности приемных трактов. При разработке новых радиосистем, учитывающих подобные тенденции, возможно выделить два принципиально разных подхода к их проектированию:
разработка новых изделий на основе уже существующих аналогов, использующих традиционные материалы и элементную базу, но имеющих при этом улучшенные характеристики благодаря совершенствованию технологии их изготовления (например, появление субмикронной технологии позволило изготавливать сверхбыстродействующие транзисторы, что в свою очередь привело к значительному улучшению частотных свойств радиоаппаратуры) .
применение принципиально новых материалов, обладающих определенными свойствами, использование которых позволяет удовлетворить тем требованиям, которые закладываются при разработке новой аппаратуры.
Несомненно, что второй путь, революционный по своей сути, требует намного больше затрат на стадии исследования таких материалов и технологических процессов их производства, но при наличии в перспективе достаточно большой гаммы производимых на их основе приборов, подобный путь может оказаться целесообразным и экономически выгодным, а при дальнейшем ужесточении вышеперечисленных требований, вероятно, и единственным. История развития техники в целом и радиоэлектроники в частности показывает, что разумное сочетание этих двух методов позволяет добиться наилучших технических результатов при минимальных экономических и временных затратах. Любая из перечисленных выше радиосистем имеет в своем составе один из следующих (или все вместе) функциональных узлов: пере-
дающее устройство, линию связи, приемное устройство. Все эти узлы вносят вклад в шумовые характеристики прибора и в его чувствительность. Как правило, разработчик радиоаппаратуры не может влиять на характеристики линии связи, а за счет относительно большой мощности на выходе передающего тракта коэффициент шума невысок. Остается приемник, который и необходимо оптимизировать для получения наилучших параметров. Любое приемное устройство содержит в своем составе антенну, свойства которой в основном и определяют параметры системы. Наиболее перспективными и реализуемыми в гибридной технологии являются фазированные антенные решетки (ФАР). Главным преимуществом ФАР перед другими типами антенных систем является их способность при использовании систем электронного сканирования быстро и с большой точностью менять не только положение диаграммы направленности, но и ее форму. Основой системы электронного сканирования являются быстродействующие СВЧ фазовращатели. Сейчас основными активными элементами, используемыми в управляющих СВЧ устройствах, являются p-i-n- диоды и полевые транзисторы, изготовленные по кремниевой или арсенид- гал-лиевой технологии. Стало появляться значительное количество приборов в виде однокристальных схем, что значительно улучшило массо - габаритные показатели устройств. Однако, технические характеристики приборов, созданных по такой технологии, не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к проектируемой аппаратуре.
После открытия материалов, обладающих свойством высокотемпературной сверхпроводимости, стало очевидным их несомненное преимущество- перед обычными проводниками при использовании в качестве материала для изготовления интегральных СВЧ схем, так как при температуре существования сверхпроводящей фазы они обладают более низким поверхностным сопротивлением, чем медные или золотые пленки при таких же условиях вплоть до критической частоты, порядка ЮОГГц. Несмотря на ожидаемые надежды в широком спектре возможных областей науки и техники, где было бы чрезвычайно полезно такое замечательное качество сверхпроводни-
ков, как отсутствие потерь- передача энергии на расстояние с большим КПД, создание сверхмощных трансформаторов и прочее, наибольшее практическое применение сверхпроводники нашли именно в сфере СВЧ микроэлектроники. Это связано с технологическими особенностями получения подобных материалов. До настоящего времени удалось освоить лишь изготовление эпитаксиальных тонких пленок, толщиной от десятых долей до единиц микрометра на подложке, диаметр которой не превышает 20см. Именно этот факт и ограничивает сегодня возможные области использования сверхпроводников.
Замена подобными пленками обычных металлов позволяет снизить вносимые устройством потери на несколько порядков и значительно уменьшить собственный коэффициент шума. Здесь следует оговориться, что затраты, связанные с необходимостью охлаждения устройств до температуры перехода Тс, не всегда оправдываются выигрышем по потерям. Следовательно, устройства, содержащие высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), целесообразно проектировать не в виде отдельных функциональных охлаждаемых модулей, а в составе законченного охлаждаемого устройства.
За последнее десятилетие было разработано множество СВЧ устройств, использующих свойства сверхпроводников, такие как фильтры, резонаторы (микрополос-ковые и объемные диэлектрические), линии задержки и другие линейные пассивные устройства. Процедура дизайна подобных устройств такая же, как и при проектировании аналогов, сделанных на традиционных материалах, с той лишь оговоркой, что в ВТСП приборах следует учитывать влияние кинетической индуктивности, присущей исключительно сверхпроводникам (особенно при синтезе линий задержки).
Кроме того, существует ряд физических явлений, присущих подобным материалам, которые позволяют использовать их в качестве нелинейных или управляющих элементов при создании активных СВЧ устройств. Одним из таких явлений является изменение сопротивления рабочей зоны пленки под действием СВЧ мощности, постоянного тока, магнитного поля, теплового излучения.
Принципиально возможно существование активных управляемых приборов, использующих эти свойства: модуляторы, смесители, детекторы, управляемые нагрузки, ключи, фазовращатели и другие.
Скачкообразное изменение поверхностного сопротивления пленки сверхпроводника называют S-N переходом. Следует отметить, что, несмотря на активное развитие криоэлектроники СВЧ с применением высокотемпературных сверхпроводников, информация об использовании S-N перехода в СВЧ приборах появляется крайне редко. В работе именно это свойство пленок используется как основа (базис) для создания управляемых дискретных фазовращателей. Принимая во внимание, что переключательные элементы, использующие свойство S-N переключения, могут иметь коммутационное качества больше 1000, следует ожидать малых потерь, вносимых устройством.
Целью диссертационной работы является исследование возможности использования пленок ВТСП для создания управляющих устройств СВЧ, построение моделей для разработки дискретных СВЧ фазовращателей, изготовленных по сверхпроводниковой технологии, работающих в диапазоне частот: 2-12ГГц. Для достижения поставленных целей необходимо решение следующих задач:
-
Оценка применимости моделей эквивалентного импеданса пленки ВТСП при пропускании через нее постоянного тока при температуре ниже температуры фазового перехода (Тс) .
-
Анализ известных базовых моделей СВЧ фазовращателей на предмет использования их при проектировании приборов на основе ВТСП технологии и совместно с управляемыми ВТСП компонентами, а также, поиск принципиально новых решений, не доступных при традиционном подходе.
-
Оценка предельных характеристик S-N фазовращателей на этапе проектирования.
-
Анализ S-N элементов, удовлетворяющих ограничениям, налагаемым на них условиями использования в составе фазовращателей.
Объектами исследования являются пленки ВТСП соединения YBa2Cu307-?, СВЧ устройства на их основе, использующие S-N переход, различные конструкции дискретных фазовращателей.
Основные методы исследования
а) теоретические: математические методы анализа
периодических структур, аппарат теории цепей, теория
согласования.
б) экспериментальные.
Защищаемые научные положения
-
Свойства фазовращателя полностью определяются параметрами S-N элементов, входящих в его состав, так вносимые потери определяются коммутационным качеством К, среднегеометрическое сопротивление RM определяет условие проектирования фазовращателя с минимальными и равными потерями и неравномерность фазочастотной характеристики в полосе частот, максимальная ширина рабочего частотного диапазона определяется добротностью Q.
-
Для проектирования отражательных фазовращателей с минимальными и равными потерями, использующих S-N ключи, достаточно решить задачу согласования ком-
плексного сопротивления Zin=RMeV г 2), где Rm=^rsrn , Rs, Иц-сопротивление ВТСП ключа в сверхпроводящем и нормальном состояниях соответственно, Дф- требуемый фазовый сдвиг.
3. При проектировании некоторых типов проходных
фазовращателей, работа которых основана на изменении
реактивностей, включенных последовательно в линию пе
редачи, принципиально невозможно добиться равенства
вносимых потерь в обоих состояниях, обеспечивающего
минимально достижимые потери фазовращателя.
Новые научные результаты работы
1. Предложена концепция проектирования фазовращателей отражательного и проходного типов, работающих на принципе S-N переключения в высокотемпературных сверхпроводниках.
-
На базе феноменологической модели поверхностного импеданса тонкой пленки ВТСП определены параметры S-N переключательного элемента (коммутационное качество, добротность, среднегеометрическое сопротивление) как функции физических характеристик пленки.
-
Определены предельные характеристики фазовращателей, работающих на принципе S-N переключения в пленках ВТСП.
-
Впервые экспериментально исследованы различные варианты фазовращателей на S-N переходе.
Значение для практики результатов диссертационной работы заключается в следующем:
- модели, предлагаемые для описания высокочастот
ных и статических характеристик S-N переключательных
элементов являются достаточным базисом при проектиро
вании управляемых устройств на S-N переходе в ВТСП;
предложенная методика анализа периодических структур позволяет выбирать подходящую конфигурацию S-N элемента в виде меандровой линии;
- разработанная методика синтеза управляемых циф
ровых отражательных и проходных фазовращателей, дей
ствие которых основано на эффекте S-N переключения в
пленках высокотемпературного сверхпроводника, являет
ся достаточным инструментом при их проектировании.
Приведенные соотношения позволяют оценить предельные
возможности фазовращателей.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались, на следующих семинарах и конференциях:
- научно- технических конференциях профессорско-
преподавательского состава СПбГЭТУ в 1994-1998гг.;
Европейских конференциях по СВЧ технике в 1995г. (25th EuMC, Болонья, Италия), в 1997г. (27th. EuMC, Иерусалим, Израиль);
- Европейской конференции по применению сверхпро
водников в 1995г (EuCAS, Эдинбург, Шотландия).
- Международном студенческом семинаре "Применение
сверхпроводников в технике СВЧ", -С- Петербург, май
1995г.
Часть работы проводилась в рамках проектов:
- совместного проекта с ONERA CERT Tuluza (Тулуза, Франция) ""Разработка СВЧ фазовращателей на основе пленок высокотемпературного сверхпроводника" в 1994-1996гг.
проектов №93223, №95062, №98223 Государственной научно-технической программы "Высокотемпературная сверхпроводимость".
ГВ-2 ТУ МИТ -12, "Исследование материалов с фазовым переходом металл-диэлектрик и металл-сверхпроводник с целью создания управляющих устройств СВЧ диапазона".
Результаты работы используются в учебном процессе в курсах по выбору "Микроэлектроника СВЧ" и "Криоэлектроника СВЧ".
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 статьи в журналах и 6 публикаций в трудах зарубежных конференций.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 102 наименование, и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 95страницах машинописного текста. Работа содержит 4 6 рисунков и 7 таблиц.
