Пристрій для визначення частоти електромагнітного випромінювання у міліметровому та субміліметровому діапазонах довжин хвиль

Винахід відноситься до радіотехнічних вимірювань, зокрема, до пристроїв на основі переходу Джозефсона (ПД) для визначення частоти електромагнітного випромінювання у міліметровому та субміліметровому діапазонах довжин хвиль. Відомий вимірювач частоти, описаний у (Ларкин С.Ю., Анищенко С.Н., Чайковський В.И., Пилинский Н.В. Измерение частоты сигналов мм диапазона длин волн с использованием нестационарного эфекта Джозефсона // Радиоэлектроника. - 1995. - №10]. Вимірювач містить хвилевід з перемикачем та атенюатором, через який електромагнітне випромінювання, що вимірюється, поступає на перехід Джозефсона, розташований у кріоблоці, джерело струму, що задає струм розгортки ПД, малошумний підсилювач, а також керуючу персональну електроннообчислювальну машину (ПЕОМ). В описаному вимірювачі ступінчатонаростаючий струм джерела струму змінює робочий режим ПД, і в деякій області вольт-амперної характеристики опроміненого ПД має місце "сходинка" Шапіро. Вимірюючи напругу "сходинки", визначають по відомим виразам частоту коливань електромагнітного випромінювання. Найкращим чином переваги вимірювання частоти на основі нестаціонарного ефекту Джозефсона виявляються при цифровій реєстрації та функціональній обробці збуреної досліджуваним сигналом вольт-амперної характеристики, деяким раціональним алгоритмом. При цьому точність визначення частоти цілком залежить від точності вимірювання постійної напруги на ПД, що при варіації постійної напруги для вказаного діапазону частот складає десятки мікровольтодиниці мілівольт, і з урахуванням впливу суми напруг джерел похибок точність вимірювання частоти буде невисокою. Найбільш близьким по технічній сутності до заявляемого пристрою являється пристрій (Авт. св. СРСР №1688684, кл. G01R23/04, олубл. 1989), який містить лінію передачі, у якій розміщено ПД, джерело додаткового сигналу для задання режиму ПД, що включає цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) та дільник напруги, пристрій обробки сигналу, що знімається з ПД, який складеться з малошумного підсилювача (МШП), аналогоцифрового перетворювача (АЦП), мікропроцесора з запам'ятовуючим пристроєм та індикатора. У цьому випадку в якості додаткового сигналу, що задає режим роботи ПД, використовується ступінчатонаростаючий сигнал, який дозволяє одержати однополярну напругу постійного струму у вигляді "сходинки" Шапіро. Числові значення напруги "сходинки" Шапіро малі і складають десятки мікровольт-одиниці мілівольт. Вимірювання напруги постійного струму таких величини пов'язано з великими похибками, викликаними, в основному, наявністю джерел похибок вхідного ланцюга у вигляді контактних різниць потенціалів, термо-електрорушійних сил, різного роду флюктуацій, адитивних похибок підсилювача та ін., істотно підвищити точність вимірювання напруги "сходинки" Шапіро, а значить, і точність вимірювання частоти електромагнітного випромінювання, можна, зменшуючи вплив перелічених джерел похибок. В основу винаходу, що пропонується, поставлена задача удосконалення пристрою для визначення частоти електромагнітного випромінювання на основі переходу Джозефсона у міліметровому та субміліметровому діапазонах довжин хвиль, в якому шляхом введення нового елемента, певним чином пов'язано з відомими, забезпечується такий технічний результат можливість отримання знакоперемінного режимозадаючого сигналу ПД, що дозволить істотно підвищити точність визначення частоти електромагнітного випромінювання у міліметровому та субміліметровому діапазонах довжин хвиль. Наведений технічний результат досягається за рахунок того, що у відомому пристрої визначення частоти електромагнітного випромінювання у міліметровому та субміліметровому діапазонах довжин хвиль, що містить лінію передачі вимірюваного електромагнітного випромінювання на перехід Джозефсона, пристрій формування режимозадаючого сигналу переходу Джозефсона, що містить цифро-аналоговий перетворювач та дільник напруги, вихід якого з'єднаний з контактами переходу Джозефсона, пристрій обробки напруги сигнала, який знімається з переходу Джозефсона, що складається із послідовно з'єднаних малошумного підсилювача, аналого-цифрового перетворювача, мікропроцесора з запам'ятовуючим пристроєм та індикатора, при цьому цифроаналоговий перетворювач, аналого-цифровий перетворювач, запам'ятовуючий пристрій та індикатор управляються командами мікропроцесора, згідно винаходу, в пристрій формування режимозадаючого сигнала переходу Джозефсона між виходом цифро-аналогового перетворювача та входом дільника напруги додатково введено пристрій інвертування за вибором режимозадаючого сигналу по командам мікропроцесора. Нові ознаки, які має технічне рішення, що заявляється, забезпечують відповідність заявляемого винаходу критерію "новизна". Істотні ознаки пристрою, що заявляється, забезпечують одержання заявляемого технічного результату. Дійсно, фізичною властивістю переходу Джозефсона є симетричність його вольт-амперної характеристики. Тому введення в склад пристрою формування режимозадаючого сигналу ПД пристрою інвертування за вибором дозволяє одержати на ПД, згідно з часовою функцією режимозадаючого сигналу, дві "сходинки" з рівними за величиною та протилежними за знаком напругами. Результати вимірювань кожної із цих напруг будуть містити окрім корисного сигналу з протилежними знаками також однакові суми напруг джерел похибок. Віднімання від одного результату вимірювання другого та ділення обчисленої різниці на два дає значення напруги на ПД без суми напруг джерел похибок, що істотно підвищить точність вимірювання частоти у міліметровому та субміліметровому діапазонах довжин хвиль. На фіг.1 показана структурна схема пристрою, що заявляється; на фіг.2 - епюри напруг вхідного сигналу (Uc) перешкоди (Uп), діючої на вході, та їх аддитивної суми. Пристрій для визначення частоти електромагнітного випромінювання містить лінію 1 передачі, вимірюваного електромагнітного випромінювання хвилевода прямокутного перерізу, у якому встановлений надпровідний перехід 2 Джозефсона. малошумний підсилювач 3, аналого-цифровий перетворювач 4, мікропроцесор 5 з запам'ятовуючим пристроєм 6, індикаторний пристрій 7, а також цифро-аналоговий перетворювач 8, з'єднаний через пристрій 9 інвертування за вибором режимозадаючої напруги та дільник 10 напруги з контактами переходу Джозефсона. В якості надпровідного переходу Джозефсона можна використовувати, наприклад, торцевий контакт на основі Nb-a Si-Nb, охолоджений за допомогою кріогенної установки. Пристрій 9 інвертування за вибором може бути виконаний, наприклад, або за допомогою двох електромагнітних реле з контактами, що перемикаються, або чотирьох КМОП-ключІв, а також за допомогою пристрою інвертування за вибором (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1986. - С.164). Пристрій для визначення частоти електромагнітного випромінювання у мм та субміліметровому діапазонах довжин хвиль працює таким чином. Електромагнітне випромінювання, частоту коливань fx якого необхідно визначити, через лінію 1 передачі опромінює перехід 2 Джозефсона. Одночасно 3 цим по команді мікропроцесора 5 від цифроаналогового перетворювача 8 через пристрій 9 інвертування за вибором та дільник 10 напруги на перехід 2 Джозефсона поступає ступінчатонаростаючий режимозадаючий сигнал. При цьому на переході 2 Джозефсона виникає ступінчато наростаюча напруга, яка змінюється згідно з вольт-амперною характеристикою переходу 2 Джозефсона. За певних умов на вольтамперній характеристиці виникає так звана "сходинка" Шапіро, яка проявляється в тому, що при зростанні до відповідного значення струму через перехід 2 Джозефсона не виникає збільшення на переході 2 Джозефсона. Сумарна напруга сигналу та перешкоди (+Uc+Uп), що знімається з переходу 2 Джозефсона, підсилюється малошумним підсилювачем 3 та по команді мікропроцесора 5 в режимі існування "сходинки" Шапіро перетворюється у код аналогоцифровим перетворювачем 4, і фіксується у запам'ятовуючому пристрої 6. Після цього по команді мікропроцесора 5 пристрій 9 інвертування за вибором змінює полярність режимозадаючого сигналу на протилежну. В силу симетричності вольт-амперної характеристики переходу 2 Джозефсона на вольт-амперній характеристиці виникне "сходинка" Шапіро такого ж значення напруги, але протилежної полярності (-Uc). Сумарна напруга сигналу та перешкоди (-Uc+Uп) підсилюється малошумним підсилювачем 3 і по команді мікропроцесора 5 перетворюється у код аналого-цифровим перетворювачем 4 та запам'ятовується у запам'ятовуючому пристрої 6. Мікропроцесор 5 із коду, пропорційного (+Uc+Uп), віднімає код, пропорційний (-Uc+Uп), а різницю зменшує у два рази. В результаті одержується код Uк, пропорційний Uc. Мікропроцесор 5 обчислює частоту по відомій формулі. де e, ph - фундаментальні константи. Таким чином, точність визначення частоти fx значно пІдвищуеться (приблизно, на порядок) завдяки тому, що більш точно визначено значення Uк із-за віднімання напруги перешкоди Uп.