Hадвисокочастотhий пристрій з переходом джозефсоhа

Изобретение относится к области сверхпроводниковой СВЧ электроники и радиотехники, в частности, к преобразовательным устройствам на переходах Джозефсона и наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении спектрометров. Известны СВЧ устройства, предназначенные для обеспечения связи перехода Джозефсона (далее ПД) с линией передачи исследуемого СВЧ сигнала, т.е. для возбуждения в ПД переменного тока, с частотой исследуемого сигнала и амплитудой, определяемой его мощностью. Так, например, "Элемент с переходом Джозефсона коаксиального типа СВЧ диапазона" заявлен в акцептованной заявке Японии №57 12549, кл. H01L39/22, H01P5/00, опубл. 03.11.82) и "СВЧ-устройство с переходом Джозефсона" в волноводном исполнении, описано в патенте Франции №2258714, кл. H01P5/00, опубл. 10.09.75). Теоретическими исследованиями (Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джозефсоновскими контактами. - Изд-во Московского ун-та, 1973), показано, что при использовании последних, для обеспечения адекватного преобразования при анализе спектра сигналов, необходимо выполнение следующих усло вий. Запитка ПД как по низкой частоте (смещению), так и по высокой частоте (анализируемому сигналу) должна осуществляться от источника тока, т.е. внутреннее сопротивление источников сигнала и смещения должны быть чисто активными и значительно большими, чем сопротивление ПД. Сопротивление перехода должно быть как можно меньше, так как с его уменьшением пропорционально сужается полоса собственной генерации ПД, а, следовательно, увеличивается разрешающая способность анализа. Типовые значения сопротивления ПД, применяемых для анализа спектра, составляют порядка единиц десятых долей Ома. В то же время, из приведенных описаний патентов видно, что в этих устройства х не предусмотрена диссипативная развязка между ПД и подводящим волноводным трактом. Отсутствие такой развязки может привести к нагрузке ПД на паразитные резонансные контуры, (в том числе и на нерабочих модах распространения), которые образуются неизбежными нерегулярностями подводящей длинной линии передачи, что приводит к искажению АЧХ ПД в полосе частот, т.е. значительному увеличению неравномерности коэффициента преобразования. С другой стороны, при существенном неравенстве выходного сопротивления подводящего волноводного тракта сопротивлению ПД, источник сигнала будет работать на сильно рассогласованию нагрузку, что может привести к изменению параметров его сигнала (из-за затягивания частоты, изменения спектрального состава и др.). Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, конструкция которого описана в статье Крутько А.П., Сулима В.С. Гетеродинное детектирование сигналов СВЧ сверхпроводниковыми микропленочными элементами // Радиотехника и электроника. - 1982. - Т.27. - №11. - С.2226. Это устройство содержит переход Джозефсона, элементы которого выполнены в виде интегральной микросхемы на плоской поверхности твердой диэлектрической подложки (сапфир). На этой подложке напылением тонких пленок сформирован соответственно ПД с выводами и проводниками фильтров нижних частот (ФНЧ) цепей смещения. Волноводный блок устройства содержит переход от подводящего волновода на гребенчатый волновод с заниженным выходным сечением, выполняющий функции преобразователя мод распространения и понижающего трансформатора импеданса. Микросхема датчика своей лицевой плоскостью прижат к выходному фланцу волноводного блока через тонкую диэлектрическую прокладку (слюда) таким образом, что ПД находится в апертуре волновода, а его продольная ось параллельна вектору электрического поля в волноводе. При этом проводящая плоскость фланца волноводного блока, диэлектрическая прокладка и проводники микросхемы образуют полосковые системы фильтров нижних частот и двух отрезков полосковой линии. Эти отрезки полосковой линии образуют четвертьволновые шлейфы, разомкнутые на концах, удаленных от ПД, обеспечивая подключение электродов ПД по высокой частоте непосредственно к концу волновода через свои малые входные сопротивления. Сравнение данного устройства, например, с устройством по патенту Франции, упомянутом выше, показывает, что стр уктурно они идентичны. Поэтому недостатки, присущие обоим устройствам, одинаковы. Эти устройства не обеспечивают работу подводящего тракта в режиме бегущей волны при неравенстве его выходного сопротивления сопротивлению ПД и не создают диссипативной развязки между ПД и подводящим СВЧ-трактом. Кроме того, применение в устройстве-прототипе частотнозависимых элементов связи ПД с волноводным трактом принципиально ограничивает полосу рабочих частот устройства. Предлагаемое изобретение направлено на создание такого СВЧ-устройства на основе перехода Джозефсона, преимущественно для спектрального анализа в широкой полосе частот миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн, в котором введение новых элементов и их расположение по отношению ко входящим в устройство элементам позволит достичь следующий те хнический результат - обеспечить работу подводящего СВЧ-тракта в режиме бегущей волны в широкой полосе частот, а также создать диссипативную развязку ПД с трактом, т.е. обеспечить режим питания ПД по цепи сигнала от источника тока, и частотнонезависимую связь ПД с волноводом. Указанный технический результат позволит расширить диапазон рабочих частот устройства при существенном снижении неравномерности коэффициента преобразования, что в целом даст возможность создать сверхширокополосный анализатор спектра на ПД, обеспечивающий более высокую точность измерения. Указанная задача решается за счет того, что в СВЧ устройстве с переходом Джозефсона, содержащем волноводный блок с плоским выходным фланцем и заниженным выходным сечением, включающий преобразователь мод распространения подводящего волновода и понижающий СВЧ трансформатор импеданса, а также интегральную микросхему на диэлектрической подложке, на которой выполнен собственно ПД с пленочными выводами и проводниками фильтров нижних частот цепей смещения, и диэлектрическую прокладку, при этом микросхема установлена на выходной фланец вол но водного блока через диэлектрическую прокладку таким образом, что ПД размещен в апертуре волновода, а его продольная ось параллельна вектору электрического поля в волноводе, согласно изобретению на поверхности диэлектрической прокладки, обращенной к микросхеме, либо на самой микросхеме дополнительно нанесены два пленочных проводника с высоким поверхностным сопротивлением, причем эти проводники выполнены так, что их продольные оси совпадают с продольными осями выводов ПД, а ширина больше ширины выводов ПД. Новые признаки, которыми обладает заявляемое техническое решение, а именно введение двух дополнительных пленочных проводников с высоким поверхностным сопротивлением, определенным образом размещенных в устройстве, обеспечивают соответствие заявляемого изобретения критерию "новизна". Эти признаки позволяют достичь технический результат - обеспечить диссипативную развязку между ПД и волноводом, образовать нерезонансную связь между ними, а также обеспечить режим бегущей волны входного волновода, что поясняется следующим образом. Подключение ПД к волноводу в устройствепрототипе осуществляется через входные сопротивления отрезков полосковых линий, образованных пленочными проводниками выводов ПД и проводящей поверхностью выходного фланца волноводного блока, изолированных между собой диэлектрической прокладкой. Введение дополнительных пленочных проводников с высоким поверхностным сопротивлением, ширина которых больше ширины выводов ПД, позволяет внести в полосковые линии распределенные омические потери. Выбором размеров и других параметров полосковой линии с потерями можно обеспечить практически полное поглощение распространяющейся по ней электромагнитной волны в широкой полосе частот, т.е. фактически реализовать широкополосную согласованную полосковую нагрузку, Входное сопротивление согласованной нагрузки чисто активно и практически не изменяется в широком диапазоне частот, а величина его соответствует волновому сопротивлению полосковой линии на ее входе. Подключение ПД к волноводу через чисто активные сопротивления, при соответствующем выборе их величины по отношению к сопротивлению ПД, позволяет значительно ослабить влияние паразитной реактивной составляющей выходного сопротивления СВЧ тракта, т.е. осуществить диссипативную развязку между ними, а следовательно, реализовать режим питания ПД по цепи сигнала от "источника тока". Выполнение условия равенства суммы входных сопротивлений упомянуты х вы ше нагрузок и сопротивления ПД волновому сопротивлению подводящего волновода обеспечивает режим бегущей волны в волноводе. На фиг.1 показан общий вид заявляемого устройства (для наглядности элементы устройства условно разнесены); на фиг.2 - общий вид микросхемы датчика (вариант исполнения заявляемого устройства). Сверхвысокочастотное устройство с переходом Джозефсона (фиг.1) содержит волноводный блок 1 с плоским выходным фланцем и заниженным выходным сечением, включающий преобразователь мод распространения подводящего волновода и понижающий СВЧ трансформатор импеданса, интегральную микросхему 2 на диэлектрической подложке, на которой выполнен собственно ПД 3 с пленочными проводниками выводами 4 и фильтров нижних частот цепей смещения 5, диэлектрическую прокладку 6, например из слюды. Микросхема 2 установлена на выходной фланец волноводного блока 1 через диэлектрическую прокладку 6 таким образом, что ПД размещен в апертуре волновода, а его продольная ось параллельна вектору электрического поля в волноводе. На поверхности диэлектрической прокладки 6 (фиг.1), обращенной к микросхеме, либо на самой микросхеме (фиг.2) дополнительно нанесены два пленочных проводника 7 с высоким поверхностным сопротивлением, например, из резистивного сплава. Эти проводники выполняются так, чтобы их ширина была больше, чем у выводов ПД, а продольные оси проводников 7 совпадали с продольными осями выводов 4. Форма и размеры проводников 7, а также форма и размеры выводов 4, толщина и диэлектрическая проницаемость материала прокладки 6 выбраны известным из технической литературы путем (Кац Б.М., Мешанов В.П., Попова Н.Ф. Нагрузочные устройства СВЧ для линий передачи с Т- и квази-Т-волнами // Обзоры по электронной технике. - Сер.1. Электроника СВЧ. - Вып.2 (1165). - М.: ЦНИИ "Электроника", 1986) так, чтобы образовать полосковые согласованные нагрузки с требуемым входным сопротивлением в рабочем диапазоне частот. При этом, выбор величины входного сопротивления нагрузок определяется из условия, чтобы их сумма с сопротивлением ПД была равна волновому сопротивлению волноводного блока 1 в его выходном сечении. Устройство работает следующим образом. Исследуемый СВЧ-сигнал по подводящему волноводу поступает на волноводный блок 1, в котором производится преобразование мод распространения и понижение волнового сопротивления волноводной линии передачи. Электромагнитная волна, поступая на выходной конец волноводного блока, возбуждает в ПД через элементы связи переменный ток, частота которого соответствует часто те сигнала, а величина определяется его мощностью. Элементами связи, являются входные сопротивления полосковых согласованных нагрузок, образованных выводами ПД 4, в совокупности с диэлектрической прокладкой 6, выходным фланцем волноводного блока 1 и пленочными проводниками с высоким поверхностным сопротивлением 7. Подача тока смещения рабочей точки на ПД и съем выходного напряжения с него производится через фильтры нижних частот 5.