Пристрій захисту мікрохвильових приймачів

Пристрій захисту мікрохвильових приймачів, що містить лінію передачі з нелінійним елементом, високочастотний генератор для збудження хвиль та приймач, який відрізняється тим, що секція лінії передачі виконана у вигляді прямокутного хвилеводу, висота b якого набагато менша ширини a ), одна або дві широкі стінки а хвилеводу ( b якого виконані з високотемпературного надпровідника. Винахід відноситься до галузі мікрохвильової техніки (надвисокі частоти - НВЧ), а саме, до радіоприймальних систем, в яких виникає необхідність в захисті приймачів від імпульсних електромагнітних сигналів. В даний час активно розвивається мікрохвильова техніка в таких напрямках як космічний зв'язок і дистанційне зондування, а також мобільний зв'язок, де все більш широке застосування знаходять пристрої на основі матеріалів з високотемпературних надпровідників (ВТНП), які надають нові можливості і перспективи в розробці ефективних пристроїв і радіофізичних підсистем. Низькі втрати, широка смуга, низький рівень шумів, швидкісні характеристики, обумовлені надпровідністю, досить привабливі для досягнення високих технічних характеристик відповідних пристроїв [Hein M. HighTemperature-Superconductor Thin Films at Microwave Frequencies. - Springer Verlag Berlin Heidelberg New York, 1999. - 394p.]. Однієї з основних фізичних характеристик, знання якої визначає співвідношення полів на поверхні провідника, і яка застосовується при вивченні можливостей практичного використання різного роду ліній передач і резонансних систем, є поверхневий імпеданс Zs. Поверхневий імпеданс є комплексною величиною Zs=Rs+iXs, де Rs - поверхневий опір, який визначає втрати енергії електромагнітної хвилі при відбиванні від надпровідника. Уявна частина поверхневого імпедансу (реактанс) Xs, визначає недисипативну енергію, що запасається в поверхневому шарі надпровідника. Відомо, що при температурі рідкого азоту ВТНП мають значно менші значення поверхневого імпедансу, ніж традиційні матеріали мікроелектроніки. А це означає, що аж до певних частот використання надпровідникових плівок може радикально понизити втрати корисного сигналу. Через різну частотну залежність поверхневого опору для нормально провідних матеріалів (Rs~f1/2) і надпровідників (Rs~f2) цей виграш можна отримати тільки на частотах, що лежать нижче області перетину цих залежностей, зокрема для ВТНП - нижче ~150ГГц. Цей діапазон частот охоплює практично весь робочий діапазон частот сучасної НВЧ мікроелектроніки. Таким чином, в надпровідному (S) стані різні пристрої на основі надпровідних плівок матимуть значні переваги в порівнянні з традиційними з погляду втрат по корисному сигналу. Відношення поверхневих опорів в нормально провідному (N)- і S- станах в НВЧ (19) UA (11) 90294 (13) C2 (21) a200709455 (22) 20.08.2007 (24) 26.04.2010 (46) 26.04.2010, Бюл.№ 8, 2010 р. (72) ГУБІН ОЛЕКСІЙ ІВАНОВИЧ, ЛАВРИНОВИЧ ОЛЕКСАНДР АНТОНОВИЧ, ЧЕРПАК МИКОЛА ТИМОФІЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ІМ. О.Я.УСИКОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) UA 25370 U; 10.08.2007 JP 1008701 A; 12.01.1989 GB 2235828 A; 13.03.1991 WO 9723012 A1; 26.06.1997 EP 0496512 A1; 13.01.1992 US 5841342; 24.11.1998 Черпак Н.Т., Величко А.В. Высокотемпературные сверхпроводники в микроволновой технике. // За 3 діапазоні (наприклад, на 10ГГц) буде більше 103, що свідчить про можливість створення пристроїв з S-N - перемиканням, які практично без втрат пропускають корисний сигнал і ефективно обмежують проходження сигналу перешкоди [Черпак Н.Т., Величко А.В. Высокотемпературные сверхпроводники в микроволновой технике. // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 2000. -№4. -с.3-47]. Відомо, що перехід надпровідного матеріалу з S- стану в N-стан можна здійснювати не тільки за рахунок його нагріву, але і іншими способами. Якщо надпровідник розташувати в постійному магнітному полі Н, значення якого перевищує критичне поле Нс, то надпровідник також перейде із S- в N- стан. S-N перемикання можна здійснити, пропускаючи через надпровідник струм більше критичного (І>Іс), що викликає руйнування надпровідності. Лазерне випромінювання з потужністю вище певного рівня викликає також перехід із надпровідного стану в нормально провідне. З погляду технічних додатків можливість перемикати який-небудь елемент з одного стану в інший є надзвичайно цікавою. При цьому важливу роль грає така характеристика як швидкодія, тобто час SN, за який під дією струму, вищого за критичний, відбудеться перехід плівки з надпровідного стану в нормально провідний. Очевидно, і здібність до S-N- перемикання надпровідникових матеріалів також може знайти важливі застосування, наприклад, в силовій електротехніці для створення пристроїв захисту мереж від перевантажень або в мікроелектроніці для створення різних елементів управління і захисту. Враховуючи те, що сучасна НВЧ- мікроелектроніка базується на інтегральних схемах, то в цьому випадку доцільно використовувати надпровідникові матеріали у вигляді плівок. Слід зазначити, що технологія плівок ВТНП досягла великих успіхів з погляду можливості технічного використання цих матеріалів. В даний час одержують високоякісні монокристалічні плівки ВТНП, параметри яких дозволяють створювати досконалі пристрої мікрохвильової електроніки. Так, при перемиканні із S- в N-стан мікросмужкової лінії, сформованої на основі плівки надпровідника, через яку певним чином пропускають НВЧ- сигнал, умови для проходження НВЧ- сигналу будуть змінюватися. Таким чином, на основі ефекту S-Nперемикання можна створювати різні пристрої: вимикачі і перемикачі каналів, модулятори, обмежувачі і пристрої захисту, фазообертачі і т.п. [Shen Zhi-Yuan. High-Temperature Superconductivity Microwave Circuits, Boston-London: Artech House, 1994. -272p.; High-Tc Superconductors: Physical Principles of Microwave Applications / Ed. O. Vendik. St. Petersburg: ELTECH, 1991. 146p.]. Розглянемо доцільність використання вище перелічених можливостей перемикання плівок з Sв N-стан при створенні пристроїв мікроелектроніки. Так, наприклад, можна здійснювати S-Nперемикання теплом, розташувавши над або під надпровідниковою плівкою резистивний плівковий нагрівач, ізольований від надпровідника плівкою діелектрика. Пропускаючи струм управління через нагрівач, плівка надпровідника підігрівається і пе 90294 4 реходить в N-стан. Проте швидкодія такої системи через теплову інерцію буде невелика і в кращому разі досягне мікросекунд [Martens J.S. et.al. HTSbased switched filter banks and delay lines. // IEEE Trans, on Appl. Supercond. - 1993. - vol.3. -p.28242827]. S-N-перемикання за рахунок лазерної дії надзвичайно привабливе у зв'язку з можливістю використання часових масштабів швидкодії лазера порядку пікосекунд і у зв'язку з доброю розв'язкою по частоті між робочим сигналом і сигналом управління. Проте енергетичні витрати на таке перемикання достатньо великі, оскільки через велике відбиття тільки невелика частина енергії лазерного променя, що підводиться, розсіюється в плівці [Сао W.-L. et.al. Picosecond superconductor opening switch. // IEEE Trans, on Appl. Supercond. 1993. - vol.3.- p.2848-2850]. Альтернативою оптичному управлінню ВТНП-пристроями є використання напівпровідникових компонент, чутливих до оптичного сигналу. В пристроях такого типу час перемикання системи не перевищує 10-2-1мкс. Це достатньо великі значення часу в порівнянні з часом перемикання, які були отримані в інших пристроях. [Soares E.R., et. al. Optical switching HTS band reject resonators. // IEEE Trans, on Appl. Supercond..- 1995. - vol.5.- p.2276-2278]. Для перемикання магнітним полем потрібно створювати спеціальну магнітну систему управління, яка потребує значної величини струму для створення необхідних для S-N-перемикання магнітних полів або буде інерційною за рахунок великої власної індуктивності [Ван Дузер Т., Тернер Ч.У. Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей. - М.: Радио и связь, 1984. - 344с.]. Найперспективнішим з погляду технічного використання є ефект S-N-перемикання під дією управляючого струму, що протікає через плівку. При цьому можливо досягнення дуже високої швидкодії (менше десятих наносекунди) і мінімальних у порівнянні зі всіма перерахованими способами енерговитрат джерела управління для здійснення S-Nперемикання [Poulin D.G. et. al. A superconducting micriwave switch. // IEEE Trans, on Appl. Supercond..- 1995.- vol.5.- p.3046-3048]. З експериментальних даних і теоретичних оцінок виходить, що час перемикання з надпровідного стану в нормально провідний стан є дуже малим ( 10-10с). Цей факт може бути використаним при вирішенні проблеми створення нових пристроїв з високою швидкодією - ключів із зовнішнім управлінням або некерованих обмежувачів [Vendik І.В., Vendik Про. G., Kaparkov D. High Temperature Superconductor Devices for Microwave Signal Processing. Part I;II;III, Superconducting Microwave Circuits. - СПб.: ТОО "Складень", 1997. - 135с.]. Найбільш відповідними для реалізації таких пристроїв є тонкоплівкові відрізки ліній передачі, створені на основі планарних технологій. До них можна віднести мікрополоскові, щілинні або копланарні лінії передачі. При такому виконанні простіше забезпечити необхідну якість ВТНП плівки, добре охолоджування і відведення тепла. Характер поведінки лінії НВЧ при зовнішній мікрохвильовій дії істотно залежатиме від якості надпровідної структури, що використовується. Так, неоднорідність плівок може обмежувати характе 5 ристики плівки при високих рівнях потужності, що подається на неї. Дослідження показують, що локальні дефекти, викликані можливими подряпинами на поверхніпідкладки, відповідають за порушення роботи пристрою при підвищенні рівня поля. Такі дефекти, найімовірніше, утворюються областями із зниженою густиною струму. Таким чином, характер поведінки лінії НВЧ при зовнішній мікрохвильовій дії істотно залежатиме від якості надпровідної структури, що використовується. Аналіз таких структур навіть на основі звичайних матеріалів достатньо складний, тому при їх розгляді активно користуються різними наближеннями. Більш того, значна частина формул, яка вживається при розрахунку пристроїв і елементів на їх основі, отримана в результаті обробки великої кількості експериментальних даних [Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Г.И. Веселова. - М.: Высш. пік., 1988. - 280с; Полосковые линии и устройства сверхвысоких частот. Под. ред. В.М. Седых. - Харьков: Высш. шк., 1974. 276с.]. Відомий пристрій захисту на основі ВТНП розроблено з використанням копланарної лінії (КПЛ) передачі [Вендик О.Г. и др. Влияние уровня СВЧмощности на характеристику передачи линии на основе пленки YBa2Cu3О7-x. // Сверхпроводимость: физика, химия, техника. - 1990.- т.3, №6. -часть 1. с.1041-1044]. Він складається з КПЛ, сформованої на основі плівки YВа2Сu3O7-х. Плівка осаджувалась методом магнетронного розпилення на підкладку з монокристалічного окислу магнію з орієнтуючим шаром (Ва, Sr)TiO2 завтовшки 1мкм. Досліджуваний відрізок КПЛ розміром ~ 20 6мм вмикався в розрив коаксіального тракту з допомогою коаксіально-смужкових переходів. На вхідній і вихідній ділянках КПЛ, для поліпшення умов узгодження, формувалися контактні площадки шляхом напилення плівки срібла. Вимірювання затухання сигналу відносно рівня імпульсної НВЧ-потужності на вході КПЛ проводилися на частоті 9,5ГГц. Тривалість процесу переходу плівки в резистивний або нормально провідний стан при І>Іс складає величину порядку 10-10с. До недоліків такого пристрою слід віднести відсутність можливості їх строгого теоретичного аналізу, виникнення гібридних коливань в структурі. При збільшенні довжини структури має місце істотний вплив неоднорідностей плівок на зниження критичних параметрів. Найближчим по своєму технічному рішенню є пристрій, в основу якого покладено копланарну лінію передачі, створену на основі плівки YBa2Cu3O7-x. У вигляді меандрової структури, нанесеної на сапфірову підкладку розміром ~20 506мм [Бондаренко И.Н., Лавринович А.А. Исследование тонкопленочной копланарной линии на основе высокотемпературного сверхпроводника. // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. / НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники. Харьков, 2006.- т.11, №2, - с.318-322]. Імпульси НВЧ (f=9.3ГГц) тривалістю 2-50мкс подавалися на вхід лінії передачі, яка розміщувалася в герметичному боксі, заповненому інертним газом. Вимірювання проводилися при температурі 77-296К. 90294 6 До недоліків такого пристрою слід віднести чутливість структури до однорідності імпедансних властивостей в площині плівки, що приводить до утворення непровідних областей (мікророзривів) впоперек плівки на окремих ділянках КПЛ і до порушення її роботи як захисного (перемикаючого) пристрою. Такі порушення роботи ліній передачі викликаються неоднорідністю напилення при виготовленні плівок, що є суттєвим за наявності каналів малих розмірів (у даному випадку - 0.186мм). При вказаних вище розмірах КПЛ густина струму на краях центрального провідника КПЛ перевищує густину струму в його центрі приблизно в 470 разів. Отже, виникає реальна небезпека локального руйнування лінії передачі при її переході в нормальний стан. Таким чином, характер поведінки лінії НВЧ при зовнішній мікрохвильовій дії істотно залежатиме від якості надпровідної структури, її розмірів і геометрії, що використовується. В основу винаходу поставлена задача удосконалення пристрою захисту мікрохвильових приймачів шляхом взаємодії імпульсного НВЧвипромінювання великої потужності з поверхнею ВТНП плівки, що забезпечить підвищення ефективності, надійності і розширення діапазону його використання. Поставлена задача розв'язується таким чином, що в пристрої захисту мікрохвильових приймачів, що складається із лінії передачі з нелінійним елементом, високочастотного генератора для збудження хвиль і приймача, згідно винаходу, секція лінії передачі виконана у вигляді прямокутного хвилеводу з висотою b, набагато меншою ширини а хвилеводу (b а), одна або дві широкі стінки якого виконані з високотемпературного надпровідника. Суть винаходу пояснюється ілюстраціями: на Фіг.1 і Фіг.2 зображена лінія передачі захисного пристрою, коли одна або дві широкі стінки хвилеводу виконаноз високотемпературного надпровідника; на Фіг.3 і Фіг.4 показана залежність затухання хвилі від висоти b хвилеводного каналу структури при температурах 300К і 77К для випадку, коли широка стінка хвилеводу а (одна або дві, відповідно) виготовлена з міді або високотемпературного надпровідника. Запропонований пристрій захисту мікрохвильових приймачів містить в собі лінію передачі у вигляді прямокутного хвилеводу 1, одна або дві сторони якого виконано з високотемпературного надпровідника 2, нанесеного на діелектричну підкладку 3. Ширина хвилеводного каналу вибрана такою, щоб в ньому збуджувалася хвиля основного типу H10, при цьому виконувалася умова, коли вузька стінка b набагато менше широкої стінки а хвилеводу (b а). Строго кажучи, в такому хвилеводі розповсюджуватиметься хвиля з деякою поздовжньою складовою електричного поля, так що основним типом хвилі стає квазі-H10 - хвиля. Запропонований пристрій працює таким чином: в прямокутному хвилеводі 1 розповсюджується хвиля квазі-H10 типу, яка взаємодіє з високотемпературним надпровідником 2, нанесеним на діелектричну підкладку 3 і розташовану на одній або двох бокових поверхнях хвилеводу. Пристрій 7 охолоджується до температури 77К. При підвищенні рівня вхідного сигналу, при якому відбувається перехід плівки в нормальний стан, різко зростають втрати в лінії передачі з ВТНП плівкою, що обмежує подальше зростання потужності, яка проходить по лінії передачі. Запропонований пристрій захисту мікрохвильових приймачів було досліджено на частотах 9.3 і 41ГГц, ширина хвилеводного каналу вибиралася такою, щоб в ньому збуджувалася хвиля основного типу H10, стінки якого (одна або дві) замінювалися плівкою з ВТНП (YBa2Cu3O7-x), нанесеною на діелектричну підкладку. Проведений чисельний аналіз на частоті 9.3ГГц і експериментальні дослідження на частоті 41ГГц показали, що при зменшенні хвилеводного каналу спостерігається зростання втрат за рахунок кінцевої провідності широких стінок хвилеводу а, виготовлених як з міді, так і при заміні їх ВТНП. Це виразно видно із 90294 8 залежності затухання від висоти хвилеводного каналу структури b (Фіг.3 і Фіг.4). Проте, заміна однієї (або двох) з широких стінок хвилеводу ВТНП приводить до: 1) значного зменшення Rs при 77К і 2) можливості включення додаткового затухання хвилі за рахунок переходу ВТНП плівки в нормальний стан під впливом сильного імпульсного сигналу перемикання при розробці пристрою захисту мікрохвильових приймачів. Експериментальні дослідження властивостей хвилеводу малої висоти з широкою стінкою із ВТНП на частоті 41ГГц підтвердили результати теоретичного аналізу. Таким чином, застосування високотемпературних надпровідників у даній структурі підвищує надійність її використання при великих потужностях на вході, виключаючи вихід її з ладу завдяки набагато більшій ширині плівки в хвилеводі в порівнянн з шириною смужки в копланарній або мікрополосковій лініях. 9 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 90294 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601