Спосіб вимірювання частоти монохроматичного електромагнітного поля мікрохвильового діапазону

Спосіб вимірювання частоти монохроматичного електромагнітного поля мікрохвильового діапазону з використанням приймача поля на основі надпровідного переходу Джозефсона, який передбачає реєстрацію і обробку прояву нестаціонарного ефекту Джозефсона у вигляді сходинки струму на VI-характеристицІ надпровідного переходу, опроміненого НВЧ-полєм, який відрізняється тим, що використовують надпровіднико Винахід має відношення до галузі радіотехніки, зокрема до радіотехнічних вимірювань частоти надвисокочастотних (НВЧ) електромагнітних ролів мікрохвильового (МКХ) діапазону довжин хвиль І може бути використаний в різноманітних галузях науки і техніки, таких як радіолокація, зв'язок, фізика плазми, радіоастрономія та в ряді інших. Традиційно вимірювання частоти в МКХ діапазоні довжин хвиль здійснюється з застосуванням підрахунку періодів попередньо перетвореного в область низьких частот сигналу, збудженого досліджуваним НВЧ-полем {1], або на основі інтерферометричних способів [2). Для вимірювання частоти в зазначеному діапазоні можна також використовувати відомі способи реєстрації і функціональної обробки вольтамперних характеристик, деформованих проявами нестаціонарного ефекту Джозефсона в надпровідному переході-приймачі досліджуваного електромагнітного поля [3.4J. Спосіб вимірювання частоти НВЧ-полів на основі підрахунку періодів характеризується відносно малим діапазоном робочих частот. Наприклад, для перекриття міліметрового діапазону (приблизно від 10 до 300 ГТц) потрібно використовувати комплекти змінних НВЧ-вимірювальних голівок. Внаслідок цього не забезпечується можливість оперативного пано вий перехід, який шляхом вибору робочої температури менше • критичної встановлюють у гістерезисний режим роботи з напругою стрибка, що у термінах частоти рівна або перевищує верхню межу діапазону вимірюваних частот, для реєстрації прояву нестаціонарного ефекту Джозефсона керуючий переходом струм зміщення встановлюють таким, щоб проекція сходинок струму VI-характеристик надпровідного переходу, опроміненого досліджуваним НВЧ-полем мінімальної інтенсивності на вісь струмів перекривала його значення, вимірюють напругу на надпровідному переході, опроміненому досліджуваним НВЧ- ( полем, і визначають частоту досліджуваного поля шляхом перерахунку вимірюваної напруги за фундаментальним співвідношенням Джозефсона. рамного вимірювання з усьому широкому діапазоні можливої зміни частоти досліджуваного поля. Інтерферометричний спосіб вимірювання частоти також не забезпечує перекриття усього МКХ діапазону одним пристроєм. Коефіцієнт перекриття частоти для багатопроменевого інтерферометра не більше 3,0, тому для перекриття міліметрового діапазону необхідно використовувати як мінімум три піддіапазони вимірювань. Крім того, при високоточних вимірюваннях частоти (особливо в низькочастотній і середній частині МКХ діапазону) габарити використовуваної в інтерферометричних частотомірах квазіоптики і вимоги до точності юстировки її механічного приводу можуть перевищити технічно доцільні межі. У сукупності обидва чинники, як і у випадку використання способу вимірювання частоти НВЧ-поля на основі підрахунку періодів, суттєво обмежують широкосмуговість і оперативність вимірювань. Найбільш близьким до запропонованого способу вимірювань частоти по технічній сутності і досяжному кінцевому результату є один із відомих способів, що використовує в якості датчика інформації опромінюваний досліджуваним електромагнітним НВЧ-полем надпровідний перехід-приймач електромагнітного попя (НПП) і здійснює функціональну обробку його попередньо зареєстрованої вопьтамперної характеристики, деформованої м ю ю со 34552 внаслідок прояву нестаціонарного ефекту Джозефсона. Цей спосіб, описаний у [4], передбачає: - реєстрацію Vl-характеристики НПП, що являє собою залежність напруги на ньому від керуючого переходом струму зміщення при опроміненні НПП досліджуваним монохроматичним НВЧполем; - формування гістограми зареєстрованої Vlхарактеристики; - визначення частоти досліджуваного поля за положенням максимуму отриманої гістограми напруги на НПП, що змінюється під дією керуючого струму Принциповою особливістю аналізованого способу-прототипу є резистивний режим роботи надпровідного переходу, а також необхідність у процесі вимірювання здійснювати реєстрацію Vlхарактеристики та и наступну складну функціональну обробку з метою формування гістограми зареєстрованих відліків. Такий спосіб дозволяє вимірювати частоту досліджуваного НВЧ-поля в широкому діапазоні одним пристроєм, але при малій швидкості вимірювання, обумовленої часом Тр, що витрачається на реєстрацію Vlхарактеристики, і часом обробки То, який витрачається на формування їі гістограми. Як наслідок, сумарна тривалість часу вимірювання Т ё = Тр + TD звичайно перевищує припустиме дпя більшості практичних ситуацій значення, що обмежує область застосування способу-прототипу. Час реєстрації TD визначається обмеженою швидкістю зміни керуючого струму в процесі реєстрації Vlхарактеристики надпровідного переходу. Ця швидкість залежить від швидкодії використовуваної реєструючої апаратури і від часу виконання базових циклів формування гістограми, що у свою чергу залежить від використовуваного алгоритму і технічних засобів обробки зареєстрованої характеристики Час реєстрації Vl-характеристики в необхідній для формування гістограми цифровій формі визначається швидкодією засобів аналого-цифрового перетворення та Інерційністю підсилювача слабкого вихідного сигналу надпровідного переходу. При звичайно необхідній високій точності вимірювання частоти (відносна похибка вимірювань порядку 10"3 ) необхідно використовувати як мінімум 12-бітову подачу оброблюваних даних. Тоді з урахуванням прийнятної технічної складності сукупного тракту "перетворювач-підсипювзч" досяжний час реєстрації одного відліку можна оцінити величиною 10x10* сек. При цьому повний час Тр реєстрації послідовності нормального розміру з (5+10)х103 і відліків буде дорівнюаати приблизно (5*100)х10 3 сек. Формування гістограми вимагає сортування відліків оброблюваної послідовності за рівнем, їхнього підрахунку і розподілу за системою вікон, заданою необхідною точністю вимірювання частоти. Тривалість базового циклу такої достатньо складної обробки при прийнятній складності цифрової апаратури можна оцінити величиною порядку 10x10 сек., так що час Т о формування гісгограми також буде дорівнювати (5+100)х10 3 Таким чином, сумарна тривалість часу виміру Т, = Т р + То, яка визначає швидкість вимірювання частоти при використанні способу-прототипу, оцінюється величиною (100+200) хЮ' 3 сек., що екві валентно виконанню малої кількості (не біпь,ше 5+10) вимірювань у секунду. Наслідком зазначеної" вище складності функціональної обробки є ще один недолік прототипу, а саме використання при його реалізації спеціалізованих програмних і/або апаратних засобів, що призводить до збільшення габаритів, енергоспоживання та вартості апаратури. В основу запропонованого винаходу поставлена задача створити такий спосіб вимірювання частоти монохроматичного електромагнітного поля МКХ діапазону з використанням опромінюваного досліджуваним НВЧ-полем приймача поля на основі надпровідного переходу Джозефсона, в якому новий специфічний режим роботи надпровідного переходу і нове виконання процедури реєстрації Vl-характеристики дозволяють зменшити час вимірювання і складність обробки зареєстрованих даних, а за рахунок цього зменшити габарити, енергоспоживання та вартість реалізуючої апаратури Вказаний технічний результат досягається за рахунок того, що у запропонованому способі вимірювання частоти монохроматичного поля МКХ діапазону з використанням приймача електромагнітного поля на основі надпровідного переходу Джозефсона, опромінюваного досліджуваним НВЧ-попем, і який передбачає використання прояву нестаціонарного ефекту Джозефсона у формі сходинки струму на Vl-характеристиці переходу і наступну обробку отриманих таким чином даних, згідно з винаходом, використовують надпровідний перехід, який вибором робочої температури переходу менше критичної встановлюють у гістерезисний режим роботи з напругою стрибка, який у термінах частоти рівний або перевищує верхню частоту діапазону вимірювання, для реєстрації прояву нестаціонарного ефекту Джозефсона встановлюють такий струм зміщення переходу, при якому проекція сходинки струму, що відповідає мінімальній інтенсивності досліджуваного поля, на вісь струму перекриває його значення, вимірюють напругу на переході, опромінюваному досліджуваним НВЧ-полем, і визначають його частоту шляхом перерахунку вимірюваної напруги за фундаментальним співвідношенням Джозефсона [5]: F [МГц] = 483 6 V(MKB]. Заявлювані істотні ознаки способу забезпечують одержання заявлюваного технічного результату. Дійсно, у запропонованому способі вимірювання монохроматичних електромагнітних НВЧполів МКХ діапазону використовується специфічний (гістерезисний) [61 режим роботи опромінюваного монохроматичним НВЧ-полем надпровідного переходу, для якого характерний розрив Vlхарактеристики в точці виходу переходу зі стану надпровідності (стрибок напруги на переході до HanpyrnVo, при якій частота власної генерації переходу збігається з верхньою частотою робочого діапазону вимірів Fmax або перевищує її) і при якій, на відміну від способу-прототипу, положення особливості (сходинки струму) у системі координат {V; 1} відображення Vl-характеристики залежить тільки від частоти F опромінюючого перехід поля І практично відсутнє характерне для способу-прототипу 34552 зміщення особливості уздовж осі струмів при зміні цієї частоти Тому на відміну від способупрототипу, для якого характерна необхідність змінювати в процесі вимірювання частоти керуючий переходом струм зміщення, реєструвати на кінцевому інтервалі його зміни Vl-характеристику переходу і формувати її гістограму, вимірювання частоти запропонованим способом здійснюється при фіксованому значенні керуючого переходом струму зміщення і зводиться до виміру напруги V на переході, якщо ця напруга перевищує мінімальну для вибраного робочого діапазону частот напругу Vmm Еквівалентна вимірюванню частоти процедура вимірювання постійної напруги V відрізняється функціональною простотою, не вимагає додаткової обробки зареєстрованої постійної вихідної напруги переходу. Відсутність необхідності а процесі вимірювання частоти змінювати керуючий переходом струм зміщення разом з функціональною простоюю процедури вимірювання забезпечує скорочення часу вимірювання або, що те саме, підвищує швидкодію реалізуючої апаратури, що не вимагає використання спеціалізованого апаратного І/або програмного забезпечення. Як наслідок, скорочуються обсяг, енергоспоживання і вартість реалізуючої запропонований спосіб апаратури. При цьому треба мати на увазі, що для одержання гістерезисного режиму роботи надпровідного переходу необхідно використовувати певний тип переходу і установлювати відповідну такому режимові робочу температуру переходу. Тип переходу І його робоча температура визначаються експериментальним шляхом, таким чином, щоб величина стрибка напруги при виході переходу зі стану надпровідності забезпечувала можливість виміру частоти досліджуваного поля в заданому діапазоні. 7 Другою режимною ознакою заявлюваного способу є необхідність установлення визначеної величини струму зміщення переходу, при якому забезпечується однозначність реєстрації факту Існування досліджуваного поля і можливість вимірювання відповідній його частоті напруги на переході. Це забезпечується шляхом вибору такого струму зміщення переходу, щоб й^го значення перекривалося проекцією на вісь струмів, виникаючої як прояв нестаціонарного ефекту Джозефсона сходинки струму, що відповідає мінімальному значенню інтенсивності досліджуваних електромагнітних НВЧ-лолів. Можливість здійснення і переваги запропонованого винаходу ілюструються двома малюнками- на фіг.1 подані дві VI-характеристики надпровідного переходу при двох значеннях частоти F1 і F2 досліджуваного поля, а також автономна характеристика переходу в гістерезисному режимі роботи; - на фіг 2 подані дві VI-характеристики надпровідного переходу, і їхній автономний прообраз у резистивному режимі роботи для тих же значень частоти досліджуваного поля. Приклад, В якості приймача досліджуваного електромагнітного поля використовувався тонкоплівковий торцевий SNS перехід Nb-Si-Nb з величиною критичного струму Іс - 0,67 мА і критичною температурою Т с s 5,6 К, розміщений у кріостаті і охолоджений до температури Т = 4,3 К, при якій забезпечується гістерезисний режим роботи з напругою стрибка Vo - 164.7 мкВ Ця напруга відповідає верхній граничній частоті робочого діапазону Frnax - 79,6 ГГц Нижня межа робочого діапазону визначалася граничною напругою \/тщ = 22,4 мкВ, що відповідає частол Fmirl = 10,8 ГГц Струм зміщення переходу встановлюють рівним величині І¥ = 0,70 мА і був менше струму Іо, при якому виявляється скачок напруги, на величину Д І = 2,1 мкА. Випромінюване генератором (Г4-142) монохроматичного сигналу нз частоті F електромагнітне НВЧ-поле передають по хвилеводному тракту до надпровідного переходу При цьому потужність, що поглинається переходом, підбирають так, що проекція сходинки струму на вісь струмів перекриває установлене фіксоване значення струму зміщення переходу І,.. Виникаюча при цьому постійна напруга V на переході вимірюється цифровим вольтметром Згідно із співвідношенням Джозефсона вимірювану напругу перераховують у частоту F досліджуваного поля. Експеримент проводився для двох частот поля, що опромінює перехід- F!=53,8 ГТці Р?=71,9ГҐЦ. У результаті вимірювань були зафіксовані значення напруг на переході V] - 111,3 мкВ І V2 = 148,7 мкВ, відповідно Перераховані за співвідношенням Джозефсона еквіваленти частот у межах припустимої похибки вимГрювань збігалися з установленими частотами поля, що опромінює використовуваний в експерименті надпровідний перехід. При багатократному повторенні вимірювальних циклів для незмінних значень установлених частот і струму зміщення величини відхилення зареєстрованих значень відліків напруги і, як наслідок, їх перерахованих у частоту значень, практично не виходили за межі реалізованої точності використовуваного для вимірів 12-розрядного аналога- цифрового перетворювача. Заявлюваний спосіб ілюструє зображений на фіг.1 вигляд двох сходинок струму при двох значеннях частоти Fi і F2 досліджуваного поля для переходу в гістерезисному режимі роботи. Там же зображена автономна (у відсутності електромагнітного поля) VI- характеристика переходу, а на осі струмів позначений критичний струм переходу Іс і фіксований керуючий переходом струм зміщення Іу. На фіг 2 для тих же значень частоти й у тому ж масштабі зображені дві сходинки струму для переходу в характерному для способу-прототипу резистивному (із гіперболічною формою автономної VIхарактеристики) режимі 3 фіг 1 слідує, що для визначення частоти досліджуваного поля запропонованим способом достатньо зафіксувати керуючий переходом струм Іу в зоні можливого існування лроекцій сходинок струму на вісь струмів при меншому, ніж струм стрибка Іо, значенні У такій ситуації напруга на переході у відсутності досліджуваного поля буде малою (меншою або рівною напрузі Vmn, що відповідає мінімальній частоті Fmn робочого діапазону) Це значення на фіг.1 позначене як точка зустрічі автономної характеристики переходу І вертикальної лінії, яка проходить через значення керуючого струму Іу. Реєстрація такоГ напруги з метою ідентифікації і визначення часто- • ти поля не відбувається. Присутність досліджуваного поля на одній із частот F робочого діапазону. 34552 ' як це випливає з фіг.1, супроводжується появою на переході напруги V, що перевищує граничну напругу Vmin, Що визначає нижню межу робочого діапазону Ця напруга на фіг. 1 відповідає точці зустрічі особливості (сходинки струму) VIхарактеристики опроміненого переходу і вертикально/ лінії, яка проходить через значення керуючого струму зміщення \у. Присутність такої напруги в межах робочого діапазону можливих значень є ознакою існування поля досліджуваного сигналу, а його величина V згідно з фундаментальним співвідношенням Джозефсона однозначно визначає частоту F досліджуваного поля. Зазначена ситуація, що дозволяє ідентифікувати наявність поля і здійснити вимірювання його частоти, має місце для будь-якої частоти, що потрапляє в область, обмежену зверху напругою стрибка VI-характеристики Vo, величина якої для МКХ діапазону частот визначаються із співвідношення 483,6Vo !мкВ] г 3x105 (МГц] і дорівнює 620,35 мкВ. Очевидно, що при напрузі Vo, більшій за граничне значення V,™R, робочий діапазон частот розширюється. Аналіз форми наведених на фіг. 2 характерних для способу-прототипу сходинок показує, що описаний вище спосіб виміру частоти можливий тільки при використанні гістерезисного режиму роботи переходу, що є суттєвою відмінною ознакою запропонованого способу. Таким чином, застосування запропонованого способу вимірювання частоти монохроматичних НВЧ-полів МКХ діапазону довжин хвиль на основі використання нестацгонзрного ефекту Джозефсона призведе, при збереженні точності вимірювань, до підвищення їхньої оперативності і швидкодії, а також до поліпшення масо-габаритних характеристик, зменшення енергоспоживання і вартості проектованої з застосуванням запропонованого способу вимірювальної апаратури. Джерела Інформації 1 Proceedings Of The ESA Symposium "The Far infrared And Submillimetre Universe". 15-17 April 1997, Grenoble, France. ESA SP-401 (August 1997). 2 Техника спектроскопии в дальней инфракрасной, субмикроволноаой и микроволновой областях спектра. - М.: Мир, 1970. 3 Дивин Ю.Я. и др. АС СССР №881538, БИ №42, 1981.М. Kn. 3 G01 J 3/28.' 4 Ларкин СЮ. и др. Измерение частоты сигналое ММ-дкапазона длин волн с использованием нестационарного эффекта Джозефсона // Радиоэлектроника. Известия ВУЗ 1995.-NS 10. - Киев. - С.64-65 (прототип). 5 ЛихарееК.К., УльрихБ.Т. Системы с джозефсоновскими контактами. -- М.: Издательство МГУ, 1978. 6 Еру И.И., Песковацкий С.А., Паладич А.В. Нетепловой разрыв вольтамперной характеристики тонкой сверхпроводящей пленки Я Физика твердого тела. 1973. - Т. 15. -- Ленинград. - Наука, . - С 1599-1601. •-..•.,. •.•••-.. 34552 250 0 65 07 Струм зміщенні \, мА ФІГ, 1 0 75 34552 201' 150 Da V,«1 і і ЗмкВ 100 8 з: 50 0 757 мА Ij-0722 мА Ob 0 65 07 0.75 Струм зміщення І, мА Фіг. 2 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000 м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03 6 08