Надширокосмуговий нвч пристрій з переходом джозефсона

ІЇ98Ю5Є9О МПЮ' НО 1L 39/22 НО IP 5/00 НО 1Q 23/00 НАД ШИРОКОСМУГОВИИ НВЧ ПРИСТР ІЙ З ПЕРЕХОДОМ ДЖО ЗЕФСОНА Винахід належить до галузі надпровідникової НВЧ електроніки та радіотехніки , зокрема, до перетворювачів з переходом Джозефсона, і найбільш ефективно може бути викори станий при виробництві спектрометрів. Відомі НВЧ пристрої призначені для забезпечення зв'язку переходу Джозефсона (далі ПД) з джерелом досліджуваного сигналу, тобто для збудження в ПД змінного струму з частотою, яка дорівнює частоті сигналу, та амплітудою, що визначається його потужністю. Як чутливість спектрометра, так і його частотні властивості (АЧХ), зокрема, ширина смуги робочих частот та нерівномірність чутливості у ц ій смузі, визначаються конструкціє ю базових НВЧ вузлів вхідного тракту, вузла сполучення тракту з ПД та власне ПД. Відомі, наприклад, такі пристрої на стандартних хвилеводах (див. патент Франції № 2258714 МКІ Н0ІР 5/00, опубл. 19.09.75 г.; стаття Крутько А.П., Сулима B.C. "Гетеродинное детектирование сигналов СВЧ сверхпроводниковыми микропленочными элементами " — Радиотехника и электроника. — 1982 г. № 11.- с. 2227— 2288), в яких зв'язок між джерелом сигналу і ПД зд ійснюється за допомогою одномодових хвилеводів , при цьому дл я перетворення мод та трансформації імпедансів використовують пристрої на хвилеводах змінного перетину. Ці пристрої недостатньо широкосмугові і не дозволяють реалізувати широкосмуговість, притаманну ПД. Відом і та кож НВЧ пристрої з ПД, в я ких зв'язок м іж пристроєм, що підводить сигнал, який працює при нормальній температурі, та ПД здійснюється за допомогою антени . Так, наприклад, в ідомий "Пристрій вводу - виводу", який працює при наднизьких температурах (див. Пат. Японії №35 - 153 15 , МКІ H01L 39/22, опубл. 01.03.93 p.). Цей пристрій призначений для передачі сигналів між схемою, що працює при кімнатній температурі, 'іа надпровідниковою схемою. Відрізняється він тим, що містить у собі антену, яка навантажена на ПД і сприймає сигнал від схеми, що працює при кімнатній температурі. Цей пристрій призначений для детектування електромагнітних хвиль діапазону 10 ГГи - 10 ГГц. Використання антени як елемента зв'язку дозволяє забезпечити механічну та теплову розв'язку надпровідної схеми від с хеми , що працює при кімнатній температурі, а широкосмуговість ПД може бути реалізована використанням антени з відповідною смугою робочих частот. Найближчим за технічною суттю до пристрою, що заявляється, є пристрій, призначений для аналізу спектра електромагнітних хвиль міліметрового та субміліметрового 2 діапазонів (див. Hinken J.H. et a ll. "Computer - controlled mm and sub- mm wave Josephson Spectrometer with a planar integrated front end. Proc. Conf. 18- th Eur. Microwave Conf 88, Stockholm, 12-15 Sept. 1988, pp. 177 - 182). Цей пристрій містить у собі планарну інтегральну мікросхему, яка виконана на твердій діелектричній пластині, і включає V-подібну планарну приймальну антену поздовжнього типу та плавний перехід-трансформатор імпедансу, на кінці якого в єдиному технологічному циклі сформовано ПД з елементами зміщення його постійним струмом. Мікросхема розміщена у кріостаті з подвійним радіопрозорим вікном, яке разом з плоским металевим похилим дзеркалом являє собою пристрій , що підводить НВЧ сигнал до інтегральної схеми з ПД. Такій електродинамічній системі притаманні великі втрати електромагнітної енергії сигналу, що призводить до зниження чутливості та росту нерівномірності АЧХ у діапазоні частот. Втрати сигналу обумовлені перш за все неефективністю використання вхідної апертури (мале співвідношення розміру вікна до апертури антени), а також відбивання еле ктрома гн ітно ї хвил і на гр аницях д іеле кт риків герм етизуючи х в ікон . Вели ка нерівномірність АЧХ системи і, як наслідок, звуження її робочої смуги частот, насамперед зумовлена інтерференцією хвиль між сильно рознесеними границями діелектриків . Дійсно, з мір кувань забезпечення міцності вікон , їхня товщина при діаметр і у кіль ка десят ків міліметрів повинна бути не менше 2 - 5 мм, що відповідає інтервалу частот між двома сусідніми мінімумами АЧХ від ЗО до 70 ГГц. Насправді ж, враховуючи інтерференцію між віддаленими гранями пари вікон, цей інтервал буде в декілька разів меншим. Додатковим джерелом нерівномірності АЧХ є скінченність товщини діелектри чної пластини мікросхеми , яку не можна зробити настільки тонкою, щоб уникнути впливу інтерференції хвилі в ній на характеристики антени. Дійсно, твердим діелектри кам притаманна підвищена діелектри чна проникливість (є * 4 - І - 15), що призводить до більш жорстких обмежень на товщину пластини. Оскільки електрична товщина пластини d^jc повинна бути значно менша за довжину хвилі, припустима її товщини для мікросхеми субміліметрового діапазону не перебільшує кількох десятків мікрометрів . Приймаючи до уваги, що мікросхема потребує поверхні в декілька сот квадратних міліметрів, це завдання технологічно майже нездійсненне з-за крихкост і матер іал у пласти ни. Окрім того, в ідкрита електродинам ічна система практично не захищена від сторонніх електромагнітних сигналів у широкому діапазоні частот, включаючи робочий. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення пристрою НВЧ на основі ПД, переважно для спектрального аналізу у надширокій смуз і частот міліметрового та субм іл іметрового д іапазонів хвиль, який, завдяки введенню нових елементів та їх розташуванню по відношенню до елементів , що входять в пристрій, а також їх новому виконанню дозволить досягти такого технічного результату — забезпечити зниження втрат енергії досліджуваного електромагнітного сигналу, зменшити нерівномірність АЧХ у з широкому діапазоні робочих частот та рівень сторонніх електромагнітних сигналів, що поступають на чутливий елемент Вказаний технічний результат дозволить створити надширокосмуі овии аналізатор спектру на ПД, який забезпечує більш високу чутливість іа точність вимірювання при спрощенні конструкц ії крюсистеми. Цей технічний результат досягається за рахунок того, що в надширокосмуговому пристро ї НВЧ з пе ре ходо м Дж озе фсона, який м істить еле ктр ома гн ітно зв'язан і т а послідовно розіа шовані пристрій , що підводить НВЧ сигнал, приймальну планарну антену поздовжнього типу, датчик Джозефсона з планарними виводами , виготовлений у вигляді інгеї ральної мікросхеми на твердій діелектри чній пластині, наприклад із сапфіру або напівізолюючого кремнію та кріостат, згідно винаходу, пристроєм, що підводить НВЧ сиінал слугує квазіоптичний хвилевід, введений в кріостат через його горловину, додатково введено узгоджене навантаження хвилеводу у вигляді порожнистого конуса або піраміди з радюпоглинаючо го ма тер іал у, я ке своєю в ід критою основою п ід клю чене до кінц я хвилеводу приймальна антена у вигляді щілинної л ін ії передач і, яка е кспоненціино звужується по довжині, виконана на полімерній, наприклад, полпмідніи, плівці, електри чна товщина якої значно менше чверті довжини найкоротшої робочої електромагнітної хвилі, та всіановлена у порожнині навантаження вздовж його осі таким чином, що кінець плівки з виводами аніени проходить крізь отвір у вершині порожнини та притиснутий до зовнішньої площинної поверхні навантаження, в якій є поздовжня канавка, що має переріз більший, ніж ефекіивнии переріз регулярної ділянки щілинної лінії передачі антени , пластина мікросхеми з переходом Джозефсона чільною гранню притиснута до плівки з антеною таким чином, щоб иібезпечити підключення планарних виводів датчика Джозефсона до антени по високій частоті. Нові ознаки, які притаманні заявленому технічному рішенню, а саме використання закриіого квазіоптичного хвилеводу для каналізації досліджуваного електромагнітного сигналу до чутливого елемента, виконання антени на полімерній плівці, розташування її в порожнині узгодженого навантаження квазіоптичного хвилеводу та розміщення певним чином в пристрої чутливого елементу, забезпечують відповідність заявленого рішення критерію "новизн а". Ці оїнаки дозволяють досягти наступного технічного результату — зниження втрат електромагннноі енергії досл іджуваного сигналу, зменшення нерівномірності АЧХ у широкому діапазоні частот, зменшення рівня сторонніх електромагнітних сигналів , що поступають на чутливий елемент при спрощенні конструкції крюсистеми, що пояснюється далі Підведення електромагнітної хвилі сигналу до антени в пристроі-прототипі здійснюється крпь вільний простір за допомогою направляючого дзеркала і системи t пари радюпрозорих вікон в подвійній оболонці кр іостату з вакуумним проміжком м іж ними Використання для каналізації досліджуваного сигналу квазіоптичного хвилеводу, введеною 4 крпь і орловину крюсіаіу, забезпечує вилучення системи '"товстих" вікон. Це дозволяє иоібуіися одного Ї основних джерел нерівномірності АЧХ системи — інтерференції між поверхнями діелектри ків на шляху розповсюдження електромагнітної' хвилі. Крім того, квазіоптичний хвилевід, як спрямовуюча система, має дуже малі (»0.1 дБ/м) втрати на одиницю довжини і запоб ігає прони кненню д о ч утливого е лем ента сторонн іх електромагнітних сигналів . Теплова розв'язка надпровідної схеми від схеми, що працює при кімнатній іемпературі може бути забезпечена виконанням хвилеводу тонкостінним та із матеріалу з низькою теплопровідністю. Те, що хвилевід закрито узгодженим навантаженням, виключає випромінювання електромагнітного сигналу в об'єм кріостату та перевщбиття його від елементів конструкції. Введення в систему узгодженого навантаження також забезпечує роботу квазіоптичного хвилеводу, що підводить сигнал, в узгодженому режимі, що злпобпас в ір а іа м сигналу в ньому з-за перетворення мод та інтерференції хвиль, яка призводить до збільшення нерівномірності АЧХ пристрою. Виконання антени на іонкій полімерній плівці з малою діелектричною проникливістю дозволяє запобігти інтерференції хвиль в ній і забезпечує підвищення коефіцієнту підсилення антени. Виконання датчика Джозефсона та антени у вигляді окремих вузлів дає можливість формування датчика на пластині зменшеної площі, що дозволяє забезпечити надійне підключення його до антени при малому зусиллі їх стискання. Для щдівердження можливості здійснення винаходу додаються такі креслення. Фп . l^f ^ конструкц ія надширокосмугового НВЧ пристрою з переходом Джозефсона; Ф' г 5 - топологія датчика Джозефсона; Фп . о — сполучення датчика Джозефсона з антеною. Пад шпроко см уговии НВЧ пристр ій з пере ходом Джо зе фсона, що за являється ( Ф іг. 1 ) , місіть у собі узгоджене навантаження з двох частин 1. 2, встановлене на юрці металодтелектри чного квазіоптичного прямокутн ого хвилеводу 3, приймальну антену поздовжнього іипу 4 і а да і чик Джоїефсона 5. У з го д жен е н аван т аж енн я ви кона не із р ад іо п о глин аю ч о го ма те р іа л у (фероепоксидного компаунду) І має порожнину 6 у вигляд] піраміди, яка своею основою обернена до хвилеводу 3. Площина розділу частин 1,2 узгодженого навантаження сіньпадис s ВІССЮ п ірам іди і хвилеводу 3. На поверхні частини 1, яка співпадає з площиною розділу \ ігодженого навантаження, виконана поздовжня канавка 7 Антена 4 виконана по планарній технології на поліімідніи плівці товщиною ЗО мкм у вигляді щілинної' лінії передачі, яка експоненціально звужується по довжині. Така лінія викон ує одночасно і функцію трансформатора імпедансу. Датчик 5 Джозефсона являє собою інтегральну мікросхему (Фіг.2а), що виконана по ініегральній технології на поверхні підкладки з кремнію, на якій сформовано перехід Н Джоїефсона з електродами 9 датчика та контактними площадками 10. 5 Плівка з антеною 4 затиснута між частин ами 1 і 2 узгодженого навантаження таким чином, що нерегулярна ділянка щілинної лінії передачі антени знаходиться в пірамідальній порожнині навантаження, а регулярна ділянка розміщена над серединою поздовжньої канавки частини І навантаження. В частині 2 узгодженого навантаження в місці виходу ангени ч порожнини зроблена поздовжня виїмка 1 1. Розміри канавки 7 в частині 1 та виїмки 1 І в частині 2 узгодженого навантаження вибрані біль шими , н іж ефективний переріз регулярної ділянки щілинної лінії передачі. Пластина мікросхеми з переходом Джозефсона чільною гранню притиснута до електродів 12 щілинної лінії передачі антени таким чином, щоб забезпечити підключення до неї переходу Джозефсона по високій частоті (Фіг.2б). В частині 1 узгодженого навантаження зроблені виїмки 13 для забезпечення можливості підключення датчика Джозефсона до вимірювальної схеми . Пристрій працює таким чином. Досліджуваний НВЧ сигнал по хвилеводу 3 поступає на антену 4 і по щілинній лінії передачі через ємність між її електродами 12 та електродами датчика У підводиться до датчика. Частина енергії сигналу, не сприйнята антеною, поглинається внутрішньою поверхнею узгодженого навантаження, що забезпечує роботу хвилеводу в узгодженому режимі, внаслідок чого зменшується нерівномірність амплітудночастотної характеристики пристрою. Оскільки досл іджуваний сигнал підводиться до чутливого елемента закритою лінією передачі (порожнистий металевий хвилевід), закритою узгод женим нав антаж енням , то в даном у прист ро ї в ід с утн і втр ати си гнал у на випромінювання. Виконання антени на плівці з малою електричною товщиною та відсутність товстих вікон на шляху розповсюдження сигналу дозволяє запобігти інтерференції хвиль у н ій і забезпечує підвищення коефіцієнту підсилення антени. Таким чином, надширокосмуговий НВЧ пристрій з переходом Джозефсона, що заявляється, забезпечує в порівнянні з прототипом зниження втрат електромагнітної енергії досліджуваного сигналу, зменшення нерівномірності АЧХ у широкому діапазоні робочих частот 1 та зменшення рівня сторонніх електромагн ітних сигналів , що поступають на чутливий елемент. _ _ _ _ _ ___ _ — ____ -- —— Надширокосмуговии НВЧ пристрій з переходом Джозефсона ї\ г3 1 / - 2 / І Фіґ/ / г/ // і \ \ Автори: \гі 12 Моисеев В.К. Коваленко О.В. Погоричний О.Б Кісілюк О.О. Надширокосмуговий НВЧ пристрій / з переходом Джозефсона 8 10 Фіг. 12 Фіг. С 1 -9 Автори: Моисеев В.К. Коваленко О.В. Погоричний О.Б Кісілюк О.О.