Свч-усилитель на основе высокотемпературного сквида

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к криогенной радиотехнике и может быть использовано для усиления электрических сигналов в гигагерцовом диапазоне частот. Техническим результатом изобретения является обеспечение симметрии земляных электродов выходной копланарной линии на частоте сигнала в гигагерцовом диапазоне частот при повышении коэффициента усиления. Сущность изобретения: СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа содержит двухконтактный квантовый интерферометр на основе слоистой структуры высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП)/изолятор/нормальный металл, сформированной на изолирующей бикристаллической подложке, связанный с входной и выходной линиями передачи, средства электрического согласования. Линии передачи выполнены в виде копланарных линий, установленных соосно интерферометру и имеющих протяженный центральный электрод, образованный в слое ВТСП на поверхности подложки, и размещенную с зазором по обе стороны от центрального электрода по меньшей мере одну пару внешних электродов, образованных в слое нормального металла, выполняющих функцию обкладок конденсаторов средств электрического согласования. Центральный электрод входной копланарной линии соединен с интерферометром по слою нормального металла через щелевую линию и индуктивный элемент, выполненные в слое ВТСП, причем индуктивный элемент выполнен в виде меандровой полоски, концы которой подключены к токоподводам джозефсоновских контактов квантового интерферометра по одну сторону бикристаллической границы. Центральный электрод выходной копланарной линии подключен к токоподводам джозефсоновских контактов по другую сторону бикристаллической границы, при этом вдоль его длины образованы первая, вторая и третья пары внешних электродов и пара индуктивных элементов в виде меандровой полоски, выполненной в слое ВТСП. Электроды первой и второй пар внешних электродов и концы меандровой полоски с каждой стороны от центрального электрода соединены последовательно, электроды в парах соединены параллельно с образованием выходных индуктивно-емкостных фильтров, а электроды третьей пары - закорочены проводником с образованием общего электрода. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Реферат

Изобретение относится к криогенной радиотехнике, а именно к усилителям радиочастотного диапазона, и может быть использовано для усиления электрических сигналов в гигагерцовом диапазоне частот.

Радиочастотные усилители на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД) имеют высокую чувствительность и обладают низкой шумовой температурой, совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами. Так, усилитель на объемных элементах на частоте 100 МГц продемонстрировал коэффициент усиления около 20 дБ с шумовой температурой 1±0,4 К при входном устройстве, выполненном на коаксиальном кабеле (см., например, US 4585999, Hilbert et al., 29.04.1986).

Описаны различные технические решения, в которых рассмотрены принципы согласования входных и выходных цепей усилителя на СКВИД с нагрузкой для диапазона до 0,1 ГГЦ (JP 60247311, Noguchi, оп. 07.12.1985). В изобретении (JP 1245605, Takami et al., 29.09.1989) описан усилитель на СКВИДе постоянного тока, в котором для электрической подстройки согласования интерферометра с охлаждаемым предусилителем используется второй СКВИД как регулируемый индуктивный элемент согласующей цепи, однако он предназначен для работы на существенно более низких частотах. В другом устройстве на низкотемпературном (4,2 К) СКВИДе реализован магниторезистивный принцип усиления на выходе СКВИДа, обеспечивающий измерение малых токов, напряжений или магнитных полей, без систем обратной связи и шумоподавления, но в описании отсутствуют указания на возможность использования в интересующем диапазоне частот (DE 4003060, Berthel et al., 08.08.1991).

В изобретении (DE 3936686, Hoenig, 08.05.1991) описан усилитель на матрице СКВИД, охлаждаемой жидким азотом, в тонкопленочном варианте, однако указывается, что он может работать до частот 100 МГц. В другом изобретении (RU 2051445 С1, Никулов А.В., 27.12.1995) описан сверхпроводниковый усилитель тока на основе эффекта Джозефсона, использующий длинный джозефсоновский контакт с сэндвич-структурой, не предназначенный для усиления аналоговых сигналов в СВЧ-диапазоне.

Описана схема входного устройства усилителя на СКВИД, предназначенного для измерения малых токов при регистрации рентгеновского излучения (JP 2001007666, Ikeda et al., 12.01.2001), однако и это устройство не обеспечивает усиления сигналов с несущей частотой в ГГц-диапазоне.

Существуют две проблемы, затрудняющие переход к более высоким частотам сигналов в диапазоне 1-10 ГГц при сохранении столь же высоких показателей по усилению и шумовой температуре, делающих эти усилители конкурентоспособными по отношению к полупроводниковым усилителям на транзисторах. Во-первых, СКВИД-усилители являются особым видом параметрических усилителей, в которых усиление мощности сигнала на его частоте FS происходит путем преобразования сигнала на частоту FS+FJ, где FJ - частота джозефсоновской генерации, и обратного преобразования снова на частоту FS. Исходя из соотношений Мэнли-Роу, коэффициент усиления по мощности, G, такого усилителя не превышает

Поэтому джозефсоновские контакты СКВИДа должны обладать высоким характеристическим напряжением, VС, чтобы предельная частота FС джозефсоновской генерации

где Ф0 - квант магнитного потока, равный 2,07×10-15 Вб, была на несколько порядков выше частоты сигнала. Для СКВИДов на основе Nb джозефсоновских контактов типичные значения VС не превышают 100-200 мкВ, соответственно значения FС не превышают 100 ГГц. Типичные значения FJ в рабочей точке примерно на порядок меньше FC, и как видно из формулы (1), усиление исчезает для сигналов с частотой порядка 10 ГГц. Естественно, ухудшаются и шумовые характеристики усилителя.

Второй проблемой для СВЧ-усилителей на основе классических СКВИДов с многовитковой входной катушкой в частотном диапазоне выше 0,1 ГГц является увеличивающаяся с повышением частоты утечка сигнала на землю через паразитную емкость между катушкой и контуром СКВИДа.

Решение первой проблемы - повышения характеристического напряжения, VС, лежит в использовании в СКВИДах ВТСП джозефсоновских контактов, которые демонстрируют значения VC в милливольтовом диапазоне и могут обеспечить значительное усиление на частотах до 10 ГГц.

Одним из вариантов решения второй проблемы - уменьшения паразитной емкости между катушкой и контуром СКВИДа при сохранении связи по сигналу было использование тонкопленочных СКВИДов постоянного тока с разомкнутой входной катушкой, функционирующей как микрополосковый резонатор. Использование такого приема позволило получить усиление 6 dB на частоте 7,4 ГГц на ниобиевом СКВИДе (М.Mueck, С.Weltzel, J.Clarke. "Superconducting quantum interference device amplifiers at gigahertz frequencies", Appl. Phys. Lett., 2003, vol.82, No.19, pp.3266-3268).

Использование СКВИДов на основе высокотемпературных сверхпроводников на бикристаллических подложках позволило в первых же экспериментах достичь коэффициента усиления 4 дБ на частоте около 1,5 ГГЦ ((Радиотехника и электроника, 2000, т.45, №9, с.1147-1152). В последующих публикациях было показано, что СКВИД усилитель на основе высокотемпературного сверхпроводника YBCO на бикристаллической подложке из ZrO2 может иметь усиление 16 dB на частоте 0.52 ГГц (Kalaboukhov A.S. et al., IEEE Trans. on Applied Superconduct., 2003, v.13, No2, p.1039-41). Значения характеристического напряжения VC джозефсоновских контактов (вследствие использования бикристаллической подложки с большим углом разориентации - 30°) оказались низкими - всего 0.5 мВ, что и привело в этом случае к относительно невысоким значениям коэффициента усиления.

Общим недостатком конструкций усилителей как на низкотемпературных металлических, так и на высокотемпературных - оксидных сверхпроводниках с разомкнутой входной катушкой, функционирующей как микрополосковый резонатор, является узкая полоса усиления и вытекающие отсюда трудности согласования такого усилителя с 50-омными стандартными элементами СВЧ-техники. Конструкции усилителей, использовавших резистивные пленки для подавления добротности резонансов во входной катушке СКВИДа, известны для низкочастотных устройств и не уменьшают паразитную емкость между катушкой и контуром СКВИДа (см., например, US 6169397, Steinbach et al., 02.01.2001).

Наиболее близким по назначению и совокупности признаков является СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа, содержащий двухконтактный квантовый интерферометр на основе многослойной структуры высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП)/изолятор/нормальный металл, сформированной на изолирующей бикристаллической подложке, связанный с входной и выходной микрополосковыми линиями, средства электрического согласования (Тарасов М.А. и др. "Радиочастотный усилитель на основе сверхпроводящего квантового интерферометра постоянного тока с микрополосковой входной катушкой", ж. Радиотехника и электроника, 2000, т.45, №9, с.1147-1152 - ближайший аналог). В полной мере приведенное в обзоре уровня техники относится и к ближайшему аналогу: не представлены кардинальные решения названных проблем, позволяющие существенно поднять значения VC, уменьшить паразитную емкость входной катушки и обеспечить согласование в более широкой полосе частот.

Предметом настоящего изобретения является конструкция СВЧ-усилителя на основе высокотемпературного СКВИДа постоянного тока, имеющего повышенный коэффициент усиления в гигагерцовом диапазоне частот.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении симметрии земляных электродов выходной копланарной линии на частоте сигнала в гигагерцовом диапазоне частот при повышении коэффициента усиления.

Технический результат достигается тем, что СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа содержит двухконтактный квантовый интерферометр на основе слоистой структуры высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП)/изолятор/нормальный металл, сформированной на изолирующей бикристаллической подложке, связанный с входной и выходной линиями передачи, средства электрического согласования.

Патентуемое устройство характеризуется тем, что линии передачи выполнены в виде копланарных линий, установленных соосно интерферометру и имеющих протяженный центральный электрод, образованный в слое ВТСП на поверхности подложки, и размещенную с зазором по обе стороны от центрального электрода по меньшей мере одну пару внешних электродов, образованных в слое нормального металла, выполняющих функцию обкладок конденсаторов средств электрического согласования.

Центральный электрод входной копланарной линии соединен с интерферометром по слою нормального металла через щелевую линию и индуктивный элемент, выполненные в слое ВТСП, причем индуктивный элемент выполнен в виде меандровой полоски, концы которой подключены к токоподводам джозефсоновских контактов квантового интерферометра по одну сторону бикристаллической границы.

Центральный электрод выходной копланарной линии подключен к токоподводам джозефсоновских контактов по другую сторону бикристаллической границы, при этом вдоль его длины образованы первая, вторая и третья пары внешних электродов и пара индуктивных элементов в виде меандровой полоски, выполненной в слое ВТСП.

Электроды первой и второй пар внешних электродов и концы меандровой полоски с каждой стороны от центрального электрода соединены последовательно, электроды в парах соединены параллельно с образованием выходных индуктивно-емкостных фильтров, а электроды третьей пары - закорочены проводником с образованием общего электрода.

Устройство может характеризоваться тем, что слоистая структура образована на бикристаллической подложке из сапфира, содержит в качестве ВТСП соединение YBa2Cu3O7-x, нанесенное на подслой из CeO2, в качестве изолятора - SiO2, а в качестве нормального металла - золото.

Устройство может характеризоваться также тем, что питание интерферометра по постоянному току осуществляется через центральный и общий электроды выходной копланарной линии.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 представлена конструкция СВЧ-усилителя;

на фиг.2 - увеличенное изображение центральной части;

на фиг.3 - сечение тела усилителя по линии А-В;

на фиг.4 - эквивалентная схема усилителя;

на фиг.5 - зависимость коэффициента усиления СВЧ-усилителя от частоты и значения динамического сопротивления СКВИДа;

на фиг.6 - микрофотография СВЧ-усилителя.

В основе изобретения лежит оптимизация конструкции устройства: отказ от использования входных катушек, являющихся элементами низкочастотной техники, для приложения СВЧ-сигнала к интерферометру СКВИДа и переходу к использованию для этих целей входного микрополоскового согласующего устройства, состоящего из копланарных и щелевых линий, тонкопленочных индуктивностей и емкостей. Патентуемое техническое решение отличается оптимизированным местоположением важного выходного СВЧ-элемента - так называемой 0-закоротки, обеспечивающей симметрию земель выходной копланарной линии на частоте сигнала, что приводит к улучшению характеристик устройства.

Устройство представляет (фиг.1-3) слоистую структуру, размещенную на сапфировой бикристаллической подложке 1 с бикристаллической границей 2. Кристаллофизические параметры подложки и технология образования слоистой структуры в данном описании не приводятся и известны (см., например, Е.Stepantsov et al., THz Josephson properties of grain boundary YBaCuO junctions on symmetric, tilted bicrystal sapphire substrates, J.Appl. Phys., v.96, N6, pp.3357-3361 (2004)).

Структура имеет четыре слоя: по всей плоскости подложка покрывается подслоем окиси церия СеО2, поверх которого без разрыва вакуума наносится пленка ВТСП - соединение YBa2Cu3O7-x, иногда указываемое как YBaCuO (или YBCO). Далее на подложку со сформированной литографией в слоях CeO2/YBCO структурой наносится слой изолятора - SiO2, и в нем литографией формируют часть элементов согласования. Затем наносится слой золота, в котором формируют остальные элементы СВЧ-усилителя.

В слоях CeO2/YBCO методами литографии формируется большая часть элементов СВЧ-усилителя. Он содержит центральный электрод 3 входной 50-омной копланарной линии (входной терминал 30 на эквивалентной схеме - фиг.4). Электрод 3 отделен разрывом 4 от ее внешних электродов 5, 6. Внешний электрод 5 одновременно является первым электродом щелевой линии 7. Электрод 8 является вторым электродом щелевой линии 7, передающим сигнал в интерферометр СКВИДа 9. Интерферометр включает индуктивность, обозначенную поз.LSQ на схеме, выполненную в виде меандровой полоски 10. Два джозефсоновских контакта 11.1, 11.2 сформированы в пленке ВТСП (YBCO) на бикристаллической границе 2 подложки 1. Концы полоски 10 подключены к токоподводам джозефсоновских контактов 11.1, 11.2 по одну сторону бикристаллической границы 2.

Центральный электрод 12 интерферометра СКВИДа 9 является центральным электродом выходной копланарной линии (выходной терминал 40 на эквивалентной схеме), внешние электроды которой 13, 14 имеют индуктивности, обозначенные поз.L1, L2. Индуктивности выполнены в виде меандровых полосок 15, 16 и разделяют "земли" входной и выходной копланарных линий на частоте сигнала. Центральный электрод 12 выходной копланарной линии подключен к токоподводам джозефсоновских контактов 11.1, 11.2 по другую сторону бикристаллической границы 2 относительно электрода 3. Пары внешних электродов 13-14, 18-19, 20-21 и пара индуктивных элементов в виде меандровых полосок 15-16, выполненных в слое ВТСП, располагаются вдоль длины электрода 12.

После выполнения литографии в слое CeO2/YBCO на подложку со сформированной и описанной выше структурой напыляется слой изолятора - двуокиси кремния SiO2. Далее проводится фотолитография, формирующая изолирующие слои конденсаторов входных 50 и выходных фильтров 60, обозначенных поз.С12, С21, С22, С31, С32 на эквивалентной схеме (фиг.4).

Далее на подложку 1 напыляется слой золота, литографией в нем формируются верхние электроды 17-21 упомянутых конденсаторов, проводник 22 и обеспечивается соединение центрального электрода 3 входной копланарной линии с верхним электродом 8 щелевой линии 7, передающим сигнал к интерферометру СКВИДа 9. Проводник 22 (т.н. «нуль-закоротка») предназначен для выравнивания потенциалов внешних электродов 13, 14 выходной копланарной линии.

Топология слоев на бикристаллической сапфировой подложке 1 (сечение А-В, фиг.2) в месте соединения центрального электрода 3 входной копланарной линии с верхним электродом 8 щелевой линии 7 показана на фиг.3. Обозначения: поз.26 - слой CeO2/YBCO; поз.27 - слой SiO2; поз.28 - слой золота.

В экспериментальном образце СВЧ-усилителя, конструкция которого описана выше, толщины пленок составляли: подслой CeO2 - 30 нм, слой ВТСП (YBCO) - 250 нм, слой SiO2 - 400 нм, слой золото - 200 нм. Бикристаллические сапфировые подложки с углом разориентации 24° обеспечивают получение значений характерного джозефсоновского напряжения VC на уровне 0,2 мВ при 77°К (A.Kalabukhov, et al., "Design, fabrication and experimental investigation of high-Tc dc SQUID RF amplifier with a slot-line input circuit" - in Extended Abstract of International Superconductive Electronics Conference (ISEC'05), Noordwijkerhout, The Netherlands, September 5-9, 2005, Report P-H.23).

СВЧ-усилитель работает следующим образом. Сигнал UВХ подается на центральный электрод 3 входной микрополосковой копланарной линии, выполненный в базовом нижнем ВТСП слое. Как видно на фиг.2, в этом сверхпроводящем слое сформированы центральный электрод 12 выходной копланарной линии, а также ее земляные электроды 13, 14, включающие части структур, формирующих щелевую линию 7 и элементы 15, 16, 18, 19, 20, 21 выходных индуктивно-емкостных фильтров.

Электрод 3 изолирован разрезами в пленке от всех других электродов, кроме электрода 28, выполненного в слое золота. Ток, вызванный сигналом в электроде 3, через электрод 28 передается на один из электродов (позиция 8 на фиг.1, 2) щелевой линии 7. Как отмечено выше, электрод 8 является частью односвязной структуры, выполненной в слое ВТСП, но электрически на частоте сигнала он отделен от общей "земли" усилителя, включающей электроды 13, 14 - части этой структуры.

Далее ток, возбужденный усиливаемым сигналом, протекает по части контура интерферометра, выполненной в виде меандровой полоски 10 с индуктивностью LSQ (см. фиг.4), создавая в интерферометре СКВИДа магнитный поток на частоте сигнала. Вследствие электродинамических процессов в интерферометре, содержащем джозефсоновские контакты 11.1, 11.2, между центральным электродом 12 выходной копланарной линии усилителя и ее земляными электродами 13, 14 возникает напряжение на частоте сигнала.

Геометрия структуры в ВТСП слое оставляет возможность протекания сигнального тока не только по контуру интерферометра 9, но и по параллельному, паразитному по отношению к интерферометру, пути - от электрода 8 щелевой линии 7 через емкости выходных фильтров 18, 19 (С21 и С22 на эквивалентной схеме фиг.4) и подводящие к ним участки структуры, обладающие индуктивностями (LS1 и LS2 на эквивалентной схеме фиг.4) вследствие пространственной концентрации СВЧ-тока. Однако на сигнальной частоте ω модуль импеданса интерферометра

и большая часть тока протекает через индуктивность LSQ.

Входной фильтр 50, формирующий полосу частот сигнала СВЧ-усилителя, определяется как величиной импеданса источника входного сигнала, так и значениями емкости С12 и импеданса RJ1, RJ2 джозефсоновских контактов 11.1 и 11.2 интерферометра СКВИДа 9 (см. фиг.4).

С выхода интерферометра, преобразующего магнитный поток в напряжение, усиленный сигнал UВЫХ по электроду 12 поступает на выходную копланарную линию, полоса пропускания которой формируется выходным фильтром 60 и определяется параметрами структуры: значениями (L1+C21+C31) и (L2+C22+C32) и импедансом нагрузки (50 Ом).

Индуктивности LS1, L1, LS2, L2 изолируют электрод 12 выходной линии интерферометра от земли - электродов 13, 14 схемы и блокируют утечку энергии колебаний джозефсоновской генерации из контура интерферометра, осуществляющего параметрическое преобразование сигнала.

Низкоиндуктивная закоротка в форме проводника 22 симметрирует выходную линию. Питание интерферометра по постоянному току осуществляется через центральный электрод 12 и общую "землю" выходной копланарной линии.

На фиг.6 показана зависимость коэффициента усиления СВЧ-усилителя от частоты и значения динамического сопротивления Rd СКВИДа 9, микрофотография которого приведена на фиг.7. Видно, что при значениях Rd, близких к 10 Ом, усиление составляет около 20 dB на частоте около 5 ГГц.

Представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата и решении поставленной задачи.

1. СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа, содержащий двухконтактный квантовый интерферометр на основе слоистой структуры высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП)/изолятор/нормальный металл, сформированной на изолирующей бикристаллической подложке, связанный с входной и выходной линиями передачи, средства электрического согласования, отличающийся тем, что линии передачи выполнены в виде копланарных линий, установленных соосно интерферометру и имеющих протяженный центральный электрод, образованный в слое ВТСП на поверхности подложки, и размещенную с зазором по обе стороны от центрального электрода по меньшей мере одну пару внешних электродов, образованных в слое нормального металла, выполняющих функцию обкладок конденсаторов средств электрического согласования, центральный электрод входной копланарной линии соединен с интерферометром по слою нормального металла через щелевую линию и индуктивный элемент, выполненные в слое ВТСП, причем индуктивный элемент выполнен в виде меандровой полоски, концы которой подключены к токоподводам джозефсоновских контактов квантового интерферометра по одну сторону бикристаллической границы, центральный электрод выходной копланарной линии подключен к токоподводам джозефсоновских контактов по другую сторону бикристаллической границы, при этом вдоль его длины образованы первая, вторая и третья пары внешних электродов и пара индуктивных элементов в виде меандровой полоски, выполненной в слое ВТСП, причем электроды первой и второй пар внешних электродов и концы меандровой полоски с каждой стороны от центрального электрода соединены последовательно, электроды в парах соединены параллельно с образованием выходных индуктивно-емкостных фильтров, а электроды третьей пары закорочены проводником с образованием общего электрода.

2. СВЧ-усилитель по п.1, отличающийся тем, что слоистая структура образована на бикристаллической подложке из сапфира, содержит в качестве ВТСП соединение YBa2Cu3O7-x, нанесенное на подслой из СеО2, в качестве изолятора - SiO2, а в качестве нормального металла - золото.

3. СВЧ-усилитель по п.1, отличающийся тем, что питание интерферометра по постоянному току осуществляется через центральный и общий электроды выходной копланарной линии.