автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Фазовращатели на S-N переходе в высокотемпературных сверхпроводниках

, .«<У\ и.

На правах рукописи

Шерман Владимир Олегович

ФАЗОВРАЩАТЕЛИ НА Б-Ы -ПЕРЕХОДЕ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ

Специальность: 05.12.13

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1998г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском электротехническом университете имени В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель - доктор физико-математических наук профессор Вендик И.Б.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Головков A.A.

кандидат технических наук Карасев A.C.

Ведущая организация - АОЗТ "Светлана - Электрон Прибор"

Защита состоится (1 / II ^'■^¿СО-^гКУ998 г. в_часов на

заседании диссертационного совета Д 063.36.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета имени В.И.Ульянова- (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф.Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета .

Автореферат разослан

" J&L" Qtt^Jft-K 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Егорова С.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Одной из важнейших задач, вытекающих из тенденций развития современных систем коммуникации, радиоконтроля, навигации и пр., является дальнейшее повышение уровня помехозащищенности аппаратуры, увеличение чувствительности приемных трактов. При разработке новых радиосистем, учитывающих подобные тенденции, возможно выделить два принципиально разных подхода к их проектированию:

- разработка новых изделий на основе уже существующих аналогов, использующих традиционные материалы и элементную базу, но имеющих при этом улучшенные характеристики благодаря совершенствованию технологии их изготовления (например, появление субмикронной технологии позволило изготавливать сверхбыстродействующие транзисторы, что в свою очередь привело к значительному улучшению частотных свойств радиоаппаратуры) .

- применение принципиально новых материалов, обладающих определенными свойствами, использование которых позволяет удовлетворить тем требованиям, которые закладываются при разработке новой аппаратуры.

Несомненно, что второй путь, революционный по своей сути, требует намного больше затрат на стадии исследования таких материалов и технологических процессов их производства, но при наличии в перспективе достаточно большой гаммы производимых на их основе приборов, подобный путь мож§т оказаться целесообразным и экономически выгодным, а при дальнейшем ужесточении вышеперечисленных требований, вероятно, и единственным. История развития техники в целом и радиоэлектроники в частности показывает, что разумное сочетание этих двух методов позволяет добиться наилучших технических результатов при минимальных экономических и временных затратах. Любая из перечисленных выше радиосистем имеет в своем составе один из следующих (или все вместе) функциональных узлов: пере-

дающее устройство, линию связи, приемное устройство. Все эти узлы вносят вклад в шумовые характеристики прибора и в его чувствительность. Как правило, разработчик радиоаппаратуры не может влиять на характеристики линии связи, а за счет относительно большой мощности на выходе передающего тракта коэффициент шума невысок. Остается приемник, который и необходимо оптимизировать для получения наилучших параметров. Любое приемное устройство содержит в своем составе антенну, свойства которой в основном и определяют параметры системы. Наиболее перспективными и реализуемыми в гибридной технологии являются фазированные антенные решетки (ФАР). Главным преимуществом ФАР перед другими типами антенных систем является их способность при использовании систем электронного сканирования быстро и с большой точностью менять не только положение диаграммы направленности, но и ее форму. Основой системы электронного сканирования являются быстродействующие СВЧ фазовращатели. Сейчас основными активными элементами, используемыми в управляющих СВЧ устройствах, являются р-1-п- диоды и полевые транзисторы, изготовленные по кремниевой или арсенид- гал-лиевой технологии. Стало появляться значительное количество приборов в виде однокристальных схем, что значительно улучшило массо - габаритные показатели устройств. Однако, технические характеристики приборов, созданных по такой технологии, не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к проектируемой аппаратуре.

После открытия материалов, обладающих свойством высокотемпературной сверхпроводимости, стало очевидным их несомненное преимущество- перед обычными проводниками при использовании в качестве материала для изготовления интегральных СВЧ схем, так как при температуре существования сверхпроводящей фазы они обладают более низким поверхностным сопротивлением, чем медные или золотые пленки при таких же условиях вплоть до критической частоты, порядка ЮОГГц. Несмотря на ожидаемые надежды в широком спектре возможных областей науки и техники, где было бы чрезвычайно полезно такое замечательное качество сверхпроводни-

ков, как отсутствие потерь- передача энергии на расстояние с большим КПД, создание сверхмощных трансформаторов и прочее, наибольшее практическое применение сверхпроводники нашли именно в сфере СВЧ микроэлектроники. Это связано с технологическими особенностями получения подобных материалов. До настоящего времени удалось освоить лишь изготовление эпитаксиальных тонких пленок, толщиной от десятых долей до единиц микрометра на подложке, диаметр которой не превышает 20см. Именно этот факт и ограничивает сегодня возможные области использования сверхпроводников.

Замена подобными пленками обычных металлов позволяет снизить вносимые устройством потери на несколько порядков и значительно уменьшить собственный коэффициент шума. Здесь следует оговориться, что затраты, связанные с необходимостью охлаждения устройств до температуры перехода Тс, не всегда оправдываются выигрышем по потерям. Следовательно, устройства, содержащие высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), целесообразно проектировать не в виде отдельных функциональных охлаждаемых модулей, а в составе законченного охлаждаемого устройства.

За последнее десятилетие было разработано множество СВЧ устройств, использующих свойства сверхпроводников, такие как фильтры, резонаторы (микрополос-ковые и объемные диэлектрические), линии задержки и другие линейные пассивные устройства. Процедура дизайна подобных устройств такая же, как и при проектировании аналогов, сделанных на традиционных материалах, с той лишь оговоркой, что в ВТСП приборах следует учитывать влияние кинетической индуктивности, присущей исключительно сверхпроводникам (особенно при синтезе линий задержки).

Кроме того, существует ряд физических явлений, присущих подобным материалам, которые позволяют использовать их в качестве нелинейных или управляющих элементов при создании активных СВЧ устройств. Одним из таких явлений является изменение сопротивления рабочей зоны пленки под действием СВЧ мощности, постоянного тока, магнитного поля, теплового излучения.

Принципиально возможно существование активных управляемых приборов, использующих эти свойства: модуляторы, смесители, детекторы, управляемые нагрузки, ключи, фазовращатели и другие.

Скачкообразное изменение поверхностного сопротивления пленки сверхпроводника называют Б-Ы переходом. Следует отметить, что, несмотря на активное развитие криоэлектроники СВЧ с применением высокотемпературных сверхпроводников, информация об использовании Э-Ы перехода в СВЧ приборах появляется крайне редко. В работе именно это свойство пленок используется как основа (базис) для создания управляемых дискретных фазовращателей. Принимая во внимание, что переключательные элементы, использующие свойство Б-Ы переключения, могут иметь коммутационное качества больше 1000, следует ожидать малых потерь, вносимых устройством .

Целью диссертационной работы является исследование возможности использования пленок ВТСП для создания управляющих устройств СВЧ, построение моделей для разработки дискретных СВЧ фазовращателей, изготовленных по сверхпроводниковой технологии, работающих в диапазоне частот: 2-12ГГц. Для достижения поставленных целей необходимо решение следующих задач:

1. Оценка применимости моделей эквивалентного импеданса пленки ВТСП при пропускании через нее постоянного тока при температуре ниже температуры фазового перехода (Тс) .

2. Анализ известных базовых моделей СВЧ фазовращателей на предмет использования их при проектировании приборов на основе ВТСП технологии и совместно с управляемыми ВТСП компонентами, а также, поиск принципиально новых решений, не доступных при традиционном подходе.

3. Оценка предельных характеристик Б-Ы фазовращателей на этапе проектирования.

4. Анализ Б-Ы элементов, удовлетворяющих ограничениям, налагаемым на них условиями использования в составе фазовращателей.

Объектами исследования являются пленки ВТСП соединения УВа2Сиз07.г, СВЧ устройства на их основе, использующие Б-Ы переход, различные конструкции дискретных фазовращателей.

Основные методы исследования

а) теоретические: математические методы анализа периодических структур, аппарат теории цепей, теория согласования.

б) экспериментальные.

Защищаемые научные положения

1. Свойства фазовращателя полностью определяются параметрами Б-Ы элементов, входящих в его состав, так вносимые потери определяются коммутационным качеством К, среднегеометрическое сопротивление определяет условие проектирования фазовращателя с минимальными и равными потерями и неравномерность фазочастотной характеристики в полосе частот, максимальная ширина рабочего частотного диапазона определяется добротностью <2.

2. Для проектирования отражательных фазовращателей с минимальными и равными потерями, использующих Э-Ы ключи, достаточно решить задачу согласования комплексного сопротивления 2щ=Км-е^г 2), где , Иэ, ¡Яц-сопротивление ВТСП ключа в сверхпроводящем и нормальном состояниях соответственно, Дер- требуемый фазовый сдвиг.

3. При проектировании некоторых типов проходных фазовращателей, работа которых основана на изменении реактивностей, включенных последовательно в линию передачи, принципиально невозможно добиться равенства вносимых потерь в обоих состояниях, обеспечивающего минимально достижимые потери фазовращателя.

Новые научные результаты работы

1. Предложена концепция проектирования фазовращателей отражательного и проходного типов, работающих на принципе Б-Ы переключения в высокотемпературных сверхпроводниках.

2. На базе феноменологической модели поверхностного импеданса тонкой пленки ВТСП определены параметры Б-Ы переключательного элемента (коммутационное качество, добротность, среднегеометрическое сопротивление) как функции физических характеристик пленки.

3. Определены предельные характеристики фазовращателей, работающих на принципе Б-Ы переключения в пленках ВТСП.

4. Впервые экспериментально исследованы различные варианты фазовращателей на Б-Ы переходе.

Значение для практики результатов диссертационной работы заключается в следующем:

- модели, предлагаемые для описания высокочастотных и статических характеристик Б-И переключательных элементов являются достаточным базисом при проектировании управляемых устройств на Б-Ы переходе в ВТСП;

предложенная методика анализа периодических структур позволяет выбирать подходящую конфигурацию Б-Н элемента в виде меандровой линии;

- разработанная методика синтеза управляемых цифровых отражательных и проходных фазовращателей, действие которых основано на эффекте Б-Ы переключения в пленках высокотемпературного сверхпроводника, является достаточным инструментом при их проектировании. Приведенные соотношения позволяют оценить предельные возможности фазовращателей.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались, на следующих семинарах и конференциях:

- научно- технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ в 1994-1998гг.;

Европейских конференциях по СВЧ технике в 1995г. (25^ ЕиМС, Болонья, Италия), в 1997г. (27"\ ЕиМС, Иерусалим, Израиль);

- Европейской конференции по применению сверхпроводников в 1995г (ЕиСАБ, Эдинбург, Шотландия).

- Международном студенческом семинаре "Применение сверхпроводников в технике СВЧ", -С.- Петербург, май 1995г.

Часть работы проводилась в рамках проектов:

- совместного проекта с ОЫЕИА СЕИТ Ти1ига (Тулуза, Франция) ""Разработка СВЧ фазовращателей на основе пленок высокотемпературного сверхпроводника" в 19941996гг.

- проектов №93223, №95062, №98223 Государственной научно-технической программы "Высокотемпературная сверхпроводимость".

- ГБ-2 ТУ МИТ -12, "Исследование материалов с фазовым переходом металл-диэлектрик и металл-сверхпроводник с целью создания управляющих устройств СВЧ диапазона".

Результаты работы используются в учебном процессе в курсах по выбору "Микроэлектроника СВЧ" и "Криоэлектроника СВЧ".

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 статьи в журналах и 6 публикаций в трудах зарубежных конференций.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 102 наименование, и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 95•страницах машинописного текста. Работа содержит 4 6 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования эффекта Э-Ы переключения в тонких пленках высокотемпературного сверхпроводника и целесообразность построения на основе этого эффекта управляемых устройств, формулируется цель работы, приводятся основные научные положения, которые выносятся на защиту.

Первая глава диссертационной работы имеет обзорный характер и содержит результаты теоретических и

экспериментальных исследований пленок ВТСП, Б-И ключей, схем СВЧ фазовращателей и переключателей, принцип действия которых основан как на использовании традиционных полупроводниковых ключей, так и на эффекте Б-Ы переключения в пленках ВТСП. Сформулированы основные требования, предъявляемые к переключательным элементам в СВЧ схемах. На примерах создания управляемых СВЧ устройств на базе Б-И перехода в ВТСП, таких как ключи, перестраиваемые фильтры, фазовращатели, модуляторы и др., рассматривается вопрос о целесообразности применения эффекта Б-Ы перехода для создания управляемых устройств СВЧ. Также обсуждается проблема выбора способа переключения. Анализируются известные механизмы разрушения куперовских пар (оптический, тепловой, магнитным полем, постоянным или СВЧ током) с точки зрения эффективности, простоты реализации, быстродействия (скорости переключения). Показывается, что при токовом способе переключения, Б-М элемент имеет наилучшие характеристики с точки зрения быстродействия. Величина плотности тока, способная разрушить куперовскую пару, называется критической плотностью тока и определяется как

где Ф0- квант магнитного потока, 10 7Гн/м,

Тс- температура фазового перехода пленки, ^(0)- Лон-доновская глубина проникновения при Т=0, t=T/Tc - относительная температура £(0)- длина когерентности при Т=0, р/сЬ площадь поперечного сечения Б-Ы ключа.

Обычно величина плотности критического тока составляет (101О-10г1) А/м2.

В главе также приведены основные характеристики Б-И ключа, полностью описывающие' его как элемент СВЧ

к-^М.

схемы, коммутационное качество д , среднегеометри-

шЬ

ческое сопротивление Ям=-./ЕЦИц , добротность где

Ь- паразитная индуктивность Б-Ы элемента. Рассматриваются известные алгоритмы моделирования различных конфигураций переключательных элементов.

■1с =

1

В пункте 1.2 первой главы проводится обзор известных методов построения отражательных и проходных фазовращателей, дается классификационная таблица гибридных СВЧ фазовращателей.

Во второй главе определяются основные свойства Б-N переключательных элементов в виде одиночной сверхпроводниковой линии шириной ю, длиной 1, толщиной с1 на постоянном токе и на СВЧ. Характеристики Б-Ы ключа (коммутационное качество К, среднегеометрическое сопротивление добротность Ом, индуктивность Ь) выражаются через параметры феноменологической модели поверхностного сопротивления тонкой пленки высокотемпературного сверхпроводника:

К = [шц0ау(1)?4(0)]"2 ЩЩ ' км = ¿»цоТ1в)' 2

где ю=2яГ - круговая частота, С- геометрический фактор для линии передачи в форме узкой полоски, у -феноменологический параметр математической модели поверхностного импеданса пленки ВТСП, зависящий от качества пленки (у=1.5-5-2.5) , стн(1)-' проводимость нормальных электронов в сверхпроводниковой пленке при Т=ТС, ^(М и (£) отображают совокупную температурную зависимость параметров пленки ВТСП в Б-состоянии и температурную зависимость неоднородного распределения тока в поперечном сечении пленки соответственно:

(1\у 2X1(0)

Модель позволяет принимать во внимание как собственно физико- химические свойства тонких пленок ВТСП, так и качество пленки, реально получаемое в конкретном технологическом процессе. Для-исследования предлагается ряд возможных конфигураций Б-К переключательного элемента. Простейший Б-Ы переключательный элемент может быть реализован в виде короткой узкой полоски, включенной в разрыв линии передачи. Для уве-

личения рабочего частотного диапазона необходимо имеющуюся паразитную индуктивность элемента (Ь) свести до минимума. Эта задача решается несколькими путями: 1) использование Б-Ы элементов в виде двух и более параллельно включенных тонких линий (при сохранении их сум- а б

марной ширины, полная

индуктивность меньше, Рис.1. Эскизы Б-Ы переклю-чем у одиночной линии); чательных элементов, анали-2)- Б-Ы элемент в виде зируемые в работе, длинной линии, свернутой

в меандр, имеет меньшую индуктивность по сравнению с обычной линией такой же длины и ширины за счет наличия отрицательной взаимной индуктивности между соседними линиями меандра. Предложенные варианты реализации Э-Ы переключательных элементов изображены на рис.1. Для моделирования их частотных характеристик предлагается использовать:

- алгоритмы анализа распределенных СВЧ структур (рассмотрение Б-Ы элемента как одиночной микрополос-ковой линии с потерями),

- эквивалентную электрическую схему в виде Т-звена.

Проведенный анализ частотных свойств Б-Ы ключей, изображенных на рис. 1а, выявил имеющее место ограничение на длину I, при превышении которой выше критической модель элемента не может быть заменен сосредоточенными реактивностями.

Приведенный в работе алгоритм анализа как простых, так и сложных меандровых Б-Ю ключей позволяет быстро и эффективно, не прибегая к трудоемким электродинамическим методам моделирования, решать вопросы выбора подходящего типа Б-Ы переключательного элемента для конкретной задачи.

В третьей главе разрабатывается математический аппарат, необходимый для синтеза отражательных фазовращателей. Найденные закономерности выражены в виде простых математических соотношений. Показывается, что

для реализации отражательного фазовращателя достаточно решить задачу согласования сопротивления генератора с некоторым комплексным сопротивлением, величина которого зависит от требуемого фазового сдвига и от параметров выбранного Б-Ы элемента. В главе предлагается два варианта представления переключательного Э-Ы элемента (чисто активным или комплексным сопротивлением) . Для каждого варианта существует свой алгоритм синтеза. Формулируется единственное и достаточное условие получения минимальных и равных потерь в Б- и ГТ-состояниях для заданного фазового сдвига в случае описания элемента чисто активным сопротивлением: для того чтобы получить требуемый фазовый сдвиг Лср с минимальными и равными потерями в обоих состояниях Б-К элемента, необходимо обеспечить согласование входного

вносимые потери зависят от частоты и температуры: Ь0оф (Т, F)-1/К (Т, F) , где К (Т, F) - коммутационное качество S-N ключа {2}. Глава содержит таблицы и графики с примерами расчета отражательных фазовращателей на стандартные фазовые сдвиги 11.25°, 22.5°, 45°, 90° и 180°.

В главе приведены примеры синтеза согласующих цепей, обеспечивающие минимальные и. равные потери фазовращателя в обоих состояниях. Важный вывод, позволяющий упростить процесс проектирования отражательного фазовращателя, заключается в том, что задачу выбора S-N элемента и задачу синтеза согласующей схемы нельзя разделять на отдельные независимые блоки, а решать их надо совместно и при необходимости вносить корректировки.

Четвертая глава посвящена проблеме проектирования фазовращателей проходного типа и содержит как теоретические исследования, так и экспериментальные результаты измерения некоторых типов фазовращателей. Рассматриваются вопросы проектирования фазовращателей на базе имеющихся отражательных с использованием дополнительных отрезков линий передачи и (или) направленных ответвителей, и фазовращателей типа периодиче-

сопротивления с сопротивлением

При этом

ски нагруженной линии на основе переключаемых реак-тивностей, содержащих Э-Ы элементы.

Предложенные варианты проходных фазовращателей на переключаемых Ь-Ь и Ь-С реактивностях обеспечивают требуемый фазовый сдвиг в широкой полосе частот (>10%) и занимают наименьшую (<50мм2) площадь на подложке. Анализ таких структур показал невозможность полного исключения модуляционных искажений проходящего сигнала при переключении из-за невозможности получения равных потерь в обоих состояниях. Эскизы топологий и экспериментальные частотные характеристики фазовращателей представлены на рис.2 и 3 .

и и.

«ли 2,0

И™

0 I <УУУ|-И* ■ О ■ ■ О 1 Г^т—-о

1 £-^ £

20 -,

5 15 -

6 10 £ И

Фазовый сдвиг Дф

эксперимент

теория

-1—1—1-1-1

6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 г, ГГц

Рис.2. Эквивалентная электрическая схема, эскиз топологии и частотные характеристики 11.25° Ь-Ь фазовращателя .

На рис. 4 представлена экспериментальная импульсная характеристика фазовращателя. Источник тока 1упр, связанный с генератором прямоугольных импульсов длительностью ЮОнсек, использовался для формирования сигнала, подаваемого на вход управления фазовращателя. Проведенный эксперимент показал наличие временной задержки при переключении и зависимость времени задержки т от величины управляющего тока.

Так при 1уПр-20мА, т=100нсек, а при 1упр=б0мА, 1=15нсек.

, Лф, град

!.7 8.9 9.1 9.3

Р, ГГц

Переключательный Э-Ы элемент

Рис.3. Эскиз топологии и частотные характеристики 45° Ь-С фазовращателя.

Эксперимент показал возможность создания быстродействующих управляемых СВЧ приборов на Б-Ы переходе.

В приложении 1

приведен алгоритм

анализа периодических структур в виде многосвязных микрополос-ковых линий. Предложенная программа позволяет с достаточной точностью анализиро- рис.4 Импульсная характеристика вать меандровые фазовращателя

структуры при моделировании Э-Ы ключей и конденсаторов в виде встречно-штыревых структур.

Приложение 2 содержит примеры проектирования отражательных фазовращателей на фазовые сдвиги 11.25°, 22.5°, 45°, 90° и 180°.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Основываясь на известной феноменологической модели поверхностного импеданса для тонких пленок сверхпроводника в сверхпроводящем' (Б) и нормальном (N1 состояниях, определяется набор функциональных зависимостей, полностью описывающих свойства Б-М переключательного элемента с заданными геометрическими размерами на СВЧ: коммутационное качество К, среднегеометрическое сопротивление Им, добротность 0М.

2. Определены критерии выбора конфигурации управляемых З-Ы элементов для целей построения дискретных СВЧ фазовращателей. Анализ основных методов, используемых при моделировании различных конфигураций Б-Ы ключей позволяет минимизировать временные затраты на вычисление при обеспечении заданной точности.

3. Анализ Б-Ы ключей в виде отрезков линии передачи показал, что существует ограничение на длину Б-Ы элемента, когда переключатель может быть описан сосредоточенными индуктивностью и сопротивлением в обоих Б- и И- состояниях (например, на частоте Г=10ГГц критическая длина составляет 1=0.5мм).

4. Результаты расчета Б-Ы элементов в виде длинной узкой линии, свернутой в меандр, показывают, что такие структуры можно использовать при проектировании управляемых СВЧ устройств на ВТСП. В частности, с помощью меандровых структур решается задача уменьшения занимаемой площади на подложке и снижения паразитной индуктивности Б-Ы элемента, что важно при проектировании управляемых дискретных фазовращателей.

5. Предложенная теория проектирования отражательных фазовращателей применима как для случая описания Б-Ы элемента чисто активным сопротивлением, так и для случая описания комплексным сопротивлением, учитывающим присущую элементу паразитную индуктивность.

6. Сформулирован вывод о том, что задача синтеза отражательных фазовращателей с минимальными и равными потерями в обоих состояниях перерастает в задачу синтеза схемы, согласующей внутреннее сопротивление генератора с некоторым комплексным импедансом. В част-

ности, для случая описания элемента активным сопротивлением, величина импеданса может быть найдена как:

fi^O

Zin=RM-e('2 2), где RM- среднегеометрическое сопротивление, Лср- требуемый фазовый сдвиг.

7. Теоретический- анализ характеристик фазовращателей показал, что вносимые устройством потери зависят от качества сверхпроводниковой пленки и температуры. Так, при Т=77К и коммутационном качестве S-N элемента К=1000 (Е=10ГГц), для многоразрядного фазовращателя вносимые потери не превышают 0.5 дБ. При снижении частоты и температуры потери уменьшаются.

8. Оригинальные схемы фазовращателей проходного типа, предложенные в работе, позволяют значительно уменьшить занимаемую устройством площадь на подложке.

9. разработанные и измеренные устройства доказали возможность создания быстродействующих управляемых СВЧ фазовращателей на основе ВТСП пленок.

10. Результаты сравнения теоретических и экспериментальных результатов позволяют с-делать вывод о применимости предложенных методик при проектировании СВЧ фазовращателей на S-N переходе в ВТСП.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. I.Vendik, M.Gaidukov, S.Rasumov, V.Osadchiy, V.Sherman, O.Buslov, D.Kaparkov. Fast digital phase shifter based on S-N transition in high Tc superconducting film. 1995, Proc. 25th. EuMC, Bologna, 4-7 sept. 1995, Nexus Business Comm., Vol.2, pp.931-936.

2. V.Osadchiy, A.Swishchev, V.Sherman, M.Gaidukov, I.Vendik. Microwave devices based on S-N transition in high-Tc superconducting films. 1995 International Semiconductor Device Research Symposium 6-8 December 1995, USA.

3. V.Osadchiy, A.Swishchev, V.Sherman, M.Gaidukov, I.Vendik et al. YBaCuO Thin Films on Sapphire up to 2-inch-diameter for Microwave Applications. IEEE Transactions on applied

superconductivity, vol.5, No.2, June 1995, p. 17971800.

4. D.Kaparkov, V.Sherman, I.Vendik, M.Gaidukov, V.Osadchiy, P.Petrov, S.Rasumov. Microwave digital phase shifters based on a S-N Switching in HTS thin films. Inst. Phys. Conf. Ser., 1995, pp. 1139-1142.

5. И.Б.Вендик, А.А.Свищев, В.О.Шерман, Управляющие устройства на S-N переходе в пленках высокотемпературного сверхпроводника // Радиоэлектроника , сб. научн. трудов, вып.2, Спб, 1996г.,стр 32-36.

6. В.О.Шерман, Дискретные фазовращатели на высокотемпературных сверхпроводниках, -Известия ГЭТУ, Вып. 493, С.-Петербург, 1996, с. 21-25.

7. Sherman, М. Gaidukov, S .• Razumov, I. Vendik, S. Bolioli, and B. Dirassen, Digital phase shifter based on the S-N transition in high-Tc superconducting films, Electronics Lett., 1997, Vol. 33, No. 1, pp. 62-64.

8. I. Vendik, A. Kozyrev, M. Gaidukov, V. Sherman, A. Svishchev, S. Razumov, D. Dovgan', S. Bolioli, B. Dirassen, The superconducting microwave devices based on S-N transition in HTS films, Proc. of 27th EuMC, Vol.2, 27th European Microwave Conference, Jerusalem, Israel, 8-12 September, 1997, pp. 909-914.

9. I. Vendik, V. Sherman, A. Svishchev, "Microwave Switches and Digital Phase Shifters Based on S-N Transition in High-Temperature Superconducting Films", Proc. of Applied superconductivity conference, 1998, Palm Desert, USA.

10. V. Sherman, A. Svishchev, I. Vendik, "High-Temperature Superconducting Switches and Digital Phase Shifters", Proc. of the XXVII Moscow Iinter-netional Conference on Antenna Theory and Technology, MOscow, Russia, 22-24 September, 1998, pp. 496-499.

/

/ ' /

■ I ■ ' *-------- .

Государственный комитет РФ по высшему образованию

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет имени В.И. Ульянова (Ленина)

на правах рукописи

ШЕРМАН ВЛАДИМИР ОЛЕГОВИЧ

УДК 537.312.62

ФАЗОВРАЩАТЕЛИ НА Б-Ы ПЕРЕХОДЕ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ

СВЕРХПРОВОДНИКАХ

Специальность: 05.12.13

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель Доктор физико- матеметических наук, профессор

И.Б. Вендик

Санкт- Петербург - 1998

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1.

1.1 Э-Ы переключение. Характеристики Б-Ы ключа........................................ 14

1.2 Фазовращатели на р-л.-п диодах, полевых транзисторах, СКВИД-ах....................... 27

1.3 Выводы................................ 36

ГЛАВА 2. Б-Ы КЛЮЧ КАК ЭЛЕМЕНТ ГИБРИДНОЙ СВЧ

МИКРОСХЕМЫ 38

2.1 Определение свойств Б-Ы ключа..................39

2.2 Анализ ключей различных конфигураций.. 48

2.2.1 Экспериментальный метод............................48

2.2.2 Анализ с помощью . программ электродинамического моделирования........................48

2.2.3 Эмпирические методы моделирования.... 49

2.3 Б-Ы ключи в виде отрезков линии передачи ......................................................................52

2.4 Анализ Б-Ы ключей в виде длинной линии, свернутой в меандр........................58

2.5 Выводы................................................................61

ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОТРАЖАТЕЛВНЫХ ФАЗОВРАШДТЕЛЕЙ НА Б-Ы ПЕРЕХОДЕ

3.1 Теория проектирования отражательных

фазовращателей............................... 62

3.1.1 Введение.............................. 62

3.1.2 Общие положения....................... 62

3.1.3 Случай описания S-N элемента активным сопротивлением............................... 65

3.1.4 Описание S-N элемента комплексным сопротивлением................................ 70

3.1.5 Ограничение по вносимым потерям....... 74

3.2 Синтез отражательных фазовращателей... 81

3.2.1 Проектирование фазовращателя на большой фазовый сдвиг (Дфооф = 180°).............. 81

3.2.2 Проектирование фазовращателя на малый фазовый сдвиг на основе Г80° фазовращателя.. 92

3.2.3 Примеры использования процедуры согласования комплексного сопротивления ZBX при синтезе отражательных фазовращателей......... 99

3.3 Выводы................................ 103

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ ПРОХОДНОГО ТИПА 104

4.1 Синтез проходных фазовращателей на основе одноступенчатых отражательных фазовращателей....................■.................... 105

4.1.1 Фазовращатель типа периодически нагруженной линии................................. 105

4.1.2 Фазовращатель на направленном ответви-теле......................................... 110

4.2 Синтез проходных фазовращателей типа периодически нагруженной линии с последовательным подключением управляемых реактивно-

стей......................................... 121

4.2.1 L-L фазовращатель.-.................... 121

4.2.2 Ь-С фазовращатель.......................127

4.3 Исследование импульсных характеристик фазовращателей, работающих на эффекте Э-Ы переключения в пленках ВТСП........................................132

4.4 Выводы................................................................137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................:......................................138

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.........................................165

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач, вытекающих из тенденций развития современных систем коммуникации, радиоконтроля, навигации и пр., является дальнейшее повышение уровня помехозащищенности аппаратуры, увеличение чувствительности приемных трактов. При разработке новых радиосистем, учитывающих подобные тенденции, возможно выделить два принципиально разных подхода к их проектированию:

- разработка новых изделий на основе уже существующих аналогов, использующих традиционные материалы и элементную базу, но имеющие при этом улучшенные характеристики благодаря совершенствованию технологии их изготовления (например, появление субмикронной технологии позволило изготавливать сверхбыстродействующие транзисторы, что в свою очередь привело к значительному улучшению частотных свойств радиоаппаратуры) .

- применение принципиально новых материалов, обладающих определенными свойствами, использование которых позволяет удовлетворить тем требованиям, которые закладываются при разработке новой аппаратуры.

Несомненно, что второй путь, революционный по своей сути, требует намного больше затрат на стадии исследования таких материалов и технологических процессов их производства, но при наличии в перспективе достаточно большой гаммы производимых на их основе приборов, подобный путь может оказаться целесообразным и экономически выгодным, а при дальнейшем ужесточении вышеперечисленных требований, вероятно, и единственным. История развития техники в целом и радиоэлектроники в частности показывает, что разумное сочетание этих двух методов позволяет до-

биться наилучших технических результатов при минимальных экономических и временных затратах. Любая из перечисленных выше радиосистем имеет в своем составе один из следующих (или все вместе) функциональных узлов: передающее устройство, линию связи, приемное устройство. Все эти узлы вносят вклад в шумовые характеристики прибора и в его чувствительность. Как правило, разработчик радиоаппаратуры не может влиять на характеристики линии связи, а за счет относительно большой мощности на выходе передающего тракта коэффициент шума невысок. Остается приемник, который и необходимо оптимизировать для получения наилучших параметров. Любое приемное устройство содержит в своем составе антенну, свойства которой в основном и определяют параметры системы. Наиболее перспективными и реализуемыми в гибридной технологии являются фазированные антенные решетки (ФАР) [1, 2] . Главным преимуществом ФАР перед другими типами антенных систем является их способность при использовании систем электронного сканирования быстро и с большой точностью менять не только положение диаграммы направленности, но и ее форму. Основой системы электронного сканирования являются быстродействующие СВЧ фазовращатели. Сейчас основными активными элементами, используемыми в технике сверхвысоких частот, являются р-л.-п - диоды и полевые транзисторы [3], изготовленные по кремниевой или арсенид- галлиевой технологии. Стало появляться значительное количество приборов в виде однокристальных схем, что значительно улучшило массо - габаритные показатели устройств. Однако, технические характеристики приборов, созданных по такой технологии, не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к проектируемой аппаратуре.

После открытия материалов, обладающих свойством высокотемпературной сверхпроводимости стало очевидным их несомненное преимущество перед обычными проводниками при использовании в качестве материала для изготовления интегральных СВЧ схем [4], так как при температуре существования сверхпроводящей фазы они обладают более низким поверхностным сопротивлением, чем медные или золотые пленки при таких же условиях вплоть до критической частоты, порядка ЮОГГц. Оксиды, обладающие нулевым сопротивлением при температуре, сравнимой с температурой жидкого азота, были впервые получены в 1986 году. И с этого же времени начался отсчет приборам и устройствам, изготовленным на основе высокотемпературных сверхпроводников. Несмотря на ожидаемые надежды в широком спектре возможных областей науки и техники, где было бы чрезвычайно полезно такое замечательное качество сверхпроводников, как отсутствие потерь (передача энергии на расстояние с большим КПД, создание сверхмощных трансформаторов и прочее), наибольшее, а, вероятно, и единственное практическое применение сверхпроводники нашли именно в сфере микроэлектроники, в частности СВЧ микроэлектроники. Это связано с технологическими особенностями получения подобных материалов. До настоящего времени удалось освоить лишь изготовление эпи-таксиальных тонких пленок, толщиной от десятых долей до единиц микрометра на подложке, диаметр которой не превышает 102см. Именно этот факт и ограничивает сегодня возможные области использования сверхпроводников.

Подробнее свойства пленок высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) будут описаны ниже, а сейчас стоит отметить, что замена подобными пленками обычных металлов, таких как медь, золото, серебро, позволяет снизить .вносимые устройством потери

на несколько порядков и значительно уменьшить собственный коэффициент шума. Здесь следует оговориться, что затраты, связанные с необходимостью охлаждения устройств до температуры перехода Тс не всегда оправдываются выигрышем по потерям и шумам. Следовательно, устройства, содержащие ВТСП, целесообразно проектировать не в виде отдельных' функциональных охлаждаемых модулей, а в составе законченного охлаждаемого устройства. Однако существуют и исключения, например высокодобротные резонаторы с добротностями 105-106, которые принципиально не реализуются другими методами в таких же габаритах. К исключениям можно отнести и те сферы радиотехники, где требования по минимизации собственных шумов являются определяющими, например, в радиоастрономии при приеме сверхслабых сигналов.

За последнее десятилетие было разработано множество СВЧ устройств, использующих свойства сверхпроводников, такие как фильтры [5], резонаторы (микрополосковые и объемные диэлектрические), направленные ответвители [б], линии задержки и другие линейные пассивные устройства. Процедура дизайна подобных устройств такая же, как и при проектировании аналогов, сделанных на традиционных материалах, с той лишь оговоркой, что в ВТСП приборах следует учитывать влияние кинетической индуктивности, присущей исключительно сверхпроводникам (особенно при синтезе линий задержки).

Кроме того, существует ряд физических явлений, присущих подобным материалам, которые позволяют использовать их в качестве нелинейных или управляющих элементов при создании активных СВЧ устройств. Перечислим эти свойства:

- туннелирование носителей заряда сквозь потенциальный барьер: эффект Джозефсона, SIS- контакт и его нелинейные воЛьт - амперные характеристики,

- изменение кинетической индуктивности под действием протекающего тока,.

- изменение сопротивления рабочей зоны пленки под действием СВЧ мощности, постоянного тока, магнитного поля, теплового излучения и др.,

Принципиально возможно существование активных управляемых приборов, использующих эти свойства: модуляторы, смесители, детекторы, управляемые нагрузки, ключи, фазовращатели и другие .

Скачкообразное изменение поверхностного сопротивления пленки сверхпроводника называют S-N переходом. Следует отметить, что, несмотря на активное развитие криоэлектроники СВЧ с применением высокотемпературных сверхпроводников, информация об использовании S-N перехода в СВЧ приборах появляется крайне редко. В работе именно это свойство пленок используется как основа (базис) для создания управляемых дискретных фазовращателей .

Целью диссертационной работы является исследование возможности использования пленок ВТСП для создания управляющих устройств СВЧ, построение моделей для разработки дискретных СВЧ фазовращателей, изготовленных по сверхпроводниковой технологии, работающих в диапазоне частот:- 2-12ГГц. Для достижения поставленных целей необходимо решение следующих задач:

1. Оценка применимости модели поверхностного импеданса пленки ВТСП при пропускании через нее постоянного тока при температуре ниже температуры фазового перехода (Тс) .

2. Анализ известных базовых моделей СВЧ фазовращателей на предмет использования их при проектировании приборов на основе ВТСП технологии и совместно с управляемыми ВТСП компонентами, а также поиск принципиально новых решений, не доступных при традиционном подходе.

3. Оценка ■ предельных характеристик Б-Ы фазовращателей на этапе проектирования.

4. Анализ Б-Ы элементов, удовлетворяющих ограничениям, налагаемым на них условиями использования в составе фазовращателей.

Объектами исследования являются пленки ВТСП соединения УВа2Сиз07_§, СВЧ устройства на их основе, использующие Б-Ы переход, различные конструкции дискретных фазовращателей.

Методы исследования:

а) теоретические: математические методы анализа периодических структур, аппарат теории цепей, теория согласования.

б) экспериментальные.

Основные защищаемые положения:

1. Свойства фазовращателя полностью определяются параметрами Э-Ы элементов, входящих в его состав, так вносимые потери определяются коммутационным качеством К, среднегеометрическое сопротивление определяет условие проектирования фазовращате-

и

ля с минимальными и равными потерями и неравномерность фазоча-стотной характеристики в полосе частот, максимальная ширина рабочего частотного диапазона определяется добротностью 0.

2. Для проектирования отражательных фазовращателей с минимальными и равными потерями, использующих Б-Ы ключи, достаточно решить задачу согласования комплексного сопротивления

в сверхпроводящем и нормальном состояниях соответственно, Аф-требуемый фазовый сдвиг.

3. При проектировании проходных фазовращателей, работа которых основана на изменении реактивностей, включенных последовательно в линию передачи, принципиально невозможно добиться равенства вносимых потерь в обоих состояниях, обеспечивающего минимально достижимые потери фазовращателя.

Новые научные результаты работы.

1. Предложена концепция проектирования фазовращателей отражательного и проходного типов, работающих на принципе Б-Ы переключения в высокотемпературных сверхпроводниках.

2. На базе феноменологической модели поверхностного импеданса тонкой пленки ВТСП определены параметры Б-Ы переключательного элемента (коммутационное качество, добротность, среднегеометрическое сопротивление) как функции физических характеристик пленки.

3. Определены предельные характеристики фазовращателей, работающих на принципе Б-Ы переключения в пленках ВТСП.

4. Впервые экспериментально исследованы различные варианты фазовращателей на Б-Ы переходе.

где ым = , В.3 , Б^г сопротивление ВТСП ключа

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 102 наименование, и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 95 страницах машинописного текста. Работа содержит 46 рисунков и 7 таблиц.

Первая глава диссертационной работы имеет обзорный характер и содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований пленок ВТСП, Б-Ы ключей, схем СВЧ фазовращателей и переключателей на основе медной и высокотемпературной технологии .

Во второй главе определяются основные свойства Б-Ы переключательных элементов на постоянном токе и на СВЧ. Дается определение совокупности параметров Б-Ы ключа, такие как: среднегеометрическое сопротивление добротность 0, коммутационное качество К, индуктивность Ь, которые в полной мере описывают амплитудные и частотные свойства Б-И элемента. Исследуются различные конфигурации переключательных Б-Ы элементов, в частности, узкие короткие отрезки линии передачи и длинные линии, свернутые в меандр.

В третьей главе разрабатывается математический аппарат, необходимый для синтеза отражательных фазовращателей. Найденные закономерности выражены в виде простых математических соотношений. В главе предлагается два варианта представления переключательного Б-Ы элемента (чисто активным сопротивлением и комплексным сопротивлением). Для каждого варианта существует

свой алгоритм синтеза. Глава содержит таблицы и графики с примерами расчета отражательных фазовращателей на стандартные фазовые сдвиги.

Четвертая глава посвящена проблеме проектирования фазовращателей проходного типа. Рассматриваются вопросы как проектирования фазовращателей на базе имеющихся отражательных с использованием дополнительных отрезков линии передачи и (или) направленных ответвителей, так и фазовращателей типа периодически нагруженной линии на основе переключаемых реактивностей, содержащих Б-Ы элементы.

В приложении 1 приведена программа анализа периодических структур в виде многосвязных микрополосковых линий.

Приложение 2 содержит примеры проектирования отражательных фазовращателей на фазовые сдвиги 11.25°, 22.5°, 45°, 90° и 180°.

ГЛАВА1.

1.1 Б-Ы ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ. ХАРАКТЕРИСТИКИ Б-Ы КЛЮЧА.

Важной особенностью материалов, имеющих сверхпроводящие свойства, является необычный тип носителей заряда, называемый куперовская пара. Куперовская пара состоит из двух электронов, связанных друг с другом, и имеет нулевой спин. При движении такие частицы в отличие от одиночных электронов не испытывают рассеяния на кристаллической решетке -и, следовательно, материал имеет нулевое сопротивление. Подобное поведение электронов в сверхпроводящих материалах описывается классической теорией Бардина, Купера, Шрифера (теория БКШ) [7] . В [8] дается сравнительная оценка повер