автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Перестраиваемый узкополосный преселектор ВЧ диапазона

На правах рукописи

ЖУКОВ Алексей Сергеевич

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ УЗКОПОЛОСНЫЙ ПРЕСЕЛЕКТОР ВЧ ДИАПАЗОНА

05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии. 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро и наноэлекгроника на квантовых эффектах.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2003

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете)

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Л.И. Пономарев,

кандидат технических наук, доцент Л.М. Федотов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.В. Чебышев, МТУСИ;

кандидат технических наук, Ю.Н. Корниенко, зам. директора по науке ЗАО «Модуль Пласт

Ведущая организация:

ФГУП НКТБ «Феррит»

Защита состоится «_»

_2003 года в

часов на заседании

диссертационного совета Д 212.125.03 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) (125993, А-80, ГСП-3, г.Москва, Волоколамское ш., д.4)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета)

Автореферат разослан «06» ноября 2003г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

oJÁJ

—=»—-__)

М.И. Сычев

"Т^осгГ

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию возможности построения узкополосного (отношение центральной частоты к полосе пропускания до 105) перестраиваемого преселектора на основе резонансного фильтра с сосредоточенными параметрами, выполненного с использованием материалов, обладающих эффектом высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в высокочастотном (ВЧ) диапазоне радиоволн. В качестве основной области применения таких фильтров рассматривается узкополосная преселекция в антенно-фидерном тракте на входе радиоприемных устройств (РПУ), работающих на частотах 1-32 МГц.

Актуальность темы.

Необходимость разработки узкополосных перестраиваемых фильтров ВЧ диапазона радиоволн возникает в целом ряде технических приложений - таких, как узкополосная преселекция на входе радиоприемных систем, обеспечение электромагнитной совместимости, фильтрация паразитных гармоник на выходе синтезаторов частот и др.

Одним из наиболее перспективных направлений использования

узкополосных фильтров является преселекция радиосигналов на входе радиоприемного устройства (РПУ). Преселектор, устанавливаемый непосредственно на выходе антенны (на входе приемника), позволяет значительно увеличить входное отношение сигнал/помеха (С/П) на входе приемного устройства и во многих случаях являются практически единственным возможным способом дальнейшего повышения эффективности радиосистем. Подобные ситуации возникают, как правило, при наличии мощных помех, на порядки превышающих полезный сигнал. Продуктом взаимодействия мощных внеполосных помех на нелинейностях входных цепей радиоприемного устройства являются интермодуляционные помехи, котор ^^ДОЦЙЮОДНМВД {прием при

библиотека |

попадании их в полосу полезного сигнала. Наиболее опасной является интермодуляционная составляющая 3-го порядка. Особенно остро проявляется проблема интермодуляционных помех при приеме сигналов ВЧ диапазона радиоволн.

Использование на входе приемника узкополосного управляемого преселектора позволяет избавиться от интермодуляционной помехи, ослабляя сосредоточенную внеполосную помеху на 50-60дБ\

Рис. 1.

В ряде работ ранее были рассмотрены вопросы практического применения сверхпроводниковых резонансных фильтров с сосредоточенными параметрами в качестве преселекторов в ВЧ диапазоне2,3,4. Результаты данных исследований показали высокую эффективность применения узкополосных преселекторов. В случае создания образцов перестраиваемых фильтров с полосой пропускания в сотни герц, пригодных для широкого использования, открывается возможность создания РПУ, имеющих наряду с широким динамическим диапазоном, меньший уровень собственных шумов за счет того, что основное усиление и предварительная фильтрация принимаемого сигнала в них может осуществляться без переноса на промежуточную частоту. Такое схемотехническое решение позволит значительно улучшить чувствительность и помехозащищенность РТС.

1 Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств; Учеб. Пособие для вузов/ Н. Н. Буга, В. Я. Конторович, В.И. Носов; Под ред. Н. Н. Буги. - М.: Радио и связь, 1993.-240 с.

2 Arams F.R., Fradkin J, Komfeld D., Sard E.W., Siegel K. Superconducting ultrahigh Q tunable RF preselector. - IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1967, 9, 3, 110.

3 V-gJ.M., Gikow E. A Superconductive tuner with a broad tunong range. - J. Proc. IEEE, 1973, 61.

4 А.Ю. Ганицев Эффективность применения высокодобротных преселекторов из высокотемпературных сверхпроводников с, адаптивными антенными решетками, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2001.

В настоящее время существует несколько типов фильтров, предельно достижимые значения полосы пропускания которых позволяют приблизиться к указанным выше требованиям. В частности достаточно узкую полосу пропускания можно получить у фильтров на основе кварцевых резонаторов, но наряду с достоинствами, к которым относятся высокая стабильность и относительная простота конструкции, фильтры на кварцевых резонаторах обладают значительным недостатком - управление резонансной частотой в них возможно лишь в очень узких пределах. Возможность перестройки центральной частоты в сочетании с узкой полосой пропускания реализуется в резонансных фильтрах с сосредоточенными параметрами, выполненными на основе материалов, обладающих эффектом сверхпроводимости и, в частности, высокотемпературной сверхпроводимости. Фильтры ВЧ диапазона на основе обычных или низкотемпературных (т.е. требующих гелиевого уровня охлаждения ~4 К0) сверхпроводников активно исследовались еще в 60-х годах и позволяли обеспечить добротность порядка 10б, но в настоящее время исследованиям подобных фильтров уделяется меньшее внимание, что объясняется чрезвычайными сложностями при эксплуатации криогенных систем с использованием жидкого гелия. Указанного недостатка лишены фильтры на основе материалов, обладающих эффектом высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП).

В настоящее ¡время структуры на основе ВТСП могут быть созданы по тонко-, либо толстопленочной технологиям, имеющим свои достоинства и * недостатки. Так, при тонкопленочной технологии конфигурация ВТСП структур ограничивается участком плоской поверхности, при этом их максимальный " размер может составлять лишь несколько квадратных сантиметров. Толстопленочная технология допускает изготовление объемных ВТСП элементов, но в силу особенностей физической структуры материала сверхпроводника имеет по сравнению с тонкопленочными элементами большие потери и меньшую величину критического тока.

Для построения полосовых фильтров преселектора в ВЧ диапазоне с

полосой пропускания от 500 Гц и выше и с коэффициентом передачи не хуже 0,5-Ю,9 требуемая ненагруженная добротность ВТСП фильтра должна лежать в интервале 104 - 10б. Достижение столь узкой полосы пропускания фильтра само по себе является трудной научно-технической задачей, которая еще более усложняется при необходимости осуществления управления параметрами фильтрации (такими как частота настройки фильтра, его полоса пропускания, коэффициент передачи и др.). К моменту выполнения диссертации, как следует из анализа доступных источников, существовали лишь неперестраиваемые фильтры в виде единичных лабораторных образцов. Наибольшее значение добротности 4-Ю4, достигнуто в не перестраиваемом ВТСП контуре на частоте 24 МГц. Результаты по перестраиваемым в широкой полосе высокодобротным ВТСП фильтрам в доступной научно-технической литературе отсутствовали. Отсутствовали также какие-либо данные по предельно достижимой величине добротности.

Указанный факт указывает на недостаточную исследованность рассматриваемой тематики, что наряду с высокой востребованностью устройств, обеспечивающих узкополосную фильтрацию с возможностью перестройки их параметров, говорит о перспективности дальнейших более глубоких исследований свойств резонансных структур ВЧ диапазона на основе ВТСП.

Цель работы

Целью данной работы является исследование возможности построения узкополосных перестраиваемых ВТСП фильтров ВЧ диапазона радиоволн и определение основных факторов, влияющих на их радиотехнические и эксплуатационные параметры; разработка методики расчета и проектирования высокодобротных перестраиваемых фильтров в ВЧ диапазоне; исследование свойств экспериментальных образцов таких фильтров с целью определения их предельных параметров, достижимых на современном уровне развития технологии производства ВТСП структур; исследование влияния преселектора на основе перестраиваемого ВТСП фильтра на характеристики приема

радиоприемного устройства (РПУ); развитие методик измерения параметров сверхузкополосных фильтров и использующих их радиотехнических систем.

При решении научной задачи, соответствующей поставленной цели, были проведены:

анализ возможности построения и определение предельных достижимых параметров ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне радиоволн; исследованы возможности управления параметрами высокодобротного ВТСП фильтра и его согласования с входными и выходными цепями, развиты методы расчета и проектирования перестраиваемых ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне.

экспериментально исследованы параметры макета фильтра и эффективность применения ВТСП фильтра в качестве преселектора в радиоприемных устройствах КВ диапазона.

Основные положения, выносимые на защиту

результаты исследования возможных схем построения узкополосных перестраиваемых ВТСП фильтров ВЧ диапазона радиоволн и определение основных факторов, влияющих на их радиотехнические и эксплуатационные параметры;

методика расчета и проектирования высокодобротных перестраиваемых фильтров в ВЧ диапазоне;

результаты теоретического и экспериментального исследования свойств ВТСП фильтров и определение их предельных параметров, достижимых на современном уровне развития технологии производства ВТСП структур;

результаты экспериментального исследования влияние преселектора на основе перестраиваемого ВТСП фильтра на характеристики приема радиоприемного устройства (РПУ)

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в оценке предельных параметров ВТСП фильтров ВЧ диапазона, достижимых на современном уровне развития технологии; анализе новых экспериментальных данных по свойствам ВТСП толстых и тонких пленок в ВЧ диапазоне; теоретическом и экспериментальном обосновании выбора типа конструкции и метода изготовления ВТСП фильтров, обладающих максимальной добротностью; разработке методов управления параметрами ВТСП фильтров; разработке методов расчета и анализа характеристик перестраиваемых ВТСП фильтров; получении и анализе новых экспериментальных данных по характеристикам перестраиваемых и неперестраиваемых ВТСП фильтров в составе радиотехнической системы и влиянии на данные характеристики параметров согласующих цепей; получении и анализе экспериментальных данных, позволяющих практически обосновать эффективность использовании узкополосного перестраиваемого преселектора на основе ВТСП материалов в составе РТС.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит в развитии методик проектирования и измерения параметров узкополосных ВТСП колебательных структур в ВЧ диапазоне, обосновании эффективности применения узкополосного перестраиваемого фильтра ВЧ диапазона в составе преселектора РПУ. Так же практическая ценность работы подтверждается востребованностью ее результатов в ходе выполнения ряда НИР и НИОКР, а также грантов Минобразования.

Реализация результатов

Результаты диссертационной работы частично внедрены и нашли практическое использование на ряде предприятий различных министерств и ведомств. Основные результаты реализованы в НИОКР.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на 12-ой Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, Крым, Украина, 9-13 сентября 2002г.); Молодежной научно-технической конференции "Радиолокация и связь - перспективные технологии" (ОАО "Радиофизика", Москва, 14-16 декабря 2001г.); 1-ой Международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 10-16 сентября 2001г.); 1У-ом международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии "ЭМС-2001" (Санкт-Петербург, 19-21 июня 2001г.); Молодежной научно-технической конференции "Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия" (Москва, 27-29 октября 2000г.); Московской студенческой научно-технической конференции "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве" (Москва, 26-27 февраля 1997г.).

Публикации

По теме диссертации опубликована 21 работа, из них 6 - статьи в журналах [1-6], 14 тезисов докладов в трудах конференций [7-20] и 1 патент на изобретение [21].

Личный вклад автора в проведенные исследования

В работах [3-7, 9-11, 18, 21] вклад автора является определяющим с точки зрения анализа экспериментальных данных, проведения расчетов и предложенных конструктивных способов улучшения характеристик перестраиваемых ВТСП фильтров, в работах [14-17, 20] - равноценным, а в работах [1, 2, 8, 12, 13, 19] вклад автора заключается в обсуждении результатов, предоставлении расчетных данных и проведении отдельных этапов экспериментальных исследований. Методика оценки параметров ВТСП контуров в ВЧ диапазоне разработана автором лично [3, 4, 7, 9-11].

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка

литературы, включающего в себя список цитированной литературы и список работ автора по теме диссертации. Каждая глава диссертации посвящена конкретной проблеме, связанной с анализом свойств, разработкой конструкции и применением ВТСП перестраиваемых преселекторов. Общий объем диссертации составляет 167 страниц, включая 157 страниц основного текста, 63 рисунка, размещенных на 50 страницах, список цитированной литературы из 73 наименований и список работ автора по теме диссертации из 21 наименования.

И. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы исследования, показана ее научная значимость, сформулированы цели работы, представлены сведения о структуре и содержании работы, а так же приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе формулируются требования к параметрам ВТСП фильтров ВЧ диапазона с учетом возможных областей их применения и приводятся результаты оценки максимальной добротности ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне, достижимой на современном уровне развития технологии. Приводятся и анализируются экспериментальные данные по изготовленным различными методами ВТСП пленочным элементам фильтров. Даются оценочные значения достижимой добротности ВТСП фильтров, полученные как на основе анализа и систематизации опубликованных данных, так и с помощью теоретических исследований и обработки экспериментальных данных. Рассматриваются различные варианты толсто- и тонкопленочного исполнения ВТСП элементов высокодобротного фильтра, анализируются особенности их конструктивного исполнения. Теоретически и экспериментально обосновывается выбор наиболее оптимальных схемы и метода изготовления ВТСП пленочных элементов конструкции высокодобротного фильтра с точки зрения предельно достижимых параметров фильтра.

Анализ доступной литературы показал, что в настоящее время существуют

лишь единичные образцы ВТСП фильтров, наибольшее достигнутое значение добротности которых 40000.

В результате анализа данных по ВТСП фильтрам было установлено, что при современном уровне развития технологий производства ВТСП наиболее перспективны с точки зрения максимальной достижимой добротности тонкопленочные ВТСП фильтры.

Выполненная оценка по влиянию различных факторов на ограничение максимальной величины добротности, таких как:

остаточное сопротивление ВТСП в ВЧ диапазоне;

активные потери, связанные с технологическими особенностями

изготовления ВТСП структур;

диэлектрические потери;

потери на излучение;

потери в контактах ВТСП - обычный проводник;

потери в соединительных проводниках из обычных проводников;

потери, вносимые из входных и выходных цепей;

потери при превышении критического тока для ВТСП элементов

фильтра;

выбор оптимальной геометрии элементов ВТСП фильтра, позволила установить, что современная тонкопленочная технология позволяет построить ВТСП фильтры с предельной добротностью порядка 105-И0б.

Во второй главе рассматриваются вопросы управления параметрами высокодобротного ВТСП фильтра. Предлагаются методы расчета и анализа характеристик перестраиваемых ВТСП фильтров. Рассматриваются доступные для реализации на современном уровне развития технологии способы управления резонансной частотой, полосой пропускания, коэффициентом передачи и динамическим диапазоном ВТСП фильтра в ВЧ диапазоне. Анализируются возможные конструктивные схемы перестраиваемого ВТСП фильтра. Рассматриваются вопросы согласования высокодобротного фильтра при

включении в радиотракт и влияние входных и выходных согласующих цепей на его основные параметры (полоса пропускания, резонансная частота, динамический диапазон, коэффициент передачи) во всем диапазоне перестройки ВТСП фильтра по частоте.

На основе проведенных исследований была предложена схема (см. рис. 1) и конструкция ВТСП фильтра и преселектора, обладающего узкой полосой пропускания до 500 Гц (ненагруженной добротностью контура п-104ч-105) и значительной полосой перестройки по частоте (2-3 октавы). Принцип перестройки частоты такого контура состоит в изменении контурной индуктивности и емкости при механическом перемещении относительно друг друга двух или более пластин с напыленными на них ВТСП катушками индуктивности и емкостными площадками. Связь ВТСП колебательного контура с внешними цепями организуется посредством индуктивных петель связи.

Графики, показывающие экспериментальные и расчетные зависимости резонансной частоты двух образцов ВТСП перестраиваемого колебательного контура от расстояния между одиночными подложками показаны на рис. 2., откуда следует, что разработанные методики, позволили с достаточной степенью точности оценить как основные параметры элементов фильтра, так и характеристики всего фильтра (резонансную частоту и полосу пропускания (добротность), коэффициент передачи) в диапазоне их перестройки.

I 40-

Б

т

-

-н 4-

1~

1000 2000 3000 4000

Расстояние маэду катушками, нш

Рис. 4.

Эксперимент Теория

1000 3000 3000

Расстояние мажду катушками ими

Рис. 5.

Максимальное значение ненагруженной добротности перестраиваемых полосовых ВТСП фильтров, рассчитанных и сконструированных при участии автора, при экспериментальных исследованиях показали, что максимальное значение ненагруженной добротности составляет величину 1,7* 105 на частоте около 15 МГц. Диапазон перестройки резонансной частоты изготовленных ВТСП фильтров составляет до 500% с ненагруженной добротностью во всей полосе не хуже 104.

В третьей главе приводится анализ результатов, полученных при комплексных испытаниях перестраиваемого высокодобротного фильтра на основе тонких ВТСП пленок как самостоятельного устройства, так и в составе макета преселектора, работающего совместно с радиоприемным устройством Р-399А. Приведен и проанализирован большой объем экспериментальных данных по влиянию такого преселектора на основные параметры (чувствительность, динамический диапазон по блокированию, динамический диапазон по интермодуляции и т.п.) радиоприемной системы в целом. Практически обоснованны и скорректированы сделанные ранее другими авторами [4] теоретические выводы о целесообразности и эффективности применения высокодобротных ВТСП фильтров для преселекции принимаемых радиосигналов в ВЧ диапазоне.

И

111111111111111111111Ш111Ш111111111111111Ш !11111Ш1111111111|1|||||1111111111Ш111111Ш Ш!1111111111111111111111111111111М11111111И1 1Ш1|'|!ШШИ11Ш11ПМИ1ИШШ1ИШШ| 1111111Ш!Ш1111111111|||11111111111111111111!

пншшшпшниишшшмпшишш

111111111111Ы11|||||||1|1|||||||||||1!!|||||||

||||||111111111<||||1М||1111111||;шп111111

11111111111111№111!1МШ11ШШШ1111Ш11 11111111111111111Ш1111111!111Н1111111111111И

|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

Рис. 6.

Так, исследования влияния использования ВТСП преселектора на входе РПУ Р-399А показали, что выигрыш от применения преселектора достигает 20дБ (см. рис.3). При этом было установлено, что на данном этапе развития технологии изготовления ВТСП элементов основным фактором, ограничивающим дальнейшее расширение ДДИ системы преселектор+РПУ при применениии преселектора, является динамический диапазон ВТСП элементов преселектора. В связи с этим для дальнейшего расширения ДДИ было предложено ослабить связь преселектора с входными и выходными цепями в комплексе с использованием УРЧ для компенсации возросшего проходного ослабления преселектора. Эксперимент показал, что использование УРЧ в данном случае дает дополнително прирост ДДИ не менее 6дБ. Указанный факт подтверждает эффектвность предложенной схемы включения ВТСП преселектора и перспективность дальнейших исследований в данной области.

Основные результаты работы

Проведенные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования по возможности построения узкополосного перестраиваемого преселектора ВЧ диапазона радиоволн, выполненного с использованием материалов, обладающих эффектом высокотемпературной сверхпроводимости позволили установить:

1. Проведенный в диссертации сравнительный анализ возможностей толстопленочной и тонкопленочной технологии ВТСП элементов фильтра показал, что последняя является более перспективной с точки зрения реализации фильтров с максимальной добротностью.

Выполненная оценка по влиянию различных факторов на ограничение максимальной величины добротности позволила установить, что современная тонкопленочная технология позволяет построить ВТСП фильтры с предельной добротностью порядка 105-И0б.

2. На основе проведенных исследований была предложена схема и конструкция ВТСП фильтра и преселектора, обладающего узкой полосой пропускания до 500 Гц (ненагруженной добротностью контура п-104н-105) и значительной полосой перестройки по частоте (2-3 октавы).

3. Для расчета предложенных схем тонкопленочных перестраиваемых ВТСП фильтров были разработаны методики, позволившие с достаточной степенью точности оценить как основные параметры элементов фильтра, так и характеристики всего фильтра (резонансную частоту и полосу пропускания (добротность), коэффициент передачи) в диапазоне их перестройки.

4. Рассчитанные и сконструированные при участии автора опытные образцы перестраиваемых ВТСП фильтров, изготовленные в ИФМ РАН при экспериментальных исследованиях показали, что максимальное значение ненагруженной добротности составляет величину 1,4-105 на частоте около 33 МГц, что является максимально достигнутой на сегодняшний день величиной из всех существующих в мире образцов подобных фильтров. Диапазон перестройки резонансной частоты изготовленных ВТСП фильтров составляет до 500% с ненагруженной добротностью во всей полосе не хуже 104.

5. Разработанные опытные образцы перестраиваемого фильтра были использованы в качестве основы преселектора, установленного на вход радиоприемного устройства Р-399А "Катран" и проведены сравнительные экспериментальные исследования характеристик Р-399А и системы преселектор+Р-399А.

Экспериментально доказано, что наличие узкополосного перестраиваемого ВТСП преселектора позволяет до 45 дБ повысить частотную избирательность Р-399А при отстройке на ±24кГц от частоты настройки, более чем на 27дБ повысить динамический диапазон по блокированию и на 10-ь20дБ повысить динамический диапазон по интермодуляции 3-го порядка. Однако, преселектор, как пассивное устройство приводит к снижению чувствительности Р-399А. Так же показано, что при существующей технологии изготовления ВТСП структур динамический диапазон системы ВТСП преселектор + РГТУ по интермодуляции 3-го порядка определяется динамическим диапазоном ВТСП элементов преселектора.

6. Экспериментально была подтверждена возможность по крайней мере неухудшения чувствительности Р-399А из-за наличия преселектора и возможность дальнейшего повышения эффективности преселектора на входе РПУ за счет включения после преселектора малошумящего усилителя радиочастоты.

Таким образом, полученные в диссертации результаты позволили теоретически и экспериментально обосновать возможность практической реализации в ВЧ диапазоне перестраиваемых в широкой полосе ВТСП фильтров с добротностью порядка 105 и выше и продемонстрировать эффективность использования подобных фильтров в преселекторах для существенного улучшения характеристик как серийно выпускаемых радиоприемников КВ диапазона типа Р-399А, так и при разработке нового поколения приемных устройств. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИОКР "Разрежение-2".

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1 Высокодобротный перестраиваемый сверхпроводящий контур ВЧ диапазона / Е.А. Вопилкин, А.Е. Парафин, С.А. Павлов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Ганицев, A.C. Жуков, В.В. Владимиров, А.Г. Летяго, В.В. Паршиков // Письма в ЖТФ - том 27. - вып. 16 - 2002. - с. 90-94.

2 Высокодобротный перестраиваемый контур ВЧ диапазона на основе высокотемпературного сверхпроводника YbaCuO / Д.Г. Волгунов, Е.А. Вопилкин, А.Е. Парафин, С.А. Павлов, Л.И. Пономарев, A.C. Жуков, А.Г. Летяго, В.В. Паршиков // Микросистемная техника - №7. - 2002. - с. 3-6.

3 Характеристики избирательности полосовых тонкопленочных ВТСП фильтров

в ВЧ-диапазоне / Л.И. Пономарев, A.C. Жуков, М.Г. Алексеенко // Радиотехника -№3.-2001.-с. 81-86.

4 Оценка характеристик высокодобротных фильтров ВЧ-диапазона, реализованных на основе ВТСП-материалов / Л.И. Пономарев, A.C. Жуков, М.Г. Алексеенко, А.Ю. Ганицев // Антенны - Выпуск 1 (47) - 2001. - с. 41-48.

5 Комплексный подход к расчету электромагнитного поля в микросотовых структурах / Л.И. Пономарев, A.C. Жуков, М.Г. Алексеенко, C.B. Родин // Антенны - Выпуск 3 (46) - 2000. - с. 66-71.

6 Математическое моделирование микроволновых электромагнитных полей в присутствии диэлектрических оболочек / Л.И. Пономарев, C.B. Родин, A.C. Жуков, В.В. Паршиков // Антенны - Выпуск 2 (43) - 1999. - с. 35-46.

7 Оптимизация параметров сверхузкополосного преселектора ВЧ диапазона /

A.C. Жуков, Л.И. Пономарев, В.В. Паршиков, A.A. Столяров, О.В. Терехин // Молодежная научно-техническая конференция "Радиолокация и связь перспективные технологии" (ОАО "Радиофизика", Москва, 28 февраля - 2 марта 2003г.): Тезисы докладов - с. 45-49

8 Частотная зависимость добротности высокодобротного перестраиваемого ВТСП контура / Д.Г. Волгунов, Е.А. Вопилкин, А.Е. Парафин, С. А. Павлов, Л.И. Пономарев, A.C. Жуков, В.В. Паршиков, О.В. Терехин // 12-я Международная конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, Крым, Украина, 9-13 сентября 2002г.): Материалы конференции - с. 441-442.

9 Расчет резонансной частоты перестраиваемых резонансных ВТСП фильтров с сосредоточенными параметрами / Л.И. Пономарев, A.C. Жуков, О.В. Терехин,

B.В. Паршиков // 12-я Международная конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, Крым, Украина, 9-13 сентября 2002г.): Материалы конференции - с. 449-450.

10 Перестраиваемый высокодобротный фильтр ВЧ диапазона на основе ВТСП структур / A.C. Жуков, Л.И. Пономарев, В.В. Попов, О.В. Терехин // Молодежная научно-техническая конференция "Радиолокация и связь - перспективные технологии" (ОАО "Радиофизика", Москва, 14-16 декабря 2001г.): Тезисы докладов-с. 51-52

11 Возможность управления нагруженной добротностью узкополосного перестраиваемого по частоте преселектора ВЧ диапазона / A.C. Жуков, Л.И. Пономарев, В.В. Попов, О.В. Терехин // Молодежная научно-техническая конференция "Радиолокация и связь - перспективные технологии" (ОАО "Радиофизика", Москва, 14-16 декабря 2001г.): Тезисы докладов - с. 53-54

12 Высокодобротный перестраиваемый сверхпроводящий контур ВЧ диапазона / Е.А. Вопилкин, А.Е. Парафин, С.А. Павлов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Ганицев, A.C. Жуков, В.В. Паршиков // 11-я Международная конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, Крым, Украина, 10-14 сентября 2001г.): Материалы конференции - с. 432-433.

13 Алгоритм расчета резонансных свойств плоской спиральной катушки / Л.И. Пономарев, М.Г. Алексеенко, A.C. Жуков // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы" - 1 Международная научно-

техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 10-16 сентября 2001г.): Тезисы докладов и сообщений -Том 1 - с. 34

14 Достижимые характеристики высокодобротных фильтров ВЧ диапазона, реализованных на основе ВТСП материалов / Л.И. Пономарев, A.C. Жуков, М.Г. Алексеенко // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы" - 1 Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 10-16 сентября 2001г.): Тезисы докладов и сообщений -Том 1-е. 164

15 Параметры ВТСП полосового фильтра ВЧ диапазона при включении в радиотракг / Л.И. Пономарев, A.C. Жуков, О.В. Терехин // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы" - 1 Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 10-16 сентября 2001г.): Тезисы докладов и сообщений -Том 1 - с. 168

16 Анализ эффективности использования высокодобротных преселекторов, выполненных на основе ВТСП материалов, во входных цепях радиоприемных устройств ВЧ диапазона / Л.И. Пономарев, A.C. Жуков, О.В. Терехин // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические-системы" - 1 Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 10-16 сентября 2001г.): Тезисы докладов и сообщений -Том 2-е. 125

17 Перестраиваемые высокодобротные фильтры высокочастотного диапазона волн / Л.И. Пономарев ,С.А. Павлов, А.Е. Парафин, В.В. Паршиков, A.C. Жуков, О.В. Терехин // IV Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС-2001 (Санкт-Петербург, 19-22 июня 2001г.): Сборник научных докладов - с. 421-422.

18 Оценка характеристик высокодобротных фильтров ВЧ диапазона, реализованных на основе материалов с высокотемпературной сверхповодимостью / A.C. Жуков, Л.И. Пономарев, В.В. Попов // Молодежная научно-техническая конференция "Радиолокация и~связь~на~пороге третьего тысячелетия" (ОАО "Радиофизика", Москва, 27-29 октября 2000г.): Тезисы докладов - с. 27.

19 Complex approach to simulation of antenna electrodinamic characteristics witch due regard for dielectric radome / Ponomarev L.I., Rodin S.V., Jukov A.S. // Proceeding of the Second International Conference on Ant. Theory and Techn. (Kyiv, Ukraine, 20-22 May 1997)-pp. 274-275.

20 Численное моделирование характеристик вибраторных антенн в присутствии диэлектрической оболочки / A.C. Жуков, Л.И. Пономарев, C.B. Родин // Московская студенческая научно-техническая конференция "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве" (Москва, 26-27 февраля 1997г.): Материалы конференции - с. 59-60.

21 Высокодобротный контур высокочастотного диапазона / Л.И. Пономарев, А.Ю. Ганицев, A.C. Жуков, С.А. Павлов, А.Е. Парафин, В.В. Владимиров, А.Г. Летяго, В.В. Паршиков // Патент на изобретение № 2170489 от 10 июля 2001г.

I

!

4л-

Vf-y Чк У V, ^

i»''* ' - î#*ïiW ,

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА!. ПАРАМЕТРЫ ВТСП УЗКОПОЛОСНЫХ ФИЛЬТРОВ,

ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО ТОНКО- И ТОЛСТОПЛЕНОЧНОИ ТЕХНОЛОГИЯМ.

1.1 Базовый элемент ВТСП полосовых фильтров.

1.2 Требования, предъявляемые к узкополосным ВТСП фильтрам в ВЧ диапазоне.

1.3 Резонансные структуры ВЧ диапазона, изготовленные на основе ВТСП типа YBaCuO.

1. 3.1 Характеристики существующих образцов неперестраиваемых узкополосных ВТСП фильтров в ш ВЧ диапазоне.

1.3.2 Расчет номиналов элементов базовой ВТСП структуры.

1.3.3 Возможные пути понижения резонансной частоты тонкопленочных ВТСП структур.

1.4 Добротность ВТСП резонансных фильтров.

1.4.1 Виды потерь в ВТСП структурах.

1. 4 .2 Остаточное сопротивление ВТСП в ВЧ диапазоне.

1.4.3 Влияние технологических особенностей процесса получения сверхпроводника на добротность ВТСП колебательного контура.

1.4.4 Активные потери, связанные с формированием рисунка на ВТСП.

1.4 .5 Диэлектрические потери в устройствах с применением ВТСП.

1.4.6 Излучение ВТСП колебательных контуров в ВЧ диапазоне радиоволн.

1.4.7 Потери в обычных проводниках при температуре жидкого азота и контактах ВТСП - обычный проводник.

1.4.8 Влияние входных и выходных цепей на добротность колебательного ВТСП контура.

1. 4 . 9 Критический ток в ВТСП.

1.4.10 Влияние геометрии ВТСП резонансного фильтра на его добротность.

1.4.11 Достижимые значения добротности ВТСП фильтров ВЧ диапазона радиоволн.

Выводы и результаты.

ГЛАВА2.ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ УЗКОПОЛОСНОГО ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ ВТСП ФИЛЬТРА.

2.1 Принципиальная схема и конструкция перестраиваемого ВТСП фильтра.

2.2 Расчет номиналов принципиальной схемы перестраиваемого ВТСП полосового фильтра.

2.3 Параметры перестраиваемого ВТСП контура, включающего в себя две базовых структуры.

2.4 Управление параметрами ВТСП фильтра.

2.5 Экспериментальный макет ВТСП полосового перестраиваемого фильтра.

Выводы и результаты.

ГЛАВАЗ.ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕСЕЛЕКТОРА В СОСТАВЕ СИСТЕМЫ СОВМЕСТНО С ПРИЕМНЫМ УСТРОЙСТВОМ.

3.1 Чувствительность и односигнальная частотная избирательность РПУ с ВТСП преселектором.

3.2 Динамический диапазон по интермодуляции РПУ без преселектора и в составе системы с преселектором.

3.3 Динамический диапазон по частичному блокированию РПУ с ВТСП преселектором.

3.4 Динамический диапазон по полному блокированию

РПУ с преселектором.

3.5 Влияние ВТСП преселектора на ослабление чувствительности РПУ по зеркальным каналам и каналам промежуточных частот.

3.6 Эффективность использования преселектора в составе системы: преселектор + УРЧ + РПУ.

Выводы и результаты.

Диссертация посвящена исследованию возможности построения узкополосного (отношение центральной частоты к полосе пропускания до 105) перестраиваемого преселектора на основе резонансного фильтра с сосредоточенными параметрами, выполненного с использованием материалов, обладающих эффектом высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в декаметровом диапазоне радиоволн (так же именуемом как ВЧ) . В качестве основной области применения таких фильтров рассматривается узкополосная преселекция на входе коротковолновых (KB) радиоприемных устройств (РПУ), работающих на частотах 1-32 МГц.

Актуальность темы.

Необходимость разработки узкополосных перестраиваемых фильтров ВЧ диапазона радиоволн возникает в целом ряде технических приложений - таких, как узкополосная преселекция на входе радиоприемных систем, обеспечение электромагнитной совместимости, фильтрация паразитных гармоник на выходе синтезаторов частот и др. Во многих случаях ширина полосы пропускания такого фильтра должна составлять лишь несколько десятков герц. В частности, для ВЧ диапазона радиоволн (3 -30 МГц) это соответствует отношению центральной частоты к ширине полосы пропускания до 105 - 106 и выше. Достижение столь узкой полосы пропускания фильтра само по себе является трудной научно-технической задачей, которая еще более усложняется при необходимости осуществления управления параметрами фильтрации (такими как частота настройки фильтра, его полоса пропускания, коэффициент передачи и др.). В настоящее время существует несколько типов фильтров, предельно достижимые значения полосы пропускания которых позволяют приблизиться к указанным выше требованиям. В частности достаточно узкую полосу пропускания можно получить у фильтров на основе кварцевых резонаторов, но наряду с достоинствами, к которым относятся высокая стабильность и относительная простота конструкции, фильтры на кварцевых резонаторах обладают значительным недостатком - управление резонансной частотой в них возможно лишь в очень узких пределах. Возможность перестройки центральной частоты в сочетании с узкой полосой пропускания реализуется в резонансных фильтрах с сосредоточенными параметрами, выполненными на основе материалов, обладающих эффектом сверхпроводимости и, в частности, высокотемпературной сверхпроводимости. Фильтры ВЧ диапазона на основе обычных или низкотемпературных (т.е. требующих гелиевого уровня охлаждения ~4 К°)сверхпроводников активно исследовались еще в 60-х годах [1] , [2] , [3], [4], [5], [6]. Так сверхпроводящий резонансный колебательный контур с сосредоточенными параметрами, изготовленный из свинцово - ниобиевого сплава на частоте 10 МГц позволяет обеспечить добротность порядка 106 [2, 3, 4] . Применение жидкого гелия требует использования дорогостоящей криогенной техники и значительно усложняет эксплуатацию систем с его применением, что ограничивает практическое применение фильтров на основе низкотемпературных сверхпроводников. Данное обстоятельство, очевидно, явилось причиной, по которой исследованиям в области создания фильтров на основе обычных сверхпроводников в настоящее время уделяется меньшее внимание. Открытие в 1987 году явления высокотемпературной сверхпроводимости, позволяющего использовать в качестве хладагента жидкий азот (77°К) , значительно расширило возможности использования сверхпроводимости в технических системах.

В тоже время применение высокотемпературных сверхпроводников накладывает большое количество ограничений на техническую реализацию устройств на их основе. Это связано как с физическими свойствами ВТСП (наличие остаточной проводимости) , так и с технологическими особенностями их изготовления. В частности следует отметить ухудшение/ по сравнению с обычными сверхпроводниками, таких важных характеристик ВТСП, как поверхностное сопротивление и величина критического тока, вызывающего выход из сверхпроводящего состояния. В настоящее время структуры на основе ВТСП могут быть созданы по тонко-, либо толстопленочной технологии. При тонкопленочной технологии конфигурация ВТСП структур ограничивается участком плоской поверхности, при этом их максимальный размер может составлять лишь несколько квадратных сантиметров. Для создания рисунка ВТСП на плоской поверхности применяется травление, которое может нарушить структуру ВТСП, что влечет увеличение поверхностного сопротивления. Также на структуру кристалла ВТСП существенное влияние оказывает материал подложки, на которой выращивается ВТСП. Следует отметить, что толщина получаемых в настоящее время тонких ВТСП пленок меньше глубины проникновения носителей заряда в сверхпроводник, что также уменьшает их поверхностную проводимость. Толстопленочная технология допускает изготовление объемных ВТСП элементов, но в силу особенностей физической структуры материала сверхпроводника (отдельные сверхпроводящие гранулы, объединенные джозефсоновскими переходами) имеет по сравнению с тонкопленочными элементами большие потери и меньшую величину критического тока.

После открытия ВТСП наблюдалось интенсивное использование ВТСП фильтров в СВЧ диапазоне радиоволн, где возможно построение объемных резонаторов. Переход к более низкочастотному диапазону требует создания фильтров с сосредоточенными параметрами. В частности, при переходе в ВЧ диапазон контурная индуктивность должна составлять величину порядка десятков мкГн, при этом полная длина катушки индуктивности может быть более 1-го метра. Создание столь длинного проводника из ВТСП материала при сохранении его свойств является технически сложной задачей. Более просто она решается при толстопленочной технологии изготовления ВТСП, когда паста из- ВТСП материала наносится в углубления на подложке (подложка может быть объемной) и затем спекается при высокой температуре. При этом какие-либо существенные ограничения на форму и размеры ВТСП проводника отсутствуют. В связи с отмеченной особенностью толстопленочной технологии, первоначальные работы в области разработки фильтров в ВЧ диапазоне проводились именно по этой технологии. Первые сверхузкополосные фильтры были изготовлены с использованием простых сверхпроводников с гелиевым уровнем охлаждения, поэтому попытки повторить их конструкцию с использованием толстопленочпой ВТСП технологии являются самым очевидным решением проблемы узкополосной фильтрации. При тонкопленочной технологии создание длинного проводника из ВТСП материала на плоскости с диаметром 1 - 2 см представляет собой чрезвычайно сложную в техническом плане задачу. Возможно поэтому количество публикаций о ВТСП фильтрах на основе тонкопленочной технологии исчисляется единицами.

Изложенные выше, а также многие другие факторы затрудняют создание резонансных систем на основе материалов, обладающих эффектом ВТСП с параметрами, аналогичными таким же системам на основе обычных сверхпроводников. Исследование достижимых параметров материалов ВТСП и устройств на их основе (в частности - колебательных контуров и резонансных фильтров) является актуальной и новой задачей, об этом говорит тот факт, что в печати до недавнего времени не имелось публикаций о создании фильтров на основе ВТСП в ВЧ диапазоне, но сейчас в литературе все чаще появляются материалы исследований по сходной тематике [7, 8, 9, 10], что говорит о высокой востребованности таких исследований. Результаты самых последних исследований свойств резонансных структур на основе ВТСП открывают новые области их применения, например очень резкая зависимость резонансной частоты перестраиваемого ВТСП колебательного контура от расстояния (данные исследования более полно описываются далее в настоящей работе) делает возможным создание, в частности, точных датчиков механических перемещений (с точностью до ангстрем). Указанный факт говорит о недостаточной исследованности рассматриваемой тематики и перспективности дальнейших более глубоких исследований свойств резонансных структур на основе ВТСП.

Одним из перспективных направлений использования ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне является узкополосная преселекция радиосигналов на входе радиоприемного устройства (РПУ).

Устанавливаемые непосредственно на выходе антенны (на входе приемника), подобные преселекторы позволяют значительно увеличить входное отношение сигнал/помеха (С/П) на входе приемного устройства и во многих случаях являются практически единственным возможным способом дальнейшего повышения эффективности радиосистем. Подобные случаи возникают, как правило в приемных системах, когда уровень непреднамеренных внешних помех высок и может на порядки превышать уровень принимаемого сигнала, а также в приемных системах декаметрового и более высокочастотных диапазонах вплоть до СВЧ, когда имеются мощные, специально создаваемые помехи, на порядки превышающие полезный сигнал.

Использование на входе приемника узкополосного управляемого преселектора позволяет избавиться от интермодуляционной помехи, ослабляя сосредоточенную помеху на 50-б0дБ [11].

В ряде работ ранее были рассмотрены вопросы практического применения сверхпроводниковых резонансных фильтров с сосредоточенными параметрами в качестве преселекторов в декаметровом диапазоне [12, 13] . Проведенные исследования показали высокую эффективность сверхпроводникового преселектора при приеме узкополосных сигналов низкого уровня. Преселектор позволил существенно повысить избирательность системы к интермодуляционным помехам. Так для случая, когда ближайшая из двух помех отличалась по частоте на 27кГц подавление преселектором, образованной ими интермодуляционной помехи составило 38 дБ [12]. Применение преселекторов на основе ВТСП, возможно, позволит достичь аналогичных результатов, при том, что ВТСП преселектор имеет гораздо большие возможности широкого практического использования, в отличие от рассмотренных ранее преселекторов на обычных сверхпроводниках. Появившиеся в последнее время публикации о результатах теоретических исследований [14] говорят о высокой эффективности использования ВТСП преселектора в РПУ декаметрового диапазона. В настоящей работе приведены и проанализированы результаты, позволяющие уточнить и дополнить исследования других авторов в этой области, опираясь на экспериментальные данные, полученные с участием автора этой работы на экспериментальном образце ВТСП преселектора и РПУ Р-399А. О перспективности таких исследований может говорить тот факт, что в случае создания образцов перестраиваемых фильтров с полосой пропускания в сотни герц, пригодных для широкого использования, открывается возможность для перехода к следующему поколению РПУ [1] . В таких РПУ можно будет отказаться от супергетеродинной схемы построения приемника в пользу приемника прямого усиления, селекция сигналов в котором будет выполняться на высокой частоте. Такое схемотехническое решение позволит значительно улучшить чувствительность и помехозащищенность РТС.

О перспективности разработки перестраиваемых фильтров ВЧ диапазона может также говорить наличие большого количества публикаций, в которых сообщается о исследованиях в области создания и начале практического применения ВТСП фильтров в более высокочастотных диапазонах. Так, фирмы Conductus, Westinghouse сообщают о применении ВТСП преселекторов в военных СВЧ радиолокационных системах [15]. Компании STI, Wright Labs представляют сверхпроводниковые преселекторы, предназначенные для приемников радиоастрономии [16]. Фирмой Illinis Supercnductor Corporation предлагается применение сверхпроводникового приемного фильтра с добротностью более 40000 для сотовых радиотелефонных систем в стандартах AMPS, NAMPS и DAMPS (используемых в США ) , работающих в диапазоне 824-835 и 845-846.5 МГц [17]. Также сверхпроводниковый преселектор предлагается для использования в более высокочастотном американском стандарте сотовой связи PCS1800 (Superconductor Technologies Inc., Conuctus Inc) [18]. Сообщается о перспективности использования криогенных радиоэлектронных систем в системах радиолокации и РЭП (Northrop Grumman Corporation) [19] . Не так давно появились первые публикации, в которых сообщается о проектировании перестраиваемого в полосе около 30% фильтра в диапазоне 312 -475 МГц [20] с добротностью порядка 20000. Полученные результаты указывают на перспективность работ по созданию фильтров с высокой добротностью на основе ВТСП материалов.

Цель работы

Целью данной работы является исследование возможности построения узкополосных перестраиваемых ВТСП фильтров ВЧ диапазона радиоволн и определение основных факторов, влияющих на их радиотехнические и эксплуатационные параметры; разработка методики расчета и проектирования высокодобротных перестраиваемых фильтров в ВЧ диапазоне; исследование свойств экспериментальных образцов таких фильтров с целью определения их предельных параметров, достижимых на современном уровне развития технологии производства ВТСП структур; исследование влияния преселектора на основе перестраиваемого ВТСП фильтра на характеристики приема радиоприемного устройства (РПУ); развитие методик измерения параметров сверхузкополосных фильтров и использующих их радиотехнических систем.

Решение научной задачи, соответствующей поставленной цели, включает в себя рассмотрение следующих вопросов:

Теоретический анализ возможности построения и определение предельных достижимых параметров ВТСП фильтров в декаметровом диапазоне радиоволн.

Исследование возможности управления параметрами высокодобротного ВТСП фильтра и его согласования с входными и выходными цепями.

Развитие методов расчета и проектирования перестраиваемых ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне.

Экспериментальное исследование параметров макета фильтра и эффективности применения ВТСП фильтра в качестве преселектора в радиоприемных устройствах KB диапазона.

Краткое содержание работы. Диссертация состоит из трех глав, введения и заключения.

В первой главе формулируются требования к параметрам ВТСП фильтров ВЧ диапазона с учетом возможных областей их применения и приводятся результаты оценки максимальной добротности ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне, достижимой на современном уровне развития технологии. Приводятся и анализируются экспериментальные данные по изготовленным различными методами ВТСП пленочным элементам фильтров. Даются оценочные значения достижимой добротности ВТСП фильтров, полученные как на основе анализа и систематизации $ опубликованных данных, так и с помощью теоретических исследований и обработки экспериментальных данных. Рассматриваются различные варианты толсто- и тонкопленочного исполнения ВТСП элементов высокодобротного фильтра, анализируются особенности их конструктивного исполнения. Теоретически и экспериментально обосновывается выбор наиболее оптимальных схемы и метода изготовления ВТСП пленочных элементов конструкции высокодобротного фильтра с точки зрения предельно достижимых параметров фильтра.

Во второй главе рассматриваются вопросы управления параметрами высокодобротного ВТСП фильтра. Предлагаются методы расчета и анализа характеристик перестраиваемых ВТСП фильтров. Рассматриваются доступные для реализации на современном уровне развития технологии способы управления резонансной частотой, полосой пропускания, коэффициентом передачи и динамическим диапазоном ВТСП фильтра в ВЧ диапазоне. Анализируются возможные конструктивные схемы перестраиваемого ВТСП фильтра. Рассматриваются вопросы согласования высокодобротного фильтра при включении в радиотракт и влияние входных и выходных согласующих цепей на его основные параметры (полоса пропускания, резонансная частота, динамический диапазон, коэффициент передачи) во всем диапазоне перестройки ВТСП фильтра по частоте.

В третьей главе приводится анализ результатов, полученных при комплексных испытаниях перестраиваемого высокодобротного фильтра на основе тонких ВТСП пленок как самостоятельного устройства, так и в составе макета преселектора, работающего совместно с радиоприемным устройством Р-399А. Приведен и проанализирован большой объем экспериментальных данных по влиянию такого преселектора на основные параметры (чувствительность, избирательность, динамический диапазон по блокированию, динамический диапазон по интермодуляции и т.п.) радиоприемной системы в целом. Практически обоснованны и скорректированы сделанные ранее другими авторами [14] теоретические выводы о целесообразности и эффективности применения высокодобротных ВТСП фильтров для преселекции принимаемых радиосигналов в ВЧ диапазоне.

Научная новизна работы состоит в оценке предельных параметров ВТСП фильтров ВЧ диапазона, достижимых на современном уровне развития технологии; анализе новых экспериментальных данных по свойствам ВТСП толстых и тонких пленок в ВЧ диапазоне; теоретическом и экспериментальном обосновании выбора типа конструкции и метода изготовления ВТСП фильтров, обладающих максимальной добротностью; разработке методов управления параметрами ВТСП фильтров; разработке методов расчета и анализа характеристик перестраиваемых ВТСП фильтров; получении и анализе новых экспериментальных данных по характеристикам перестраиваемых и неперестраиваемых ВТСП фильтров в составе радиотехнической системы и влиянии на данные характеристики параметров согласующих цепей; получении и анализе экспериментальных данных, позволяющих практически обосновать эффективность использовании узкополосного перестраиваемого преселектора на основе ВТСП материалов в составе РТС.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается: экспериментальной проверкой сделанных теоретических выводов использованием теоретически обоснованных методов расчета фильтров с сосредоточенными параметрами

Практическая ценность работы состоит в развитии методик проектирования и измерения параметров узкополосных ВТСП колебательных структур в ВЧ диапазоне, обосновании эффективности применения узкополосного перестраиваемого фильтра ВЧ диапазона в составе преселектора РПУ. Так же практическая ценность работы подтверждается востребованностью ее результатов в ходе выполнения ряда НИОКР.

Реализация результатовипредложенияобих использовании.

Результаты диссертационной работы получены в рамках выполнения ряда научных программ и грантов Минобразования РФ. Основные результаты работы реализованы в НИОКР "Разрежение-2".

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 12-ой Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, Крым, Украина, 9-13 сентября 2002г.); Молодежной научно-технической конференции "Радиолокация и связь - перспективные технологии" (ОАО "Радиофизика", Москва, 2 8 февраля - 2 марта 2003г. и 1416 декабря 2001г.); 1-ой Международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 10-16 сентября 2001г.); IV-om международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии "ЭМС-2001" (Санкт-Петербург, 19-21 июня 2001г.); Молодежной научно-технической конференции "Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия" (Москва, 27-29 октября 2000г.); Московской студенческой научно-технической конференции "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве" (Москва, 26-27 февраля 1997г.).

Публикации

По теме диссертации опубликована 21 работа, из них б -статьи в журналах ([21], [22], [23], [24], [25], [26]), 13 тезисов докладов в трудах конференций ([27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40]) и 1 патент на изобретение [41].

Выводы и результаты

Представленные в данной главе результаты экспериментальных исследований характеристик приемных систем, имеющих в своем составе опытные образцы перестраиваемого преселектора на основе тонких ВТСП пленок показали возможность практического использования таких преселекторов и во многом подтвердили сделанные ранее на основе теоретического анализа предположения о возможности значительного улучшения характеристик существующих приемных систем путем включения в их состав ВТСП преселекторов. Так, применение ВТСП преселектора совместно с РПУ Р-399А «Катран» позволило улучшить его односигнальную частотную избирательность на величину до 45дБ (при отстройке сигнала от частоты настройки РПУ на 24кГц); увеличение динамического диапазона по интермодуляции составило до 22дБ (средняя отстройка сигналов помехи - 15 кГц, система включала также УРЧ) ; выигрыш в динамическом диапазоне по частичному блокированию составил более 11дБ; выигрыш в динамическом диапазоне по полному блокированию составил до 27дБ. Преселектор позволил ослабить чувствительность РПУ Р-3 99А по зеркальному каналу на 22дБ (вид сигнала - ТЛГФ, частота 17555кГц), уменьшение чувствительности по каналу первой ПЧ составило 41дБ (вид сигнала - ТЛГФ, частота настройки РПУ -17555кГц).

• При экспериментальном исследовании динамического диапазона системы ВТСП преселектор + РПУ было подтверждено теоретическое предположение о том, что ДДИ этой системы ограничивается динамическим диапазоном преселектора. Данный вывод позволил определить пути дальнейшего улучшения характеристик такой системы (например, включение в ее состав УРЧ после преселектора и ослабление коэффициента связи преселектора с входными и выходными цепями).

Несомненно, что характеристики приемной системы, включающей в свой состав ВТСП преселектор и РПУ, могут отличаться от измеренных в зависимости от типа РПУ, но щ наличие положительного эффекта от узкополосной фильтрации на высокой частоте путем включения в антенный тракт РПУ ВТСП узкополосного преселектора можно считать доказанным. Основным побочным эффектом при этом является усложнение конструкции и необходимость криогенного охлаждения на азотном уровне, что во многих случаях не является критическим фактором ввиду возможности приема сигналов, недоступных при использовании традиционных приемных систем.

Заключение

Проведенные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования по возможности построения узкополосного перестраиваемого преселектора ВЧ диапазона радиоволн, выполненного с использованием материалов, обладающих эффектом высокотемпературной сверхпроводимости позволили установить:

1. Для построения полосовых фильтров преселектора в ВЧ диапазоне с полосой пропускания от 500 Гц и выше и с коэффициентом передачи не хуже 0,5-5-0,9 требуемая ненагруженная добротность ВТСП фильтра должна лежать в интервале 104 - 106.

2. К моменту выполнения диссертации, как следует из анализа доступных источников, существовали лишь неперестраиваемые фильтры в виде единичных лабораторных образцов. Наибольшее значение добротности 4-Ю4, достигнуто в не перестраиваемом ВТСП контуре частоте 24 МГц. Результаты по перестраиваемым в широкой полосе высокодобротным ВТСП фильтрам в доступной научно-технической литературе отсутствовали. Отсутствовали какие-либо данные по предельно достижимой величине добротности.

3. Проведенный в диссертации сравнительный анализ возможностей толстопленочной и тонкопленочной технологии ВТСП элементов фильтра показал, что последняя является более перспективной с точки зрения реализации фильтров с максимальной добротностью.

Выполненная оценка по влиянию различных факторов на ограничение максимальной величины добротности позволила установить, что современная тонкопленочная технология позволяет построить ВТСП фильтры с предельной добротностью порядка 105-i-106.

4. На основе проведенных исследований была предложена схема и конструкция ВТСП фильтра и преселектора, обладающего узкой полосой пропускания до 500 Гц (ненагруженной добротностью контура п-104-*-10ь) и значительной полосой перестройки по частоте (2-3 октавы).

5. Для расчета предложенных схем тонкопленочных перестраиваемых ВТСП фильтров были разработаны методики, позволившие с достаточной степенью точности оценить как основные параметры элементов фильтра, так и характеристики всего фильтра (резонансную частоту и полосу пропускания (добротность), коэффициент передачи) в диапазоне их перестройки.

6. Рассчитанные и сконструированные при участии автора опытные образцы перестраиваемых ВТСП фильтров, изготовленные в ИФМ РАН при экспериментальных исследованиях показали, что максимальное значение ненагруженной добротности составляет величину 1,4»10г> на частоте около 33 МГц, что является максимально достигнутой на сегодняшний день величиной из всех существующих в мире образцов подобных фильтров. Диапазон перестройки резонансной частоты изготовленных ВТСП фильтров составляет до 500% с ненагруженной добротностью во всей полосе не хуже 104.

7. Разработанные опытные образцы перестраиваемого фильтра были использованы в качестве основы преселектора, установленного на вход радиоприемного устройства Р-399А "Катран" и проведены сравнительные экспериментальные исследования характеристик Р-399А и системы преселектор+Р-399А.

Экспериментально доказано, что наличие узкополосного перестраиваемого ВТСП преселектора позволяет на 4 5 дБ повысить частотную избирательность Р-399А при отстройке на ±24кГц от частоты настройки, более чем на 27дБ повысить динамический диапазон по блокированию и на 10-г-20дБ повысить динамический диапазон по интермодуляции 3-го порядка. Однако, преселектор, как пассивное устройство приводит к снижению чувствительности Р-399А.

8. Экспериментально была подтверждена возможность, по крайней мере, неухудшения чувствительности Р-399А из-за наличия преселектора и возможность дальнейшего повышения эффективности преселектора на входе РПУ за счет включения после преселектора малошумящего усилителя радиочастоты.

Таким образом, полученные в диссертации результаты позволили теоретически и экспериментально обосновать возможность практической реализации в ВЧ диапазоне перестраиваемых в широкой полосе ВТСП фильтров с добротностью порядка 10s и выше и продемонстрировать эффективность использования подобных фильтров в преселекторах для существенного улучшения характеристик как серийно выпускаемых радиоприемников KB диапазона типа Р-399А, так и при разработке нового поколения приемных устройств. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ОКР "Разрежение-2".

1. R. Arams, J. Fradkin, D. Kornfeld, E.W. Sard, K. Siegel Superconducting Ultrahigh Q Tunable RF Preselector, 1.EE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1967, vol.9, no.3, pp. 110-123.

2. Ф.Ф. Менде, И.Н. Бондаренко, А. Б. Трубицин Сверхпроводящие и охлаждаемые резонансные системы, 1976, Киев, "Наукова думка".

3. И.А. Баранов, З.Ф. Каплун Сверхпроводящие резонаторы, Электронная техника, Электроника СВЧ, 1971, №4 .

4. К. К. Лихарев Известия высших учебных заведений. Радиофизика, 1971, том 14, вып. 7-8, стр. 1232.

5. R.L. Kautz "J. Res. NBS", 1979, vol.84, p. 247.

6. W.E. Lawrence, S. Doniach International Conference on Low Temperature Physics, ed. E. Keigaki, Kanda, Tokyo, 1971, p.p. 361.

7. Erzhen Gao, Shapur Sahba, Hui Xu, Q.Y. Ma A Superconducting RF Resonator in HF Range and its Multi-pole Filter Applications, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1998, vol.9, no.2, pp. 3066-3069.

8. R.S. Withers, G.-C. Liang, B.F. Cole, and M. Johanson Thin-film HTS probe coils for magnetic-resonance imaging, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1993, vol.3, no.l, pp. 2450-2453.

9. H. Xu, E. Gao, S. Sahba, J. R. Miller, Q.Y. Ma, J.M. Pond Design and Implementation on A Lumped-Element Multipole HTS Filter at 15 MHz, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1999, vol.9, no.2.

10. E. Gao, S. Sahba, H. Xu, J.R Miller, Q.Y. Ma, A Superconducting RF Resonator in HF Range, Proc. of The 1998 Applied Superconuctivity Conference,p.74, USA,1998.

11. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств; Учеб. Пособие для вузов/ Н. Н. Буга, В. Я. Конторович, В. И. Носов; Под.ред. Н. Н. Буги. М.: Радио и связь, 1993.-240 с.

12. Arams F.R., Fradkin J, Kornfeld D., Sard E.W., Siegel K. Superconducting ultrahigh Q tunable RF preselector. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1967, 9, 3, 110.

13. V-g J.M., Gikow E. A Superconductive tuner with a broad tunong range. J. Proc. IEEE, 1973, 61.

14. А.Ю. Ганицев Эффективность применения высокодобротных преселекторов из высокотемпературных сверхпроводников с адаптивными антенными решетками, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2001.

15. Http://web-ext2 .darpa .mil /DSO /rd /Materials /radar.htm, Web Sites, Internet, Last Updated: Nov 18, 1997

16. Http://muresh.et.tudelft.nl /dimes /1994 /systemsandcircuits /section2.7.1. html,Web Sites, Internet, Presentage: S.O. Wallage, «Compact ultra low loss preselector filters for radio astronomic receivers,» ASTRON, April 8, 1994

17. Http://metl21.bham.ac.uk /isc.htm,Web Sites, Internet.

18. Http://techweb.cmp.com /eet /news /97 /946news /basestation.html,Web Sites, Internet.

19. Http://sensor /northgrum.com /stc /cryo /areas /abstract /slascl.htm, Web Sites, Internet.

20. Xu H., Gao E., Ma Q.Y. Active Tuning of High Frequency Resonators and Filters. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity vol. 11 - no.l - 2001 - pp. 353-356.

21. Е. А. Вопилкин, А. Е. Парафин, С.А. Павлов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Ганицев, А. С. Жуков, В. В. Владимиров, А.Г. Летяго, В. В. Паршиков Высокодобротный перестраиваемый сверхпроводящий контур ВЧ диапазона // Письма в ЖТФ том 27.- вып. 16 2002. - с. 90-94.

22. Л.И. Пономарев, А.С. Жуков, М.Г. Алексеенко Характеристики избирательности полосовых тонкопленочных ВТСП фильтров в ВЧ-диапазоне // Радиотехника №3. - 2001. - с. 81-86.

23. Л.И. Пономарев, А.С. Жуков, М.Г. Алексеенко, А.Ю. Ганицев Оценка характеристик высокодобротных фильтров ВЧ-диапазона, реализованных на основе ВТСП-материалов // Антенны- Выпуск 1 (47) 2001. - с. 41-48.

24. Л.И. Пономарев, А.С. Жуков, М.Г. Алексеенко, С.В. Родин Комплексный подход к расчету электромагнитного поля в микросотовых структурах// Антенны Выпуск 3 (46) - 2000. -с. 66-71.

25. Л.И. Пономарев, С.В. Родин, А.С. Жуков, В.В. Паршиков Математическое моделирование микрон ол новых электромагнитных полей в присутствии диэлектрических оболочек// Антенны -Выпуск 2 (43) 1999. - с. 35-46.

26. Л.И. Пономарев, А.Ю. Ганицев, А.С. Жуков, С.А. Павлов, А.Е. Парафин, В.В. Владимиров, А.Г. Летяго, В.В. Паршиков Высокодобротный контур высокочастотного диапазона// Патент на изобретение № 2170489 от 10 июля 2001г.

27. Н.В. Заварницкий Высокотемпературная сверхпроводимость // Открытие высокотемпературной сверхроводимости, Москва, Знание, 1989

28. F.A. Miranda Microwawe Properties of Tl-Ba-Ca-Cu-0 Thin Films, Supercond.Sci.Technol., V.6., №8, 1993, P.605-613.

29. С.Ф. Карманенко, А.А. Свищев, А.А. Семенов, И.Т. Серенков, В. И. Сахаров, А. В. Нащекин Зависимость СВЧ поверхностного сопротивления от структуры и толщины сверхпроводниковых купратных пленок, Письма в ЖТФ, Т.25., Вып.15., 1999, с.79-88.

30. Erzhen Gao, Shapur Sahba, Hui Xu, Q.Y. Ma A Superconducting RF Resonator in HF Range and its Multi-pole Filter Applications, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1998, vol.9, no.2, pp. 3066-3069.

31. R.S. Withers, G.-C. Liang, B.F. Cole, and M. Johanson Thin-film HTS probe coils for magnetic-resonance imaging, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1993, vol.3, no.1, pp. 2450-2453.

32. H. Xu, E. Gao, S. Sahba, J. R. Miller, Q.Y. Ma, J.M. Pond Design and Implementation on A Lumped-Element Multipole HTS Filter at 15 MHz, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1999, vol.9, no.2.

33. E. Gao, S. Sahba, H. Xu, J.R Miller, Q.Y. Ma, A Superconducting RF Resonator in HF Range, Proc. of The 1998 Applied Superconuctivity Conference,p.74, USA,1998.

34. A.T. Белевцев и др. Печатные схемы в приборостроении, вычислительной технике и автоматике. М., Машиностроение 1973.

35. Основы проектирования СВЧ фильтров на пленочных элементах с сосредоточенными параметрам / А.О.Хабибулин. -Казань, 1973г.

36. Е.К. Hollmann et al. Supercond. Sci. Technol. 7(1994) 609-622. Print in the UK.

37. Т. Ван Дузер, Ч.У. Тернер Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей, М: Радио и связь, 1984.

38. I. Wilke, G. Nakielski, J. Kotsler, К. О. Subke, С. Jaekel, F. Huning, H. G. Roskos, H. Kurz Dynamik conductivity of YBCO thin films from low to very high frequencies. Inst. Phis. Conf. Ser. No 158 Paper presented at

39. Applied Superconuctivity, The Netherlands, 30 June 3 July 1997, pp. 121-124.

40. Михарев К.К., Семенов В.К., Зорин А. В. Новые возможности для сверхпроводниковой электроники, Итоги науки и техники, Сверхпроводимость, Том1, (Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР) М.:1988.

41. Ф.Ф.Менде, И.Н.Бондаренко, А.В.Трубицын Сверхпроводящие и охлаждаемые резонансные системы, Киев: "Наукова думка", 1976.

42. St.J.Penn, N.McN.Alford, Т.W.Button High Q Dielectric Resonator using YBCO Thick Films and Polycrystalline Dielectrics, IEEE Trans.Appl.Supercond., Vol.7,2,1997.

43. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике M. : "Наука". 1990.

44. P.S. Excell, Z.M. Hejazi Electrically Small Resonator Using Thick-Film High-Tc Superconducting Wire Helix, IEEE Trans.Appl.Supercond., Vol.9,4,1999.

45. J.-K. Ginefri, L. Darrasse and P. Crozat Comparison of Radio-Frequency and Microwave Superconducting Properties of YBaCuO Dedicated to Magnetic Resonance Imaging, IEEE Trans.Appl.Supercond., Vol.9, 4, 1999.

46. Ю.Н. Дроздов, С. А. Павлов, A.E. Парафин Влияние низкотемпературного отжига на свойства тонких пленок YBaCuO // Письма в ЖТФ т.28 - вып.1 - 1998 - стр.55-58.

47. R.S. Withers et al. Thin-Film Probe Coils for Magnetic-Resonance Imaging, IEEE Trans.Appl.Supercond., Vol.3,1,1993, p.2450.

48. D.Bracanovic et al. Surface YBCO Receive Coils for Low Field MRI. IEEE Trans.Appl.Supercond., Vol.11,1,2001, p.2422.

49. A.T. Белевцев и др. Печатные схемы в приборостроении, вычислительной технике и автоматике, М., Машиностроение 1973.

50. М.Н. Бергер, Б.Ю. Капилевич Прямоугольные волноводы с диэлектриками, М., Советское радио, 1973

51. Ю.Д. Видинеев, В.И. Кабанов Элементы радиотехнических устройств при низких температурах. М., Связь 1980

52. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф Справочник по физике для инженеров и студентов вузов, М. Наука, 1965г.

53. П.Л. Калантаров, Л.А.Цейтлин Расчет индуктивностей. Справочная книга. Издание 3-е., Ленинград, Энергоатомиздат, 1986г.