Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ
Изложен опыт разработки частотомеров-спектрометров электромагнитного излучения монохроматических и полигармонических СВЧ-сигналов на основе эффекта Джозефсона и перспективы их дальнейшего усовершенствования....
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2006
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53251 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ / С.Ю. Ларкин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2006. — № 5. — С. 14-17. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859626266711293952 |
|---|---|
| author | Ларкин, С.Ю. |
| author_facet | Ларкин, С.Ю. |
| citation_txt | Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ / С.Ю. Ларкин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2006. — № 5. — С. 14-17. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description | Изложен опыт разработки частотомеров-спектрометров электромагнитного излучения монохроматических и полигармонических СВЧ-сигналов на основе эффекта Джозефсона и перспективы их дальнейшего усовершенствования.
|
| first_indexed | 2025-11-29T11:29:38Z |
| format | Article |
| fulltext |
14
ÒÅÕÍÈÊÀ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÑÂ×
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2006, ¹ 5
Äàòà ïîñòóïëåíèÿ â ðåäàêöèþ
21.10 2005 ã. � 29.05 2006 ã.
Îïïîíåíòû ä. ò. í. Á. Í. ÔÎÐÌÎÇÎÂ
(ÁÃÒÓ "Âîåíìåõ" èì. Ä. Ô. Óñòèíîâà, ã. Ñ.-Ïåòåðáóðã),
ê. ò. í. Ñ. À. ÆÃÓÍ (ÌÝÈ, ã. Ìîñêâà)
Ê. ò. í. Ñ. Þ. ËÀÐÊÈÍ
Óêðàèíà, ã. Êèåâ, Íàó÷íî-ïðîèçâîäñòâåííûé êîíöåðí «Íàóêà»
E-mail: nauka_concern@ukr.net
Èçëîæåí îïûò ðàçðàáîòêè ÷àñòîòîìå-
ðîâ-ñïåêòðîìåòðîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî
èçëó÷åíèÿ ìîíîõðîìàòè÷åñêèõ è ïîëè-
ãàðìîíè÷åñêèõ ÑÂ×-ñèãíàëîâ íà îñíîâå
ýôôåêòà Äæîçåôñîíà è ïåðñïåêòèâû èõ
äàëüíåéøåãî óñîâåðøåíñòâîâàíèÿ.
 ÍÏÊ «Íàóêà» ïðîâîäÿòñÿ èññëåäîâàíèÿ ñ öåëüþ
ïðîìûøëåííîãî âíåäðåíèÿ ÷àñòîòîìåðîâ-ñïåêòðîàíà-
ëèçàòîðîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ìì- è ñóá-
ìì-äèàïàçîíà äëèí âîëí íà îñíîâå ýôôåêòà Äæîçåô-
ñîíà. Ýòè óñòðîéñòâà ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ àíàëèçà ñïåê-
òðà íåäåòåðìèíèðîâàííûõ ïîëèãàðìîíè÷åñêèõ ñèã-
íàëîâ ñ ïîëó÷åíèåì òî÷íûõ çíà÷åíèé ÷àñòîòû êàæ-
äîé ãàðìîíèêè â ñâåðõâûñîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò.
Ñîçäàíèå òàêèõ óñòðîéñòâ [1] ñâÿçàíî ñ ïðàêòè-
÷åñêèì ðåøåíèåì ñëåäóþùèõ ïðîáëåì [2]:
� âûáîð ïàðàìåòðîâ ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà
� ïåðåõîäà Äæîçåôñîíà (ÄÏ);
� âûáîð ñïîñîáà è ñðåäñòâ èññëåäîâàíèÿ åãî
âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê;
� âûáîð ñðåäñòâ îõëàæäåíèÿ è òåðìîñòàáèëèçà-
öèè ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà;
� âûáîð è ðåàëèçàöèÿ ñâåðõøèðîêîïîëîñíîé ñè-
ñòåìû ñâÿçè ÄÏ ñ èñòî÷íèêàìè ýëåêòðîìàãíèòíîãî
èçëó÷åíèÿ;
� âûáîð è îïòèìèçàöèÿ óñòðîéñòâ ñîïðÿæåíèÿ è
ñîãëàñîâàíèÿ ÄÏ ñ ÑÂ×-òðàêòîì, îáåñïå÷èâàþùèì
êàíàëèçàöèþ âíåøíåãî ñèãíàëà ê îõëàæäåííîìó ïå-
ðåõîäó Äæîçåôñîíà;
� îáåñïå÷åíèå çàùèòû ÄÏ îò ñòîðîííåãî ýëåêò-
ðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ â ñâåðõøèðîêîì äèàïàçîíå
÷àñòîò îò Í× äî âåðõíèõ ðàáî÷èõ ÷àñòîò;
� ðàçðàáîòêà ñèñòåìû ýêðàíîâ äëÿ çàùèòû ÄÏ îò
âîçäåéñòâèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ áîëüøîé íàïðÿæåííî-
ñòè ñ ó÷åòîì ýêñïëóàòàöèè âáëèçè íàâîäîê è ïîìåõ;
� ðàçðàáîòêà èíòåðôåéñà ïîëüçîâàòåëÿ è ïðî-
ãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ óïðàâëåíèÿ ïðîöåññîì èç-
ìåðåíèÿ è ðåãèñòðàöèè, à òàêæå îáðàáîòêè ðåçóëüòà-
òîâ èçìåðåíèÿ.
 êà÷åñòâå ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà áûëè èñ-
ïîëüçîâàíû ïåðåõîäû Äæîçåôñîíà òèïà SNS
ñòðóêòóð Nb�Al2O3�Nb, ðàçðàáîòàííûå è èçãîòîâ-
ëåííûå â ÍÈÈ ôèçè÷åñêèõ ïðîáëåì (ã. Çåëåíîãðàä).
Ýòî ïåðåõîäû òîðöåâîãî òèïà ñ ïëîùàäüþ êîíòàêòà
0,25 ìêì2, íîðìàëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì 0,5�20 Îì.
Êîíòàêòû âûïîëíåíû â âèäå ìèêðîñõåìû íà ïîä-
ëîæêå èç âûñîêîîìíîãî êðåìíèÿ ðàçìåðàìè
10×1,5×0,3 ìì (ðèñ. 1).
 êà÷åñòâå àêòèâíîãî ýëåìåíòà òàêæå ïðèìåíÿëèñü
öåïî÷êè ïåðåõîäîâ Äæîçåôñîíà â âèäå SINIS-ñòðóê-
òóð (ñâåðõïðîâîäíèê�èçîëÿòîð�íîðìàëüíûé ìå-
òàëë�èçîëÿòîð�ñâåðõïðîâîäíèê), ñîçäàííûå ïî Nb�
Al/AlOx-òåõíîëîãèè â Íåìåöêîì ãîñóäàðñòâåííîì ôè-
çèêî-òåõíè÷åñêîì èíñòèòóòå (ã. Áðàóíøâåéã). Ôîòî-
ãðàôèÿ òàêîé ñâåðõïðîâîäÿùåé íàíîñòðóêòóðû ïðè-
âåäåíà íà ðèñ. 2. Èçãîòîâëåíèå ïåðåõîäîâ Äæîçåô-
ñîíà íà áàçå íèîáèé-àëþìèíèåâîé òåõíîëîãèè îïè-
ñàíî â [3]. Ïåðåõîäû âûäåðæèâàþò ìíîãîêðàòíîå òåð-
ìîöèêëèðîâàíèå (äî 50�100 ðàç).
 ïðîöåññå ðàáîòû â 2005 ã. ðàçðàáîòàí àïïàðàò-
íûé êîìïëåêñ äëÿ ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èñ-
ñëåäîâàíèé è îòðàáîòêè ýëåìåíòîâ ñèñòåìû. Âíåøíèé
âèä óñòàíîâêè ïðèâåäåí íà ðèñ. 3.
 êà÷åñòâå êðèîñòàòà íàèáîëåå ïîäõîäÿùèì îêà-
çàëîñü èñïîëüçîâàíèå òðàíñïîðòíîãî ñîñóäà Äüþàðà
ñ ðàñøèðåííîé ãîðëîâèíîé äèàìåòðîì 45 ìì è îáúå-
ìîì 40 ë. Òåðìîñòàòèðîâàíèå äàò÷èêà ïðè òåìïåðà-
òóðå êèïåíèÿ ãåëèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîãðóæåíèåì
ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÀ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂ
ÄËß ÀÍÀËÈÇÀ ÑÏÅÊÒÐÀ ÑÈÃÍÀËΠÑÂ×
Ðèñ. 1. Ñõåìàòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå ïåðåõîäà Äæîçåô-
ñîíà:
� ñâåðõïðîâîäÿùèé ñëîé; � ïðîâîäÿùèé ñëîé;
� êðåìíèåâàÿ ïîäëîæêà
Ðèñ. 2. Äæîçåôñîíîâñêèé ïåðåõîä â âèäå SINIS-
ñòðóêòóðû
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2006, ¹ 5
15
ÒÅÕÍÈÊÀ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÑÂ×
êðèîçîíäà íåïîñðåäñòâåííî â æèäêèé ãåëèé. Ñòàáèëü-
íîñòü òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ ãåëèÿ îáåñïå÷èâàåòñÿ ïîä-
äåðæàíèåì ôèêñèðîâàííîãî äàâëåíèÿ ïàðîâ ñ ïîìî-
ùüþ ìàíîñòàòà.
Êðèîââîä (ñì. ðèñ. 4) äëÿ ëèíèè ïåðåäà÷è èññëå-
äóåìîãî ñèãíàëà èñïîëüçîâàëñÿ ëèáî â âèäå òîíêî-
ñòåííûõ âîëíîâîäîâ èç íåðæàâåþùåé ñòàëè òèïà
ÎÕ18Í9Ò ñî ñëþäÿíîé âñòàâêîé íà òåïëîì êîíöå âîë-
íîâîäà (êîòîðàÿ íå ïðîïóñêàåò ãàçîîáðàçíûé ãåëèé è
â òî æå âðåìÿ íå ïðåïÿòñòâóåò ïðîõîæäåíèþ ÑÂ×-
ñèãíàëà), ëèáî (â îñíîâíîì) â âèäå êâàçèîïòè÷åñêî-
ãî ñâåðõðàçìåðíîãî ìåòàëëîäèýëåêòðè÷åñêîãî âîë-
íîâîäà (ÌÄÂ) ñå÷åíèåì 14×14 ìì, ïîäðîáíî îïè-
ñàííîãî â [2, ñ. 226]. (Ýòè ââîäû ïîçâîëÿþò òàêîìó
÷àñòîòîìåðó ðàáîòàòü áåç ïîäëèâêè æèäêîãî ãåëèÿ íà
ïðîòÿæåíèè ÷åòûðåõ íåäåëü, ÷òî ÿâëÿåòñÿ âïîëíå äî-
ñòàòî÷íûì äëÿ òàêîé àïïàðàòóðû.) Òàêîé âûáîð îáóñ-
ëîâëåí ìàëûìè ïîãîííûìè ïîòåðÿìè, øèðîêîïîëîñ-
íîñòüþ è ôèêñàöèåé ïîëÿðèçàöèè ýëåêòðîìàãíèòíîé
âîëíû. Óñòàíîâêà ïîçâîëÿåò ïðîâîäèòü èññëåäîâàíèÿ
â äèàïàçîíå ÷àñòîò íå ìåíåå 50�600 ÃÃö, ò. å. ïðàê-
òè÷åñêè ïåðåêðûâàåò ìì- è ñóá-ìì-äèàïàçîíû äëèí
âîëí.
Äëÿ ñîïðÿæåíèÿ è ñîãëàñîâàíèÿ ÄÏ ñ ýëåêòðîìàã-
íèòíûì ïîëåì âîëíîâîäà èñïîëüçîâàëèñü óñòðîéñòâà
òèïà ïåðåõîäà ñ ÌÄÂ íà Í-îáðàçíûé âîëíîâîä, ùå-
ëåâûå àíòåííû íà îñíîâå ôèí-ëàéí è äð. Îêîí÷àòåëü-
íî îñòàíîâèëèñü íà ïðèìåíåíèè ëîãîïåðèîäè÷åñêîé
ïëîñêîé àíòåííû, óñòàíîâëåííîé â ôîêàëüíîé ïëîñ-
êîñòè ãèïåðñôåðè÷åñêîé ëèíçû, ðàçìåùåííîé íà òîð-
öå âîëíîâîäà (ðèñ. 5).
Äèàïàçîííûå ñâîéñòâà ýòîé ñèñòåìû ïðèâåäåíû
íà ãðàôèêå ðèñ. 6. Ýòîò ãðàôèê ïîñòðîåí â âèäå çàâè-
ñèìîñòè âõîäíîé ìîùíîñòè, ñîîòâåòñòâóþùåé íîð-
ìèðîâàííîé âåëè÷èíå ñòóïåíüêè Øàïèðî
(∆I=0,006Iêð, ãäå Iêð � êðèòè÷åñêèé òîê êîíòàêòà) îò
÷àñòîòû.
Áîëüøîå âíèìàíèå ïðè ðàçðàáîòêå êðèîçîíäà óäå-
ëÿëîñü çàùèòå ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà îò ñòîðîí-
íåãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ â ñâåðõøèðîêîì
äèàïàçîíå ÷àñòîò îò Í× äî âåðõíèõ ðàáî÷èõ ÷àñòîò.
Çàùèòà îáåñïå÷èâàåòñÿ òùàòåëüíûì ýêðàíèðîâàíèåì
êðèîçîíäà è óñòàíîâêîé ñïåöèàëüíûõ ôèëüòðîâ â öå-
ïÿõ ñìåùåíèÿ ÄÏ (ðèñ. 7).
Çíà÷èòåëüíîå âëèÿíèå íà õàðàêòåðèñòèêè êîíòàêòà
Äæîçåôñîíà îêàçûâàåò ìàãíèòíîå ïîëå. Äëÿ ñòàáè-
ëèçàöèè åãî õàðàêòåðèñòèê êðèîçîíä ñíàáæåí ìíî-
ãîñëîéíîé ñèñòåìîé ìàãíèòíûõ ýêðàíîâ, ñîäåðæà-
Ðèñ. 3. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà ÷àñòîòîìåðà-ñïåêò-
ðîàíàëèçàòîðà ñ èñïîëüçîâàíèåì ïåðåõîäà Äæîçåôñîíà
Ïîëîæåíèå
äàò÷èêà
Äæîçåôñîíà
Ñâåðõïðîâîäÿùèé
ñâèíöîâûé ýêðàí
Âèòîé
ïåðìàëëîåâûé
ýêðàí
Âíåøíèé ôåððîìàãíèòíûé
ýêðàí (ñòàëü)
Ðèñ. 4. Óñòðîéñòâî ìíîãîñëîéíîãî ìàãíèòíîãî ýêðàíà
êðèîââîäà äèàìåòðîì 40 ìì
Â
õî
äí
àÿ
ì
îù
íî
ñò
ü,
ä
Á
·ì
Â
ò �20
�30
�40
�50
×àñòîòà, ÃÃö
60 80 100 120 140 160 180
Ðèñ. 6. À×Õ ïðèåìíîãî êðèîáëîêà ÷àñòîòîìåðà
à) 1 2 á)
3 4 5
Ðèñ. 5. Êîíñòðóêöèÿ ïðèåìíîé ãîëîâêè íà îñíîâå ïëà-
íàðíîé ëîãîïåðèîäè÷åñêîé àíòåííû è ãèïåðïîëóñôåðè-
÷åñêîé ëèíçû (à) è òîïîëîãèÿ ïëàíàðíîé ëîãîïåðèîäè-
÷åñêîé àíòåííû (á):
1 � âîëíîâîäíàÿ ñåêöèÿ; 2 � ïîëûé êîíóñ èç ïîãëîùàþùåãî
ìàòåðèàëà; 3 � êðåìíèåâàÿ ãèïåðïîëóñôåðè÷åñêàÿ ëèíçà; 4 �
ïîäëîæêà ñ ïåðåõîäàìè Äæîçåôñîíà; 5 � àíòåííà ïëàíàðíàÿ
ëîãîïåðèîäè÷åñêàÿ
16
ÒÅÕÍÈÊÀ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÑÂ×
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2006, ¹ 5
ùåé ñâåðõïðîâîäÿùèé (ñâèíöîâûé) è ôåððîìàãíèò-
íûå ýêðàíû (ðèñ. 4). Ïðèìåíåíèå ñâåðõïðîâîäÿùåãî
ýêðàíà âåñüìà ýôôåêòèâíî. Âûáèðàëñÿ ìàòåðèàë ýê-
ðàíà ñ áîëåå âûñîêèìè êðèòè÷åñêîé òåìïåðàòóðîé è
êðèòè÷åñêèì ìàãíèòíûì ïîëåì. Ýòîìó òðåáîâàíèþ
íàèáîëåå ïîëíî óäîâëåòâîðÿþò âûñîêîòåìïåðàòóðíûå
ñâåðõïðîâîäíèêè (ÂÒÑÏ-ìàòåðèàëû).
Ðàçðàáîòàííàÿ êîíñòðóêöèÿ ýêðàíîâ è ìåòîäèêà çà-
õîëàæèâàíèÿ êðèîçîíäà ïîçâîëÿþò ñâåñòè ê ìèíè-
ìóìó íàïðÿæåííîñòü �çàìîðîæåííîãî� â íåì ìàãíèò-
íîãî ïîëÿ.  êà÷åñòâå êðèòåðèÿ ìèíèìèçàöèè çàìî-
ðîæåííîãî ïîëÿ èñïîëüçóåòñÿ ñòàáèëüíîñòü âåëè÷è-
íû êðèòè÷åñêîãî òîêà îò çàõîëàæèâàíèÿ ê çàõîëàæè-
âàíèþ. Êîíñòðóêòèâíîå èñïîëíåíèå êðèîçîíäà îáåñ-
ïå÷èâàåò âîçìîæíîñòü íåïðåðûâíîé ðàáîòû ñèñòåìû
äî 30 ñóòîê áåç äîçàïðàâêè æèäêèì ãåëèåì.
Ïðèíöèï ðàáîòû ÷àñòîòîìåðà îñíîâàí íà ñîîò-
íîøåíèè Äæîçåôñîíà �w=2eV, ñâÿçûâàþùåì
ñ ïîìîùüþ ëèøü ôóíäàìåíòàëüíûõ êîíñòàíò ÷àñòîòó
ñèãíàëà ω è íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ íà ïåðåõîäå V.
Cîîòíîøåíèå ïîçâîëÿåò îäíîçíà÷íî ñâÿçàòü çíà÷åíèå
÷àñòîòû ñèãíàëà ñ íàïðÿæåíèåì ñòóïåíüêè íà ÂÀÕ,
âîçíèêøåé â ðåçóëüòàòå âîçäåéñòâèÿ ýòîãî ñèãíàëà
íà ïåðåõîä Äæîçåôñîíà. Ïðè÷åì ñ èçìåíåíèåì òåì-
ïåðàòóðû ïåðåõîäà Äæîçåôñîíà â ïðåäåëàõ Ò<Tc ïî-
ëîæåíèå ñòóïåíüêè ïî îñè íàïðÿæåíèé íå èçìåíÿåò-
ñÿ, èçìåíÿåòñÿ ëèøü âûñîòà ñòóïåíüêè ïî îñè òîêîâ,
÷òî ñâÿçàíî ñ òåìïåðàòóðíûì èçìåíåíèåì ýíåðãåòè-
÷åñêîé ùåëè ñâåðõïðîâîäíèêîâ, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ
ïåðåõîäà Äæîçåôñîíà.
Ìû èñïîëüçóåì ñâåðõïðîâîäíèêè, õîðîøî îïè-
ñûâàåìûå ìîäåëüþ Áàðäèíà�Êóïåðà�Øðèôôåðà
(ÁÊØ) [2]. Òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü ýíåðãåòè÷å-
ñêîé ùåëè ñâåðõïðîâîäíèêà ïðè Ò<0,5Tc èìååò �ïî-
ëî÷êó�, äðóãèìè ñëîâàìè, ýíåðãåòè÷åñêàÿ ùåëü òóò
ïðàêòè÷åñêè íå ìåíÿåòñÿ. Èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû íà
1 Ê ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ýíåðãåòè÷åñêîé ùåëè íèî-
áèÿ ∆Nb (ïðè 4,2 Ê ∆Nb≈1,5 ìýÂ) íà ≈2%, ò. å. δ∆Nb/δÒ=
=0,03 ìýÂ/K. Òîãäà ïðè ñòàáèëüíîñòè òåìïåðàòóðû 10�2 K
èìååì ñòàáèëüíîñòü ýíåðãåòè÷åñêîé ùåëè 0,02%, à
çíà÷èò, è ñòàáèëüíîñòü âûñîòû ñòóïåíüêè ïîðÿäêà
0,02%. Ñòàáèëüíîñòü ïàðàìåòðîâ îïðåäåëÿåò òî÷íîñòü
èçìåðåíèé. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ïî êðàéíåé ìåðå ñ íå
ìåíüøåé òî÷íîñòüþ (0,02%) ìû èçìåðÿåì èññëåäóå-
ìóþ ÷àñòîòó (íà ñàìîì äåëå � ñ íàìíîãî áîëüøåé
òî÷íîñòüþ).
Òî÷íîñòü îáåñïå÷èâàåòñÿ èñïîëüçîâàíèåì ïðåîá-
ðàçîâàíèÿ Ãèëüáåðòà, êîòîðîå ïîçâîëÿåò óñòàíîâèòü
ïîëîæåíèå ñòóïåíüêè ïî îñè íàïðÿæåíèé. Ïðè ýòîì,
êàê èçâåñòíî, õîòÿ âûñîòà ñòóïåíüêè ïî îñè òîêîâ è
ìîæåò ìåíÿòüñÿ, ïîëîæåíèå ñòóïåíüêè ïî îñè íàïðÿ-
æåíèé íå èçìåíÿåòñÿ, ÷òî è îáåñïå÷èâàåò âûñîêóþ
òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ ÷àñòîòû. Ïðè òàêîé ìåòîäèêå èç-
ìåðåíèé íàì íåò íåîáõîäèìîñòè èñïîëüçîâàòü ýòàëîí-
íûé ñòàíäàðò ÷àñòîòû, è òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ ÷àñòîòû
ôàêòè÷åñêè îïðåäåëÿåòñÿ òî÷íîñòüþ èçìåðåíèÿ íàïðÿ-
æåíèÿ.
Ðàçðàáîòàííàÿ ñèñòåìà ðåãèñòðàöèè ÂÀÕ ïîñòðî-
åíà íà îñíîâå ÀÖÏ è ÖÀÏ âûñîêîé ðàçðÿäíîñòè (32
ðàçðÿäà). Óðîâåíü ñîáñòâåííîãî øóìà ðàçðàáîòàí-
íîãî óñèëèòåëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà (ÓÏÒ) ñîñòàâëÿåò
0,5...0,6 íÂ/ Ãö. Ðàçðàáîòàííûé èíòåðôåéñ ïîëüçî-
âàòåëÿ ïîçâîëÿåò â øèðîêèõ ïðåäåëàõ óïðàâëÿòü ïà-
ðàìåòðàìè ñèñòåìû ïî òîêó ñìåùåíèÿ, ïîëîñå ïðî-
ïóñêàíèÿ, êîýôôèöèåíòó óñèëåíèÿ, ïåðèîäè÷íîñòè
ðàçâåðòêè è êîëè÷åñòâó ðåãèñòðèðóåìûõ ÂÀÕ. Ñèñ-
òåìà ðàáîòàåò â ðåàëüíîì ìàñøòàáå âðåìåíè è ìîæåò
óïðàâëÿòüñÿ ñ óäàëåííîãî òåðìèíàëà.
Íåêîòîðûå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé ñïåêòðîâ ìî-
íîõðîìàòè÷åñêèõ è ïîëèãàðìîíè÷åñêèõ ñèãíàëîâ
ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 7. Äëÿ îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ
èçìåðåíèé èñïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íûå ÷èñëåííûå ìå-
òîäû ïðåîáðàçîâàíèé ÂÀÕ, êàê òî ãèñòîãðàìì-àíà-
ëèç, Ãèëüáåðò-ïðåîáðàçîâàíèå, êîððåëÿöèîííûé àíà-
ëèç [4]. Îäíèì èç ðåçóëüòàòîâ ïðîâåäåííûõ èññëåäî-
âàíèé âïîñëåäñòâèè áóäåò ðàçðàáîòêà è ñîçäàíèå ïà-
íîðàìíîãî èçìåðèòåëÿ ÷àñòîòû, îáåñïå÷èâàþùåãî îá-
íàðóæåíèå ñèãíàëà è èçìåðåíèå ÷àñòîò ïîëèãàðìî-
íè÷åñêèõ ñèãíàëîâ â äèàïàçîíå 60�600 ÃÃö [5].
Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ìåòîäû, îñíîâàííûå
íà îáðàáîòêå ñòóïåíåê Øàïèðî, îáëàäàþò íåäîñòà-
òî÷íîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ è ìàëîïðèãîäíû äëÿ àíà-
ëèçà ñëàáûõ øèðîêîïîëîñíûõ ñèãíàëîâ ñî ñïëîø-
íûì ñïåêòðîì, íàïðèìåð ðàäèîòåïëîâûõ. Â íàñòîÿ-
ùåå âðåìÿ óñèëèÿ íàïðàâëåíû íà ðàçðàáîòêó ìåòî-
äîâ èçìåðåíèÿ òàêîãî ðîäà ñèãíàëîâ. Òåîðèÿ äæî-
çåôñîíîâñêèõ ïåðåõîäîâ [4] äàåò íàïðàâëåíèå ïîèñ-
êà òàêèõ ìåòîäîâ. Äæîçåôñîíîâñêèå ïåðåõîäû êàê
êâàíòîâûå èçìåðèòåëüíûå ïðèáîðû îáëàäàþò óíèêàëü-
íîé âîçìîæíîñòüþ èçìåðÿòü êâàíòîâûå ôëóêòóàöèè
îáúåêòà, íå âíîñÿ ñóùåñòâåííûõ äîïîëíèòåëüíûõ
ôëóêòóàöèé.
Øèðèíà ëèíèè ãåíåðàöèè ïåðåõîäà Äæîçåôñîíà,
êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ïàðàìåòðîâ ïðèåìíèêà,
U, ìÂ
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,8 1,0 1,2 1,4 I, ìÀ
à)
á)
Ð, ïð. åä.
120
100
80
60
40
20
0 50 100 150 200 F, ÃÃö
Ðèñ. 7. ÂÀÕ ïåðåõîäà Äæîçåôñîíà ïðè îäíîâðåìåííîì
âîçäåéñòâèè òðåõ ìîíîõðîìàòè÷åñêèõ ÑÂ×-ñèãíàëîâ (à)
è âîññòàíîâëåííûé ñ ïîìîùüþ ïðåîáðàçîâàíèÿ Ãèëü-
áåðòà ñïåêòð ïîëèãàðìîíè÷åñêîãî ñèãíàëà (á)
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2006, ¹ 5
17
ÒÅÕÍÈÊÀ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÑÂ×
ñâÿçàíà ñ åãî êîíñòðóêòèâíûìè ïàðàìåòðàìè ñîîòíî-
øåíèåì [4, ñ. 31]
( )
( ) ( )
2
1
2 2
2 c
J2
2
0
2
0 ,
2
V
d I I
e
S
Ie
R S S
I
Γ = π =
= π + ω
h
h
(1)
Êàê ñëåäóåò èç (1), â íèçêî÷àñòîòíûå ôëóêòóàöèè
íàïðÿæåíèÿ íà ïåðåõîäå âíîñÿò âêëàä ôëóêòóàöèè òîêà
íå òîëüêî íà íèçêîé ÷àñòîòå, íî è íà ÷àñòîòàõ â îáëà-
ñòè äæîçåôñîíîâñêîé ãåíåðàöèè ωJ. Ïðè÷åì â øèðè-
íó ëèíèè ãåíåðàöèè âíîñÿò âêëàä òîëüêî òå êîìïî-
íåíòû ñïåêòðà âûñîêî÷àñòîòíûõ íàïðÿæåíèé, ÷àñòî-
òà êîòîðûõ íàõîäèòñÿ â ïîëîñå ïîðÿäêà ωJ±Ã1. Ýòî
ñâÿçàíî ñ îñîáûì õàðàêòåðîì íåëèíåéíîñòè ïåðåõî-
äà: îíà, ñ îäíîé ñòîðîíû, ÿâëÿåòñÿ ðåàêòèâíîé, à ñ
äðóãîé ñòîðîíû, èç-çà ñâîèõ îòðèöàòåëüíûõ çíà÷å-
íèé äîïóñêàåò ïðåîáðàçîâàíèå ÷àñòîòû âíèç ñ ýôôåê-
òèâíîñòüþ, áëèçêîé ê åäèíèöå [4, ñ. 42].
Òàêèì îáðàçîì, èçìåíåíèå øèðèíû ëèíèè ãåíå-
ðàöèè ïåðåõîäà ïðîèñõîäèò òîëüêî ïîä äåéñòâèåì
ôëóêòóàöèé, ñïåêòð êîòîðûõ îãðàíè÷åí øèðèíîé ëè-
íèè ãåíåðàöèè ïåðåõîäà, ÷òî è îáåñïå÷èâàåò ñåëåê-
òèâíîñòü èçìåðåíèé ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè èçëó÷å-
íèÿ. Øèðèíó ëèíèè ñîáñòâåííîé ãåíåðàöèè ÄÏ ìîæ-
íî îïðåäåëèòü íå òîëüêî ñïåêòðîìåòðè÷åñêèì ìåòî-
äîì, íî òàêæå è ïî åãî ñåëåêòèâíîìó îòêëèêó íà ñëà-
áûé ìîíîõðîìàòè÷åñêèé ñèãíàë [4].
Ñåëåêòèâíûé îòêëèê ÄÏ íà ìîíîõðîìàòè÷åñêèé
ñèãíàë îïèñûâàåòñÿ âûðàæåíèåì [4, ñ. 48]
2 2 2 2
1
,
8
resp
a
∆ν δ= = ⋅
ν δ + γ (2)
Ïîëóøèðèíà ëèíèè äæîçåôñîíîâñêîé ãåíåðàöèè
Ã1 â ôîðìóëå (1) è ïàðàìåòð γ â ôîðìóëå (2) ñâÿçàíû
ñîîòíîøåíèåì [2, ñ. 55]
1 c 1 c
2
,N
e
I R γ = Γ ω = Γ h
(3)
ãäå RN � íîðìàëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ïåðåõîäà Äæî-
çåôñîíà.
Ñóòü ìåòîäà èçìåðåíèÿ ñïåêòðàëüíîãî ðàñïðåäå-
ëåíèÿ ïëîòíîñòè øèðîêîïîëîñíîãî øóìîâîãî ÑÂ×-
ñèãíàëà çàêëþ÷àåòñÿ â îïðåäåëåíèè èçìåíåíèÿ øè-
ðèíû ëèíèè ñîáñòâåííîé ãåíåðàöèè ÄÏ ïîä âîçäåé-
ñòâèåì èññëåäóåìîãî ñèãíàëà. Äëÿ ýòîãî ê èññëåäó-
åìîìó ñèãíàëó ïîäìåøèâàåòñÿ ìîíîõðîìàòè÷åñêèé
ñèãíàë îò âñïîìîãàòåëüíîãî ãåíåðàòîðà, ïåðåñòðàè-
âàåìîãî â èññëåäóåìîì äèàïàçîíå ÷àñòîò.
Äèñêðåòíî èçìåíÿÿ ÷àñòîòó âñïîìîãàòåëüíîãî ãå-
íåðàòîðà è ðåãèñòðèðóÿ ñåëåêòèâíûé îòêëèê ÄÏ íà åãî
ñèãíàë ïðè íàëè÷èè èññëåäóåìîãî ñèãíàëà è áåç íåãî,
ïî èçìåíåíèþ ïàðàìåòðîâ ñåëåêòèâíîãî îòêëèêà îï-
ðåäåëÿåì ñïåêòðàëüíóþ ïëîòíîñòü øóìîâîãî ÑÂ×-ñèã-
íàëà â êàæäîé ÷àñòîòíîé ïîëîñå ωì±Ã1, ãäå ωì � ÷à-
ñòîòà ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî ñèãíàëà. Òàêèì îáðàçîì,
ïîëó÷àåì ðàñïðåäåëåíèå ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè èñ-
ñëåäóåìîãî ñèãíàëà â äèàïàçîíå ÷àñòîò, ò. å. åãî ñïåêòð.
Ýòîò ïîäõîä ïîçâîëÿåò ïîäíÿòü ÷óâñòâèòåëüíîñòü
ñïåêòðîìåòðà íà 20�30 äÁ. Äàëüíåéøåå ïîâûøåíèå
÷óâñòâèòåëüíîñòè è óëó÷øåíèå äðóãèõ ðàáî÷èõ ïàðà-
ìåòðîâ ñïåêòðîìåòðà ñâÿçûâàåòñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì
ãåòåðîñòðóêòóð ÄÏ.
 ñòàâøåé êëàññè÷åñêîé ñòàòüå [6] ïîêàçàíî, ÷òî
ïðè çàìåíå îäèíî÷íîãî SIS-ïåðåõîäà (ñâåðõïðîâîä-
íèê�èçîëÿòîð�ñâåðõïðîâîäíèê) íà öåïî÷êó èç n
îäèíàêîâûõ SIS-ïåðåõîäîâ îòíîøåíèå ñèãíàë/øóì ó
ïðèåìíèêîâ ÑÂ×-ñèãíàëîâ íà áàçå öåïî÷êè èç n ïå-
ðåõîäîâ ìîæåò áûòü óëó÷øåíî â n ðàç. Â íàøåì
ñëó÷àå ñèòóàöèÿ àíàëîãè÷íàÿ, ïîýòîìó óëó÷øåíèå
îòíîøåíèÿ ñèãíàë/øóì ñîñòàâëÿåò n ðàç ïðè çàìå-
íå îäèíî÷íîãî ïåðåõîäà Äæîçåôñîíà íà öåïî÷êó èç
n îäèíàêîâûõ ïåðåõîäîâ Äæîçåôñîíà â ïðèåìíîé ÷à-
ñòè ÷àñòîòîìåðà.
Îäíàêî ýêñïåðèìåíòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ñèòóàöèÿ
òóò äàæå ëó÷øå. Äåëî â òîì, ÷òî äëÿ ðàáîòû â ðåæè-
ìå ÷àñòîòîìåðà íàì íåîáõîäèìî ëèøü ïðîäåòåêòèðî-
âàòü íàëè÷èå «ñòóïåíüêè» íà ÂÀÕ, òîãäà íàïðÿæåíèå,
ïðè êîòîðîì âîçíèêàåò «ñòóïåíüêà» íà ÂÀÕ öåïî÷êè
èç n îäèíàêîâûõ ïåðåõîäîâ Äæîçåôñîíà, âîçðàñòàåò
â n ðàç, ÷òî ïîçâîëÿåò â n ðàç óâåëè÷èòü òî÷íîñòü
îïðåäåëåíèÿ ÷àñòîòû ñèãíàëà.
Ðàçðàáîòàííûé ÷àñòîòîìåð îðèåíòèðîâàí â ïåðâóþ
î÷åðåäü íà èçìåðåíèå ìîùíûõ ñèãíàëîâ, ò. å. íà ñëó-
÷àé, êîãäà «ñòóïåíüêà» õîðîøî ðàçëè÷èìà íà ôîíå
øóìîâ.
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÍÛÅ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ
1. Ïàò. 25229 À Óêðàèíû. Ïðèñòð³é äëÿ âèçíà÷åííÿ ÷àñòîòè
åëåêòðîìàãí³òíîãî âèïðîì³íþâàííÿ ó ì³ë³ìåòðîâîìó òà ñóá-
ì³ë³ìåòðîâîìó ä³àïàçîíàõ äîâæèí õâèëü / Ñ. Þ. Ëàðê³í, À. Ì.
̳ðîøí³êîâ, Ã. Ò. Àöåíòþê.� 1998.� Áþë. ¹ 9.
2. Ëàðêèí Ñ. Þ. Èçìåðåíèå ÷àñòîòû ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî
ÑÂ× ïîëÿ íà îñíîâå íåñòàöèîíàðíîãî ýôôåêòà Äæîçåôñîíà.�
Êèåâ: Íàóê. äóìêà, 1999.
3. Müller F., Schulze H., Behr R. et al. The NbAl technology at
PTB � a common base for different types of Josephson voltage
standards // Physica C.� 2001.� Vol. 354.� P. 66�70.
4. Ëèõàðåâ Ê. Ê. Ââåäåíèå â äèíàìèêó äæîçåôñîíîâñêèõ ïåðå-
õîäîâ.� Ì.: Íàóêà, 1985.
5. Ïàò. 34552 À Óêðàèíû. Ñïîñ³á âèì³ðþâàííÿ åíåðãåòè÷íî-
ãî ñïåêòðó åëåêòðîìàãí³òíîãî âèïðîì³íþâàííÿ / Ñ. Þ. Ëàðê³í,
Ñ. ª. Àí³ùåíêî, Â. ². ×àéêîâñüêèé.� 2001.� Áþë. ¹ 2.
6. Tucker J. R., Feldman M. J. Quantum detection at millimeter
wavelengths // Rev. Mod. Physics.� 1985.� Vol. 57.� P. 1055�1113.
ãäå Ã1 �
SV(0) �
Rd �
SI(0) �
Ic �
SI(ωJ) �
ïîëóøèðèíà ëèíèè Äæîçåôñîíîâñêîé ãåíåðàöèè;
ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü íèçêî÷àñòîòíûõ ôëóêòóàöèé
íàïðÿæåíèÿ íà ÄÏ;
äèôôåðåíöèàëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ÄÏ â ðàáî÷åé òî÷êå;
ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü ñîáñòâåííûõ íèçêî÷àñòîòíûõ
ôëóêòóàöèé òîêà ÷åðåç ÄÏ;
êðèòè÷åñêèé òîê ïåðåõîäà Äæîçåôñîíà;
ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü ôëóêòóàöèé òîêà ÷åðåç ÄÏ â
îêðåñòíîñòè ÷àñòîòû äæîçåôñîíîâñêîé ãåíåðàöèè.
ãäå ∆ν �
ν=V/Vc �
a=A/Ic �
δ=(Ω�ΩJ)/Ωc �
γ=If/2Ic �
èçìåíåíèå âåëè÷èíû ν;
âåëè÷èíà íàïðÿæåíèÿ â ðàáî÷åé òî÷êå, íîðìè-
ðîâàííàÿ îòíîñèòåëüíî âåëè÷èíû õàðàêòåðíî-
ãî íàïðÿæåíèÿ ÄÏ;
àìïëèòóäà âíåøíåãî âîçäåéñòâèÿ, íîðìèðîâàííàÿ
îòíîñèòåëüíî âåëè÷èíû êðèòè÷åñêîãî òîêà ÄÏ;
ðàññòðîéêà ÷àñòîòû âîçäåéñòâóþùåãî ñèãíàëà
îòíîñèòåëüíî ÷àñòîòû ñîáñòâåííîé ãåíåðàöèè,
íîðìèðîâàííàÿ îòíîñèòåëüíî õàðàêòåðíîé ÷à-
ñòîòû ÄÏ Ωc;
íîðìèðîâàííàÿ âåëè÷èíà ôëóêòóàöèé òîêà ÷å-
ðåç ÄÏ.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-53251 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2225-5818 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T11:29:38Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ларкин, С.Ю. 2014-01-18T20:29:20Z 2014-01-18T20:29:20Z 2006 Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ / С.Ю. Ларкин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2006. — № 5. — С. 14-17. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2225-5818 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53251 Изложен опыт разработки частотомеров-спектрометров электромагнитного излучения монохроматических и полигармонических СВЧ-сигналов на основе эффекта Джозефсона и перспективы их дальнейшего усовершенствования. Статья подготовлена в рамках украинской Государственной программы развития техники и технологий сверхвысоких частот на 2005-2009 годы. ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Техника и технологии СВЧ Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ Розробка пристроїв для аналізу спектра сигналів НВЧ Design of the device for the analysis of spectrum of microwave signals Article published earlier |
| spellingShingle | Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ Ларкин, С.Ю. Техника и технологии СВЧ |
| title | Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ |
| title_alt | Розробка пристроїв для аналізу спектра сигналів НВЧ Design of the device for the analysis of spectrum of microwave signals |
| title_full | Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ |
| title_fullStr | Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ |
| title_full_unstemmed | Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ |
| title_short | Разработка устройств для анализа спектра сигналов СВЧ |
| title_sort | разработка устройств для анализа спектра сигналов свч |
| topic | Техника и технологии СВЧ |
| topic_facet | Техника и технологии СВЧ |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53251 |
| work_keys_str_mv | AT larkinsû razrabotkaustroistvdlâanalizaspektrasignalovsvč AT larkinsû rozrobkapristroívdlâanalízuspektrasignalívnvč AT larkinsû designofthedevicefortheanalysisofspectrumofmicrowavesignals |