Введение к работе
Актуальность проблемы. После открытия явления высокотемпературной сверхпроводимости наиболее заметное развитие практических применений высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) наблюдается в области техники сверхвысоких частот, в частности, для создания высококачественных СВЧ компонентов, приборов и систем для спутниковых средств связи. Использование в этой области ВТСП материалов может обеспечить значительное улучшение качества систем при минимизации массо-габаритных показателей и потребляемой мощности. Это является следствием прогресса технологии спи-таксиальных пленок ВТСП, в результате чего стали доступны ВТСП пленки высокого качества, обладающие низким поверхностным сопротивлением, большой плотностью критического тока и температурой перехода из сверхпроводящего (S) в нормальное (N) состояние T^90...100K. ВТСП пленки при температуре жидкого азота обладают более низким поверхностным сопротивлением, чем медные пленки при тех же условиях, вплоть до частот, превышающих 100 ГГц. При переходе в нормальное состояние их поверхностное сопротивление увеличивается на несколько порядкоз. Линии передачи, выполненные на основе пленок ВТСП, характеризуются очень малыми потерями в S-состоянии и отсутствием частотной дисперсии. В настоящее время реализован ряд СВЧ компонентов и приборов с характеристиками, недостижимыми при использовании традиционной технологии. Это различные резонаторы, фильтры, линии задержки, сверхнаправленные антенны. Явление S-N-перехода может быть использовано для создания СВЧ управляющих устройств - модуляторов, выключателей и фазо-враателей. Постоянное улучшение характеристик и рост функциональной сложности СВЧ устройств на ВТСП доказывают хорошие перспективы для применения ВТСП материалов в этой высокотехнологичной области.
Однако, несмотря на наблюдаемый прогресс, остается ряд проблем, требующих скорейшего решения. В большой степени это относится к учету особенностей ВТСП пленок как физических объектов при проектировании СВЧ устройств. Имеющиеся в настоящее время системы автоматизированного проектирования СВЧ устройств ориентированы на традиционную технологию СВЧ интегральных схем. Использование таких САПР для проектирования СВЧ устройств на основе ВТСП пленок может привести к значительному расхождению между
расчетными и экспериментальными данными. Причины этого заключаются в следующем:
многие модели элементов схем не обеспечивают требуемой точности при использовании диэлектрических подложек, обычных для ВТСП технологии;
поверхностное сопротивление ВТСП пленок является комплексной величиной, которая зависит от температуры и частоты иначе, чем у обычных металлов;
при расчете волновых характеристик планарных ВТСП линий передачи необходимо учитывать влияние замедления, связанного с кинетическими явлениями в ВТСП и эффект вытеснения тока на края полоски;
проектные цели для ВТСП приборов более жесткие, чем для традиционных, что приводит к необходимости учета эффектов второго порядка, в частности, температурной зависимости диэлектрической проницаемости подложки и изменения геометрических размеров элементов схемы при охлаждении.
Целью диссертационной работы являются разработка модели микрополосковой линии передачи из ВТСП, оценка предельных характеристик и разработка методов оптимального проектирования СВЧ компонентов, приборов и управляющих устройств на основе тонких ВТСП пленок с использованием оригинальной САПР. Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:
-
Выбор и проверка феноменологической модели поверхностного СОПрОТИВЛеНИЯ Вдав ВТСП.
-
Описание распределения тока в СВЧ линиях передачи на ВТСП в аналитической форме и использование полученных формул е САПР СВЧ устройств на ВТСП пленках.
-
Анализ факторов, определяющих точность проектирования криоэлектронных СВЧ устройств и коррекция моделей линий передачи для учета температурных и кинетических эффектов.
-
Разработка САПР криоэлектронных устройств СВЧ на ВТСЕ пленках.
-
Определение критериев оптимального проектирования ВТСЕ ключей и разработка управляющих СВЧ устройств на их основе.
Объектами исследования являются пленки ВТСП различного качества и СВЧ приборы на ВТСП: полуволновый микрополосковый резонатор, фильтр нижних частот, узкополосный полосно-пропускающий
фильтр, S-N-ключи различной конфигурации и приборы на S-N-nepe-
ходе, управляемом током - неотражающий модулятор и дискретные
фазовращатели
Основные методы исследования. При разработке модели поверхностного сопротивления ВТСП и модели ВТСП микрополосковой линии передачи использовались теория сверхпроводимости, методы теории математического моделирования и теории оптимизации. Решение задач анализа характеристик СВЧ устройств на пленках ВТСП проведено с применением аппарата теории цепей. При реализации разработанных программных средств были использованы методы структурного и объектно-ориентированного программирования.
Основные защищаемые положения:
-
Поверхностный импеданс ВТСП в диапазоне частот и температур, включая переход из S- в N-состояние, может быть описан феноменологической моделью, основанной на двухжидкостном приближении. При этом дополнительно к традиционным параметрам двухжид-костной модели используются параметр остаточного сопротивления а и показатель степени в температурной зависимости глубины проникновения у.
-
Температурный сдзиг резонансной частоты резонаторов и центральной частоты полосно-пропускающих фильтров опредеяется параметром у - показателем степени в температурой зависимости глубины проникновения, величина которого находится в пределах 1.5 - 2.
-
Влияние некинетических эффектов на характеристики высокодобротных резонаторов и узкополосных ППФ сопоставимо с влиянием кинетической индуктивности в ВТСП, что необходимо учитывать при проектировании таких устройств.
-
Переключательные свойства ключей на S-N-переходе, выполненного в виде полоски с малым поперечным сечением (толщина 0,1 -0,2 мкм, ширина 5-15 мкм), полностью описываются параметром коммутационного качества К, величина которого определяется параметрами ВТСП пленки и не зависит от геометрии ключа.
Новизна полученных результатов заключается в следующем: 1. Двухжидкостая феноменологическая модель поверхностного сопротивления ВТСП усовершенствована с целью учета явления остаточного сопротивления на низких температурах. Введение в каче-
стве параметра модели показателя степени в температурной зависимости глубины проникновения дает возможность описать поверхностное сопротивление ВТСП пленок, отличающихся крутизной S-N-nepe-хода.
-
Предложена интерполяционная формула для расчета поверхностного сопротивления объемных образцов и тонких пленок ВТСП вблизи температуры перехода, которая позволяет избежать разрывности в зависимости R^ от температуры.
-
Анализ многочисленных экспериментальных данных, полученных для ВТСП образцов различной структуры и при различных условиях эксперимента, показал, что описание поверхностного сопротивления ВТСП пленок при помощи разработанной модели обеспечивает точность, сравнимую с точностью измерений.
-
Получена аналитическая модель ВТСП микрополосковой линии передачи, использующая аппроксимационное описание распределения плотности тока в поперечном сечении линии.
-
Определена взаимосвязь между параметрами ВТСП пленки и параметрами S-N-ключа. В результате исследования S-N-ключей различной геометрии показано, что для уменьшения индуктивной составляющей импеданса ключа необходимо использовать ключ в виде отрезка двух связанных линий с поперечным сечением, в два раза меньшим, чем у ключа в виде отрезка одиночной линии. При этом уменьшение индуктивности определяется степенью связи между двумя линиями.
-
Разработаны критерии оптимального проектирования СВЧ фазовращателей, использующих в качестве переключательного элемента ВТСП S-N-ключ. Показано, что необходимым условием для получения минимальных потерь в отражательном фазовращателе является обеспечение режима согласования между входной линией передачи и средне-геометрическим значением сопротивлений ключа в двух состояниях .
Значение для практики результатов диссертационной работы заключается в следующем:
предложенная феноменологическая модель адекватно описывает температурную и частотную зависимости поверхностного импеданса ВТСП пленок различного качества;
разработанные программные средства являются удобным инструментом для решения задач проектирования линейных пассивных СВЧ
схем на ВТСП пленках. Они позволяют определять модельное описание ВТСП пленки по экспериментальным данным, рассчитывать волновые характеристики- ВТСП- линий - передачи- в-доапазоне—температур" и частот и проводить анализ линейных СВЧ устройств на ВТСП пленках.
- разработанные критерии оптимального проектирования СВЧ
управляющих устройств на S-N-переходе дают возможность оценить
их предельные характеристики в зависимости от качества пленок
ВТСП. Проведенные экспериментальные исследования разработанных
фильтра нижних частот, полосно-пропускакщего фильтра, модулятора
и фазовращателей доказывают возможность реализации СВЧ устройств
с улучшенными характеристиками.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:
- научно-технических конферециях профессорско-преподава
тельского состава СПбГЭТУ в 1990-199бгг.;
- Европейских конференциях по СВЧ технике в 1992г. (22nd
EuMC, Хельсинки, Финляндия), в 1993г. (23rd EuMC, Мадрид, Испа
ния), в 1994г., (24th EuMC, Канны, Франция), в 1995 г. (25th
EuMC, Болонья, Италия) ;
Международном студенческом семинаре "Применение сверхпроводников в технике СВЧ", С.-Петербург, май 1995 г.;
Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости в 1995 г. (EuCAS-95, Эдинбург, Шотландия).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах и 9 публикаций в трудах зарубежных конференций. Одна работа находится в печати.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 144 страницах машинописного текста. Работа содержит 62 рисунка и 8 таблиц.
