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"Schaltungsanordaung zur Verstärkung hochfrequenter, elektro-
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magnetischer Wellen" Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Verstärkung hochfrequenter, elektromagnetischer Wellen unter Verwendung von
Josephson-Elementen.
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Als Josephson-Element bezeichnet man eine Anordnung aus zwei über
eine Tunnelschicht, einen Spitzenkontakt, eine dünne leitende Brücke oder auf andere
Weise gekoppelte Supraleiter, wobei eine Uberlappung der Materiewellenfunktionen
der beiden gekoppelten Supraleiter stattfindet, die Kopplung aber so schwach ist,
daß in dem Bereich, in dem die Supraleiter gekoppelt sind, bei endlicher Stromdichte
eine Diskontinuität im Phasenwinkel der Materiewellen auftreten kann.
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Josephson-Elemente sind im Mikrowellenbereich als Detektoren, Mischer
und parametrische Verstärker bis zu sehr hohen Frequenzen anwendbar. Schwierigkeiten
bestehen bei der Anpassung der meist niederohmigen Josephson-Elemente an Mikrowellennetz-
werke.
Durch Anpassungsnetzwerke in Streifenleitungstechnik ist eine Reduzierung der Fehlanpassung
von Josephson-Tunnelelementen gelungen - siehe z.B. Sirkeinen, X., Somervuo, P.,
Wiik, T.: The stripline coupling of thin-film Josephson junctions to external circuits
at microwave frequencies, Revue de Physique Appliquée 9 (1974) S. 131-133.
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Auch Josephson-Spitzenelemente mit hoher Impedanz sind bereits aus
der Literatur bekannt, siehe z.B. Tolner, H., Andriesse, C. D.: High impedance point
contact Josephson Junctions, IEEE Trans. NAG-Il (1975) 5. 866-869; oder Tolner H.,
Andriesse, C.D., Schaeffer, H.H.A.: Wide-band detection wjth high impedance Josephson
junctions, Infrared Physics 16 (1976) s. 213-223.
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In keinem Fall wurde hierbei jedoch eine vollständige Anpassung erreicht.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art anzugeben, welche sich gegenüber vergleichbaren bekannten
Schaltungsanordnungen durch einen höheren Wellenwiderstand auszeichnet. Insbesondere
soll durch diese Anordnung die Anpassung an externe Bauelemente in einem weiten
Frequenzbereich erleichtert werden.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
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Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu suchen, daß
der höhere Wellenwiderstand mit Hilfe einfacher Strukturen realisierbar ist.
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nie Erfindung soll am Beispiel eines Wanderwellenverstärkers mit in
Serie geschalteten Josephson-Elementen (abgekiirzt SJW-Verstarker) anhand der Figuren
1 bis 5 naher erläutert werden. Es zeigen Figur 1 das Ersatzschaltbild eines SJW-Verstrkers
mit kontinuierlichen Leitungssegmenten, Figur 2 das Ersatzschaltbild einer Ausführungsform
eines SJW-Verstärkers mit diskret nachgebildeten Leitungssegmenten Figur 3 die schematische
Aufsicht auf einen SJW-Verstärker mit Josephson-Brückenelementen, Figur 4 die Ansicht
des SJW-Vorstärkers mit Josephson-Hriikkenelementen nach Figur 3, Figur 5 die Ansicht
eines SJW-Verstärkers mit Josephson-Tunnelelementen.
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Figur 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines SJW-Verstärkers mit aus den
Leitern 1 und 2, 11 und 12 ... 51 und 52 bestehenden Leitungselementen. Die Leitungselemente
sind miteinander so verbunden, daß der Leiter 1 mit dem Leiter 11, dieser mit dem
anschließenden Leiter 21 usw. direkt verbunden sind, während zwischen den Leiter
2 und den Leiter 12 das Josephsonelement 3, zwischen den Leiter 12 und den Leiter
22 das Josephsonelement 13 usw. zwischengeschaltet ist. Die Leiter 2, 22, 42 usw.
sind über die Induktivitäten 4, 5, 24, 25, 44, 45 usw.
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an die auf dem Potential -Uo/2 befindliche Gleichstromzuführung 6
angeschlossen. Die Leiter 12, 32, 52 usw. sind über die Induktivitäten 14,15, 34,
35, 54 usw. an die auf dem Potential +U0/2 befindliche Gleichstromztlführung 7 angeschlossen.
Zweckmäßigerweise werden für alle Leiter, einschließlich
der Induktivitäten
Supraleiter verwendet, so daß ausgenommen an den Josephsonelementen nirgends ein
Gleichspannungsabfall auftritt. Dadurch daß an jedem Josephson-Element ein Spannungsabfall
mit der Gleichspannungskomponente U0 auftritt oszillieren die Josephsonströme in
allen 3osephson-Elementen mit der Kreis frequenz
Dabei ist eO der Betrag der Elektronen ladung und h das Plancksche Wirkungsquantum.
Mit dieser Kreisfrequenz an0 0 oszillieren auch die inneren Induktivitäten der Josephsonelemente
3, 13, 23.... Die Anordnung nach Figur 1 funktioniert als Wanderwellenverstärker,
wenn sich auf der von den Leitern 1, 2, 11, 12, 21, 22 usw. gebildeten Leitung elektromagnetische
Wellen z.B.
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bei den Kreisfrequenzen #1 und #2 ausbreiten, die Frequenzbedingung
#1 +#2 =#0 (2) erfüllt ist und zusätzlich eine Phasenbedingung ##1 + ##2 = ##0 (3)
erfüllt ist. Dabei ist ##1 die Phasenverschiebung der elektromagnetischen Welle
mit der Kreis frequenz 4)1 nach Durchlauf eines (von den Leitern 1 und 2 bzw. 11
und 12 usw. gebildeten) Leitungselementes, ##2 ist die Phasenverschiebung der elektromagnetischen
Welle mit der Kreisfrequenz #2 nach Durchlauf eines Leitungselementes, und ##0 ist
die Phasenverschiebung mit der benachbarte Josephsonelemente bei der Kreisfrequenz
al oszillieren. Das Prinzip ist auch auf andere, aus der Literatur bekannten Frequenzlagen
für parametrische Verstärker, insbesondere auf die Fälle mit mehreren Hilfsfrequenzen
übertragbar.
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Im folgenden wird beschrieben wie mit der Anordnung nach Figur 1 die
Phasenverschiebung A¢0 in der Oszillation benachbarter Josephson-Elemente erzielt
wird. Die von den Josephsonelementen 13, 3 und den Induktivitäten 4, 5 und 24 gebildete
Masche des Netzwerkes wird von einem magnetischen Fluß mit der zeitlich konstanten
Komponente 13 durchflossen. Das wird entweder durch ein statisches externes Magnetfeld
oder durch Einprägung eines Gleichstromes 1o5 = 013/L5 in die Induktivität 5 erreicht
(L ist die Größe der Induk-5 tivität 5). Dann gilt im zeitlichen Mittel
wobei #12 bzw. #23 die Quantenphasendifferenzen der Josephson-Elemente 3 bzw. 13
sind. §0 = h/2eO = 2.07 x 10-15 Vs ist das magnetisch- Flußquantum Wird die von
den Josephson-Elementen 23 und 13 und den Induktivitäten 14, 15 und 34 gebildete
Masche vom Fluß #24 durchflossen so gilt im zeitlichen Mittel
Die mittlere Abhängigkeit der Quantenphasendifferenz 12 des Josephson-Elementes
3 ist durch #12 = #0t + #0 (5) gegeben. Die Anfangsphase #0 hängt von der Wahl des
Zeitpunktes t=O ab und hat keine physikalische Bedeutung. Aus den Gln.(3) und (5)
erhält man die Quantenphasendifferenz ç des Josephson-Ele.entes 13 mit
Der Josephsonstrom durch das Josephson-Element 3 ist sin (#0t +
#0) proportional. Wegen der gewünschten Phasenverschiebung Acp soll der Josephsonstrom
durch das Josephson-Element 13 sin#23 = sin (#0t + #0 + ##0) = sin (#-#0t-#0-##0)
(7) proportional sein. Durch Vergleich der Gln. (6) und (7) sieht man, daß Gl. (7)
bei Wahl des magnetischen Flusses
erfüllt ist. Durch #13 wird eine Phasenverbindung um # - ##0 erzielt. Die Verschiebung
um # ist deshalb erforderlich, weil durch die (in Zählpfeilrichtung der #ii) bei
jedem zweiten Josephson-Element negative Polarität der angelegten Gleichspannung,
jedes zweite Josephson-Element sonst gegenphasig oszillieren würde. Aus den (ln
(4), (6) und (8) folgt die Quantenphasendifferenz #34 des Josephson-Elementes 23
Dabei ist n eine beliebige ganze Zahl. Zur Erfiillung der Phasenbedingung muß #34
=#0t + #0 + 2##0 (10) gelten. Daraus folgt
Der Fluß #24 hat den gleichen Betrag wie der Fluß # 13 aber entgegengesetztes Vorzeichen.
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ER gilt
Wobei #35 der magnetische Fluß durch die von den Elementen 33, 23, 24, 25, 44 gebildete
Masche ist und i/+6 der magnetische Fluß durch die von den Elementen 43, 33, 34,
35, 54 gebildete Masche ist. Zwei Möglichkeiten bestehen zur Einprägung dieses Flusses:
1. Den Induktivitäten 5, 25, 5 wird ein Gleichstrom eingeprägt, den Induktivitäten
15 und 35 der 0 gleiche Strom in der entgegengesetzten Richtung.
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Die Induktivitäten 5, 15, 25, 35 und 45 haben gleiche Größe.
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2. Die magnetischen Flüsse #ij werden durch ein zeitlich konstantes
externes Magnetfeld B0 hervorgerufen. Die geometrische Anordnung der Netzwerkmaschen,
die von den Flüssen #ij durchflossen werden sollen ist so, daß jede Masche den gleichen
magnetischen Fluß umschließt, der Umlaufsinn der Masche aber davon abhängt, ob #ij
j positiv oder negativ ist.
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Wegen der außerordentlich geringen Größe von i sind nur sehr geringe
Ströme I bzw. Magnetfelder 13 erforderlich.
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0 0 Als Induktivitäten reichen die unvermeidlichen Leitungsinduktivitäten
ebener Schaltungskonfigurationen im allgemeinen aus. Die von den Maschen des Netzwerkes
bedeckten Flächen müssen möglichst klein sein, um ein ausreichend hohes Magnetfeld
B zu erzielen, dessen Homogenität durch die von 0 den übrigen Leitungsströmen verursachten
Magnetfelder nur unwesentlich gestört wird. Eine Schirmung des Wanderwellenverstärkers
gegen externe Magnettelder durch einen supraleitenden Mantel ist im allgemeinen
erforderlich. B0 kann durch
eine supraleitende Luftspule erzeugt
werden. Die Verwendung der supraleitenden Luftspule zur Erzeugung von B0 bietet
den Vorteil, daß die Spule nach Einstellung des benötigten Magnetfeldes B0 kurzgeschlossen
werden kann und der dann ohne äußere Stromzuführung ständig in der Spule kreisende
Strom für ein stabiles Feld B0 sorgt.
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Figur 2 zeigt das Ersatzschaltbild einer Ausführungsform des SJW-Verstärkers
mit diskret nachgebildeten Leitungselementen. Das erste Leitungselement ist durch
die Induktivitäten 8 und <lie Kapazitäten 9 nachgebildet, das zweite Leitungselement
durch die Induktivitäten 18 und die Kapazitäten 19 usw. Die Funktion der iibrigen
Netzwerkelemente und des gesamten SJW-Verstärkers entspricht der Anordnung nach
Figur 1. Eine aus diskreten Kapazitäten und Induktivitäten nachgebildete Leitung
hat ein Tiefpaßverhalten. Das kann dazu ausgenutzt werden, daß man die Kreisfrequenz
#0 in <len Sperrbereich der Tiefpaßleitung verlegt un<l so eine len Wirkungsgrad
und die Verstärkung verschlechternde Überkopplung von (von den Josephson-Elementen
erzeugter) Mikrowellenleistung in elektromagnetische Leitungswellen mit der Kreisfrequenz
#0 unterbindet.
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Figur 3 zeigt die schematische Aufsicht auf einen SJW-verstärker mit
Josephson-Brückenelementen. Die Leitungselemente 101, 102, 103 usw. bestehen aus
dünnen supraleitenden Metallfilmen (einige 100 Å bis einige 1000 Å dick) auf einem
isolierenden Substrat. Zwischen den Leitungselementen 101 rind 102 usw. weist der
Metallfilm Einschniirungen bis auf eine Hreite von weniger als 1 Mikrometer bis
zu einigen Mikrometern auf. Durch diese Einschnürungen werden aneinandergrenzende
Leitungselemente schwach gekoppelt und in dieser Weise Josephson-Brückenelemente
gebildet. Die Gleichstromzuführung erfolgt über die auf dem Potential -U0/2 befindlichen
Leiter 201, 203..., 301, 303.... und die auf dem Potential +U0/2
befindlichen
leiter 202, 204.... 302, 304 Diese leiter haben auf Grund ihrer geringen nreite
einen so hohen IndktivitStsbelag, daß keine Mikrowellenströme darüber fließen können.
Die Leiter 201, 202, 301, 302 entsprechen den Induktivitaten 5, 15, 4, 14 in Figur
1 bzw. Figur 2. Die von 301, 101, 102, 103, 303, 201 bzw. 302, 102, 103, 104, 304,
202 usw. gebildeten Maschen werden jeweils vom zeitlich konstanten Fluß # durchflossen.
Der Umlaufsinn der von 301, 101, 102, 103, 303, 201 usw. gebildeten Maschen und
der von 302, 102, 103, 104, 304, 202 usw. gebildeten Maschen ist entgegengesetzt
(im Sinne der bei der Beschreibung von Figur 1 getroffenen Festlegung), so daß bei
gleicher Fläche aller Maschen ein konstantes homogenes Magnetfeld senkrecht zur
Zeichenebene von Figur 3 ausreicht.
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Figur 4 zeigt eine Ansicht des SJW-Verst.irkers mit Josephson-Brückenelementen
nach Figur 3. Darin ist auch das isolierende Substrat 100 und der auf der Unterseite
des Substates 100 befindliche durchgehende Leiter 400 eingezeichnet. Der Leiter
400 entspricht den Leitern 1, 11, 21.... in Figur 1 und bildet gemeinsam mit den
Leitungselementen 101, 102, 103... eine elektromagnetische Leitung. Mit der Struktur
nach Figur 3 und Figur 4 kann eine sehr hohe Anzahl von Josephson-Brückenelementen
pro Längeneinheit des SJW-Verstärkers realisiert werden, so daß trotz der geringen
Impedanz einzelner Josephson-Elemente eine ausreichend hohe Modulationstiefe des
Induktivitätsbelages der elektromagnetischen leitung erzielt werden kann.
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Die Herstellung des SJW-Verstärkers erfolgt vorzugsweise in Dünnfilmtechnik,
wobei für die Aufbringung der Metallfilme auf jeder Seite des Substrates jeweils
nur ein Arbeitsgang erforderlich ist.
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Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des SJW-Verstärkers.
In dieser Ausführungsform werden Josephson-Tunnel-
Elemente verwendet.
Auf einem isolierenden Substrat 1100 ist auf der Unterseite der supraleitende Metallfilm
1400 aufgebracht. 1400 ist ein durchgehender Leiter, der die Funktion der Leiterelemente
1, 11, 21... in Figur 1 erfüllt. Auf der Oberseite des Substrates 1100 ist zunächst
die supraleitende Dünnfilmstruktur bestehend aus den Leitungselementen 1101, 1301,
1201, 1303, 1103... aufgebracht.
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Diese Leitungselemente haben die Funktion der Leitungselemente 2,
4, 5, 24, 22 in Figur 1. Auf den Stellen dieses ersten Metall films welche später
vom zweiten Metallfilm (gebildet von den Leitungselementen 1102, 1302, 1202....)
überlappt werden ist eine dünne Isolierschichte 1501, 1502, 1503... aufgebracht.
Es handelt sich dabei z.B. um eine o Oxidschichte von etwa 10 A Dicke. An Stelle
der Isolierschichte kann auch eine Schicht aus halbleitendem oder normalleitendem
Material (einige 10 A bis einige 100 A Dicke) verwendet werden. In allen diesen
Fällen bilden die Schichtenfolgen 1101-1501-1102 bzw. 1103-1502-1102 Josephson-Elemente
(entsprechend den Elementen 3 und 13 in Figur 1). Die Leitungselemente 1102, 1302,
1202... haben die gleiche Funktion wie die Leitungselemente 12, 14, 15.... in Figur
1.
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Die hier gezeigten Darstellungen sind aus Gründen der Anschaulichkeit
nicht maßstäblich. In praktischen Realisierungen sind die Dickenabmessungen wesentlich
verkleinert, ebenso ist die Anzahl der Josephson-Elemente pro Längeneinheit wesentlich
größer als aus den Zeichnungen hervorgeht.
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Eine weitere Erhöhung von Eingangs- und Ausgangsimpedanz ist durch
eingangs- und ausgangsseitige HF-mäßige Serienschaltung mehrerer solcher SJW-Verstärker
erzielbar.