DE69124892T2

DE69124892T2 - Supraleitender variabeler Phasenschieber

Info

Publication number: DE69124892T2
Application number: DE69124892T
Authority: DE
Inventors: Charles Morris Jackson; Arnold Herbert Silver; Andrew Donovan Smith
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1990-09-17
Filing date: 1991-08-20
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: US5153171A; EP0476839A2; DE69124892D1; JPH07105642B2; JPH04247701A; EP0476839B1; EP0476839A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft allgemein variable Zeitverzögerungsleitungen oder Phasenschieber und besonders variable Phasenschieber, die im Frequenzbereich von Mikrowellen und Millimeterwellen arbeiten.
Variable Zeitverzögerungsleitungen oder Phasenschieber werden in einer großen Auswahl elektronischer Geräte zum Steuern des Phasenverhältnisses von Signalen verwendet. Ein elektronisches Gerät, das sich stark auf Phasenschieber stützt, ist eine phasengesteuerte Antennenanordnung. Eine typische phasengesteuerte Antennenanordnung enthält eine ebene Anordnung von strahlenden Elementen und eine zugehörige Anordnung von Phasenschiebern. Die strahlenden Elemente erzeugen einen Strahl mit einer ebenen Wellenfront und die Phasenschieber variieren die Phasenfront des Strahls, um dessen Richtung und Gestalt zu steuern.
Phasenschieber können allgemein in eine von zwei Kategorien eingeordnet werden. Eine Kategorie von Phasenschiebern verwendet die variable Permeabilität von Ferriten zum Steuern der Phasenverschiebung von Signalen. Diese Art von Phasenschieber enthält typischerweise einen in einem rechtwinkligen Wellenleiter zentrierten dünnen Ferritstab. Ein durch eine um den Wellenleiter gewickelte Induktionsspule an den Ferritstab angelegtes Magnetfeld variiert die Permeabilität des Ferritstabs und steuert so die Ausbreitungsgeschwindigkeit oder die Phasenverschiebung von durch den Wellenleiter transportierten Signalen. Die andere Kategorie von Phasenschiebern verwendet unterschiedliche Signalweglängen, um die Phasenverschiebung von Signalen zu steuern. Diese Art von Phasenschieber enthält typischerweise eine Bank aus Dioden und Leiter verschiedener Länge, die durch die Dioden in den oder aus dem Signalweg geschaltet werden, und steuert so die Ausbreitungszeit oder Phasenverschiebung von durch die Leiter transportierten Signalen.
Obwohl beide Arten von Phasenschiebern weit verbreitet sind, hat jede bestimmte Beschränkungen, besonders bei Verwendung im Frequenzbereich von Mikrowellen und Millimeterwellen. Diese Beschränkungen beinhalten große Einfügungsverluste, hohe Leistungsanforderungen und begrenzte Frequenzbereiche und Bandbreiten. Folglich bestand der Bedarf nach einem verbesserten variablen Phasenschieber, der nicht unter diesen Beschränkungen leidet.
Die Verwendung supraleitender Streifenleitungen in variablen Phasenschiebern wurde von IBM in IBM Technical Disclosure Bulletin Vol 26 Nr. 11, April 1984, Seite 5831 vorgeschlagen. Ein Artikel von S. M. Farris mit dem Titel "Electronically Variable Superconducting Stripline" beschreibt, wie die charakteristische Impedanz von supraleitenden Streifenleitungen durch Injektion von Überschuß- Quasiteilchen variiert werden kann.
Die Verwendung von Josephson-Kontakten und supraleitenden Quanteninterferenzbauelementen in Mikrowellenempfängern wird in IEEE Transactions on Magnetics, Vol Mag -17, Nr. 1, Januar 1981 in einem Artikel auf den Seiten 822-825 diskutiert.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Verwendung von SQUIDs in einem variablen Phasenschieber.
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt einen supraleitenden variablen Phasenschieber zum Steuern der Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Phasenverschiebung von an den Phasenschieber angelegten Signalen bereit, der umfaßt:
eine Signalübertragungseinrichtung mit einer verteilten Induktivität; und
eine Einrichtung zum Variieren der verteilten Induktivität der Übertragungseinrichtung;
wobei die Variiereinrichtung die Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Phasenverschiebung der an den Phasenschieber angelegten Signale steuert;
dadurch gekennzeichnet, daß die Variiereinrichtung eine induktiv an die Signalübertragungseinrichtung gekoppelte supraleitende Quanteninterferenzeinrichtung (SQUID) mit variabler Induktivität umfaßt.
Die vorliegende Erfindung stellt somit einen supraleitenden variablen Phasenschieber mit verbesserter Leistungsfähigkeit im Frequenzbereich von Mikrowellen und Millimeterwellen bereit.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der supraleitende variable Phasenschieber eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung und eine Anordnung aus Einkontakt-SQUIDs, die parallel zu der Übertragungsleitung geschaltet sind und entlang deren Länge verteilt sind. Die Mikrostreifen-Übertragungsleitung enthält einen Linienleiter, eine Grundebene und eine zwischen dem Leiter und der Grundplatte befindliche dielektrische Schicht. Die Einkontakt-SQUIDs sind auf der oberen Fläche der Grundebene angeordnet und elektrisch parallel zu dieser geschaltet. Jeder der Einkontakt-SQUIDs enthält einen Josephson-Tunnelkontakt und eine um den Tunnelkontakt geschaltete supraleitende Schleife.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der supraleitende variable Phasenschieber eine Streifen-Übertragungsleitung und eine Anordnung aus Zweikontakt-SQUIDs, die parallel zu der Übertragungsleitung geschaltet sind und entlang deren Länge verteilt sind. Die Streifen-Übertragungsleitung enthält einen Linienleiter, obere und untere Grundebenen und zwischen dem Leiter und den Grundebenen befindliche obere und untere dielektrische Schichten. Die Zweikontakt-SQUIDs sind auf der oberen Fläche der unteren Grundebene angeordnet und elektrisch parallel zu dieser geschaltet. Jeder der Zweikontakt-SQUIDs enthält zwei Josephson-Tunnelkontakte und eine um die beiden Tunnelkontakte geschaltete supraleitende Schleife. Der Steuerstrom IDC wird durch eine Induktorspule induktiv in die Übertragungsleitung gekoppelt, statt direkt in die Übertragungsleitung eingespeist zu werden.
Der supraleitende variable Phasenschieber der vorliegenden Erfindung bietet eine kontinuierlich variierbare Zeitverzögerung oder Phasenverschiebung über eine große Signalbandbreite und einen weiten Frequenzbereich mit einem Einfügungsverlust von weniger als 1 dB. Der Phasenschieber erfordert weniger als ein Milliwatt Leistung und falls einer oder mehrere der Josephson-Kontakte ausfallen, bleibt die gesamte Vorrichtung betriebsbereit, da die SQUIDs parallel geschaltet sind. Der supraleitende variable Phasenschieber der vorliegenden Erfindung ist nicht nur bei phasengesteuerten Antennenanordnungen nützlich, sondern auch bei Interferometern, Überwachungsempfängern und der Mikrowellen-Signalverarbeitung. Der Phasenschieber kann auch in integrierten Schaltungen für Millimeterwellen, wie beispielsweise variablen Dämpfungsgliedern, Schaltern und Leistungsteilern verwendet werden.
Der supraleitende Phasenschieber der vorliegenden Erfindung kann auch in einem nichtlinearen Modus für große Hochfrequenzsignale arbeiten. Große Signale modulieren die Induktivität der SQUIDs selbst und stellen ein nichtlineares magnetisches Medium zur Erzeugung von Oberwellen der Hochfrequenzsignale bereit. Diese Betriebsart kann dazu verwendet werden, für diese großen Hochfrequenzsignale harmonische Antwort, Mischen und parametrische Verstärkung bereitzustellen.
Neben der Bereitstellung des Phasenschiebers selbst stellt die Erfindung auch ein Verfahren zum Steuern der Phasenverschiebung eines an eine Übertragungsleitung angelegten Signals bereit, mit den Schritten:
Anlegen eines Steuersignals an zur Übertragungsleitung gehörende Einrichtungen zum Variieren der verteilten Induktivität der Übertragungsleitung, dadurch Steuern der Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Phasenverschiebung von durch die Übertragungsleitung transportierten Signalen;
gekennzeichnet durch
Verteilen einer Gruppe von supraleitenden Quanteninterferenzbauelementen (SQUIDs) entlang der Länge einer Übertragungsleitung als die die Induktivität variierende Einrichtung und Parallelschalten der SQUIDs zu der Übertragungsleitung.
Aus dem vorangehenden wird erkannt werden, daß die vorliegende Erfindung einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der variablen Phasenschieber darstellt. Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen, ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine teilweise Schnittansicht eines supraleitenden variablen Phasenschiebers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine teilweise Draufsicht des in Figur 1 gezeigten supraleitenden variablen Phasenschiebers;
Figur 3 ist eine teilweise Schnittansicht eines supraleitenden variablen Phasenschiebers gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 4 ist ein Ersatzschaltbild des in Figur 1 gezeigten supraleitenden variablen Phasenschiebers.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wie in den Zeichnungen zum Zweck der Darstellung gezeigt, wird die vorliegende Erfindung von einem supraleitenden variablen Phasenschieber mit verbesserter Leistungsfähigkeit im Frequenzbereich von Mikrowellen und Millimeterwellen verkörpert. Variable Zeitverzögerungsleitungen oder Phasenschieber werden in einer großen Auswahl von elektronischen Geräten zum Steuern der Phasenverhältnisse von Signalen verwendet. Eine Kategorie von Phasenschiebern verwendet die variable Permeabilität von Ferriten, um die Phasenverschiebung von Signalen zu steuern, während eine andere Kategorie unterschiedliche Signalweglängen verwendet, um die Phasenverschiebung von Signalen zu steuern. Obwohl beide Arten von Phasenschiebern häufig verwendet werden, hat jede bestimmte Beschränkungen, besonders wenn sie im Frequenzbereich von Mikrowellen und Millimeterwellen verwendet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein supraleitender variabler Phasenschieber eine Übertragungsleitung und eine Anordnung aus supraleitenden Quanteninterferenzbauelementen (SQUIDs), die parallel zu Übertragungsleitung geschaltet sind und entlang deren Länge verteilt sind. Ein Steuergleichstrom IDC variiert die Induktivität der einzelnen SQUIDs und dadurch die verteilte Induktivität der Übertragungsleitung und steuert so die Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Phasenverschiebung von durch die Übertragungsleitung transportierten Signalen.
Wie in Figur 1 und 2 dargestellt, enthält ein supraleitender variabler Phasenschieber 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung 12 und eine Anordnung von Einkontakt-SQUIDs 14, die parallel zur Übertragungsleitung 12 geschaltet sind und entlang deren Länge verteilt sind. Ein Steuergleichstrom IDC auf der Leitung 16 variiert die Induktivität der einzelnen SQUIDs 14. Die Mikrostreifen-Übertragungsleitung 12 enthält einen Linienleiter 18, eine Grundebene 20 und eine zwischen dem Leiter 18 und der Grundebene 20 befindliche dielektrische Schicht 22. Die Einkontakt-SQUIDs 14 sind auf der oberen Fläche der Grundebene 20 angeordnet und elektrisch parallel zu dieser geschaltet.
Jeder der Einkontakt-SQUIDs 14 enthält einen Josephson-Tunnelkontakt 24 und eine um den Tunnelkontakt geschaltete supraleitende Schleife 26. Der Einkontakt-SQUID 14 weist ein periodisches und nichtlineares Verhältnis zwischen dem in die supraleitende Schleife eingebrachten Strom und dem ihn durchdringenden magnetischen Fluß auf. Folglich trägt jeder SQUID 14 abhängig von der Größe des Steuerstroms IDC eine variierende Menge von Flußquanten und deshalb Induktivität zur Übertragungsleitung 12 bei. Ein Anstieg des Steuerstroms IDC verringert die Induktivität jedes SQUID 14 und erhöht somit die Ausbreitungsgeschwindigkeit von durch die Übertragungsleitung 12 transportierten Signalen, während eine Verringerung des Steuerstroms die Induktivität jedes SQUID 14 erhöht und somit die Ausbreitungsgeschwindigkeit verringert.
Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild des supraleitenden variablen Phasenschiebers 10 der vorliegenden Erfindung. Die Übertragungsleitung 12 besitzt eine verteilte Induktivität, dargestellt durch eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Induktionsspulen 28 und eine verteilte Kapazität, dargestellt durch eine Vielzahl von zwischen den Linienleiter 18 und der Grundebene 20 geschalteten Kondensatoren 30. Jeder SQUID 14 enthält den Josephson-Tunnelkontakt 24, die supraleitende Schleife 26 und die Induktivität der supraleitenden Schleife, die durch eine in Reihe zum Josephson-Kontakt 24 geschaltete Induktionsspule 32 dargestellt wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines von der Übertragungsleitung 12 transportierten Signals hängt von der Induktivität und Kapazität pro Längeneinheit der Übertragungsleitung 12 ab. Die SQUIDs 14 beeinflussen die Kapazität der Übertragungsleitung nicht, sie wirken jedoch als variable Induktivitäten, wobei die Induktivität eines jeden SQUID 14 durch die Menge an Flußquanten bestimmt wird, die den SQUID durchdringen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie in Figur 3 gezeigt enthält ein supraleitender variabler Phasenschieber 10' eine Streifen- Übertragungsleitung 34 und eine Anordnung aus Zweikontakt- SQUIDS 14', die parallel zu der Übertragungsleitung 34 geschaltet sind und entlang deren Länge verteilt sind. Die Streifen-Übertragungsleitung 34 enthält den Linienleiter 18, obere und untere Grundebenen 20', 20 und obere und untere dielektrische Schichten 22', 22, die sich zwischen dem Leiter 18 und den Grundebenen 20', 20 befinden. Die Zweikontakt-SQUIDs 14' sind auf der oberen Fläche der unteren Grundebene 20 angeordnet und elektrisch parallel zu dieser geschaltet. Jeder der Zweikontakt-SQUIDs 14' enthält zwei Josephson-Tunnelkontakte 24 und eine um die beiden Tunnelkontakte geschaltete supraleitende Schleife 26'. Der Steuerstrom IDC wird durch eine Induktivität 36 induktiv in die Übertragungsleitung 34 gekoppelt statt über die Leitung 16 direkt in die Übertragungsleitung eingespeist zu werden.
In den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die SQUIDs 14, 14' unter Verwendung von Niedertemperatur-Supraleitermaterialien wie beispielsweise Niob (Nb) und herkömmlichen Herstelltechniken für planare Niedertemperatur-Supraleiter hergestellt. Es können jedoch auch sowohl Hochtemperatur-Supraleiter als auch andere Arten von schwachen Kopplungen wie beispielsweise Punktkontakte, Mikrobrücken und granulare Filme verwendet werden. Die Übertragungsleitung kann jedes Übertragungsmedium sein, das steuerbar elektromagnetische Wellen transportiert, einschließlich Koaxialkabel.
Der supraleitende variable Phasenschieber der vorliegenden Erfindung bietet eine kontinuierlich variable Zeitverzögerung oder Phasenverschiebung über eine große Signalbandbreite und über einen weiten Frequenzbereich mit einem Einfügungsverlust von weniger als 1 dB. Der Phasenschieber erfordert weniger als ein Milliwatt Leistung und falls einer oder mehrere der Josephson-Kontakte ausfallen, bleibt die gesamte Vorrichtung betriebsbereit, da die SQUIDs parallel geschaltet sind. Der supraleitende variable Phasenschieber der vorliegenden Erfindung ist nicht nur bei phasengesteuerten Antennenanordnungen, sondern auch in Interferometern, Überwachungsempfängern und in der Mikrowellen- Signalverarbeitung nützlich. Der Phasenschieber kann auch in integrierten Schaltungen für Millimeterwellen wie variablen Dämpfungsgliedern, Schaltern und Leistungsteilern verwendet werden.
Der supraleitende Phasenschieber der vorliegenden Erfindung kann auch in einem nichtlinearen Modus für große Hochfrequenzsignale arbeiten. Große Signale modulieren die Induktivität der SQUIDS 14, 14' selbst und stellen ein nichtlineares magnetisches Medium zu Erzeugen von Oberwellen der Hochfrequenzsignale bereit. Diese Betriebsart kann verwendet werden, um harmonische Antwort, Mischen und parametrische Verstärkung für diese großen Hochfrequenzsignale bereitzustellen.
Aus dem vorangehenden wird erkannt werden, daß die vorliegende Erfindung einen bedeutenden Fortschritt im Bereich variabler Phasenschieber darstellt.

Claims

1. Supraleitender variabler Phasenschieber zum Steuern der Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Phasenverschiebung von an den Phasenschieber angelegten Signalen, der umfaßt:

eine Signalübertragungseinrichtung (12) mit einer verteilten Induktivität; und

eine Einrichtung zum Variieren der verteilten Induktivität der Übertragungseinrichtung;

wobei die Variiereinrichtung die Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Phasenverschiebung der an den Phasenschieber angelegten Signale steuert;

dadurch gekennzeichnet, daß die Variiereinrichtung eine induktiv an die Signalübertragungseinrichtung gekoppelte supraleitende Quanteninterferenzeinrichtung (SQUID) mit variabler Induktivität umfaßt.

2. Der supraleitende variable Phasenschieber wie in Anspruch 1, bei dem die Übertragungseinrichtung eine Streifen-Übertragungsleitung ist.

3. Der supraleitende variable Phasenschieber wie in Anspruch 2, bei dem die Signalübertragungseinrichtung eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung (12) ist.

4. Supraleitender variabler Phasenschieber wie in Anspruch 2 oder 3, der eine Anordnung von supraleitenden Quanteninterferenzbauelementen (SQUIDs) (14, 14') enthält, die parallel zu der Übertragungsleitung (12) geschaltet und entlang deren Länge verteilt sind, wobei jeder SQUID eine variable Induktivität besitzt;

bei dem ein Steuergleichstrom an die SQUIDS angelegt wird, um deren Induktivität und dadurch die verteilte Induktivität der Übertragungsleitung (12) zu variieren.

5. Der supraleitende variable Phasenschieber wie in Anspruch 4, bei dem die Übertragungsleitung eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung (12) ist, wobei die Mikrostreifen- Übertragungsleitung enthält:

einen Linienleiter (18);

eine Grundebene (20); und

eine zwischen dem Leiter und der Grundebene befindliche dielektrische Schicht (22);

wobei die SQUIDs (14) auf der oberen Fläche der Grundebene (20) angeordnet sind und elektrisch parallel zu dieser geschaltet sind.

6. Der supraleitende variable Phasenschieber wie in Anspruch 5, bei dem die SQUIDs Einkontakt-SQUIDs sind, wobei jeder Einkontakt-SQUID enthält:

einen auf der Grundebene angeordneten Josephson- Tunnelkontakt (24); und

eine zwischen den Tunnelkontakt und die Grundebene (20) geschaltete supraleitende Schleife (26).

7. Der supraleitende variable Phasenschieber wie in Anspruch 5, bei dem die SQUIDs (14) Zweikontakt-SQUIDs sind, wobei jeder Zweikontakt-SQUID enthält:

zwei auf der Grundebene angeordnete Josephson-Tunnelkontakte (24); und

eine zwischen die beiden Tunnelkontakte geschaltete supraleitende Schleife (26).

8. Der supraleitende variable Phasenschieber wie in Anspruch 4, bei dem die Übertragungsleitung eine Streifen- Übertragungsleitung (12) ist, wobei die Streifen-Übertragungsleitung enthält:

einen Linienleiter (18);

obere und untere Grundebenen (20, 20'); und zwischen dem Leiter (18) und den oberen und unteren Grundebenen (20, 20') befindliche obere und untere dielektrische Schichten (22, 22');

wobei die SQUIDs (14) auf der oberen Fläche der unteren Grundebene (20) angeordnet sind und elektrisch parallel zu dieser geschaltet sind.

9. Der supraleitende variable Phasenschieber wie in Anspruch 8, bei dem die SQUIDs (14) Einkontakt-SQUIDs sind, wobei jeder Einkontakt-SQUID enthält:

einen auf der unteren Grundebene angeordneten Josephson-Tunnelkontakt (24); und

eine zwischen den Tunnelkontakt (24) und die untere Grundebene (20) geschaltete supraleitende Schleife (26).

10. Der supraleitende variable Phasenschieber wie in Anspruch 8, bei dem die SQUIDs Zweikontakt-SQUIDs sind, wobei jeder Zweikontakt-SQUID enthält:

zwei auf der Grundebene angeordnete Josephson-Tunnelkontakte (24); und

eine zwischen die beiden Tunnelkontakte geschaltete supraleitende Schleife (26').

11. Der supraleitende variable Phasenschieber nach jedem der Ansprüche 3 bis 10, bei dem große Hochfrequenzsignale die Induktivität der SQUIDs und dadurch die verteilte Induktivität der Übertragungsleitung (12) selbst modulieren und so ein nichtlineares magnetisches Medium für die großen Hochfrequenzsignale bereitstellen.

12. Der supraleitende variable Phasenschieber nach jedem der Ansprüche 3 bis 11, der weiter eine Induktorspule (28, 36) zum induktiven Koppeln des Steuergleichstroms an die Übertragungsleitung (12) enthält.

13. Verfahren zur Steuerung der Phasenverschiebung eines an eine Übertragungsleitung angelegten Signals mit den Schritten:

Anlegen eines Steuersignals an eine zur Übertragungsleitung (12) gehörende Einrichtung zum Variieren der verteilten Induktivität der Übertragungsleitung und somit Steuern der Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Phasenverschiebung von durch die Übertragungsleitung transportierten Signalen;

gekennzeichnet

durch Verteilen einer Gruppe von supraleitenden Quanteninterferenzbauelementen (SQUIDs) (14) entlang der Länge einer Übertragungsleitung (12) als die Induktivität variierende Einrichtung und Parallelschalten der SQUIDs zur Übertragungsleitung (12).

14. Verfahren wie in Anspruch 13, bei dem das Steuersignal ein Steuergleichstrom ist.