RU2353051C2 - Superconducting wide-band shf amplifier - Google Patents

Superconducting wide-band shf amplifier Download PDF

Info

Publication number
RU2353051C2
RU2353051C2 RU2007121005/09A RU2007121005A RU2353051C2 RU 2353051 C2 RU2353051 C2 RU 2353051C2 RU 2007121005/09 A RU2007121005/09 A RU 2007121005/09A RU 2007121005 A RU2007121005 A RU 2007121005A RU 2353051 C2 RU2353051 C2 RU 2353051C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
squids
squid
segment
chain
magnetic field
Prior art date
Application number
RU2007121005/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007121005A (en
Inventor
Виктор Константинович Корнев (RU)
Виктор Константинович Корнев
Игорь Игоревич Соловьев (RU)
Игорь Игоревич Соловьев
Николай Викторович Кленов (RU)
Николай Викторович Кленов
Original Assignee
Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова filed Critical Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова
Priority to RU2007121005/09A priority Critical patent/RU2353051C2/en
Publication of RU2007121005A publication Critical patent/RU2007121005A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2353051C2 publication Critical patent/RU2353051C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to cryogenic radio engineering. Superconducting wide-band SHF amplifier includes a chain of segments consisting from two-contact squids for generating periodic triangle-shaped voltage response depending on magnetic field shift value. The above segments are made up from squid groups with similar effective squares. The shift current is selected based on the condition that sinusoidal voltage response of the single squid is ensured depending on the magnetic field shift value.
EFFECT: increased level of output signal and amplification linearity factor due to multi-element Josephson structures consisting from serial connection of squids.
7 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной радиотехнике, а именно к усилителям радиочастотного диапазона, и может быть использовано для усиления электрических сигналов в гигагерцовом диапазоне частот.The invention relates to cryogenic radio engineering, in particular to amplifiers of the radio frequency range, and can be used to amplify electrical signals in the gigahertz frequency range.

Радиочастотные усилители на основе сверхпроводящих двухконтактных квантовых интерферометров (двухконтактных сквидов) имеют высокую чувствительность и обладают низкой шумовой температурой (TN=1…3 K), совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами.Radio-frequency amplifiers based on superconducting two-contact quantum interferometers (two-contact squids) have high sensitivity and low noise temperature (T N = 1 ... 3 K), are compatible with other superconducting devices.

Существуют две проблемы, затрудняющие переход к более высоким частотам сигналов 1-10 ГГц при сохранении столь же высоких показателей по усилению и шумовой температуре, делающих эти усилители конкурентоспособными с полупроводниковыми усилителями на транзисторах с высокой электронной подвижностью. Во-первых, сквид-усилители являются особым видом параметрических усилителей, в которых усиление мощности сигнала на его частоте FS происходит путем преобразования сигнала на частоту FS+FJ, где FJ - частота джозефсоновской генерации, и последующего преобразования вниз, снова на частоту сигнала. Исходя из соотношений Мэн-ли-Роу, коэффициент усиления по мощности, G, такого усилителя не превышает:There are two problems that make it difficult to switch to higher frequencies of 1-10 GHz signals while maintaining the same high gain and noise temperature, making these amplifiers competitive with semiconductor amplifiers based on transistors with high electronic mobility. Firstly, squid amplifiers are a special type of parametric amplifiers in which the signal power at its frequency F S is amplified by converting the signal to the frequency F S + F J , where F J is the frequency of the Josephson generation, and then converting it down to signal frequency. Based on the Man-Lee-Rowe ratios, the power gain, G, of such an amplifier does not exceed:

Figure 00000001
Figure 00000001

Поэтому джозефсоновские переходы сквида должны обладать высоким характеристическим напряжением VC, чтобы предельная частота FC джозефсоновской генерацииTherefore, Josephson squid transitions must have a high characteristic voltage V C , so that the limiting frequency F C of Josephson generation

Figure 00000002
Figure 00000002

0 - квант магнитного потока, равный 2,07×10-15 Вб), была на несколько порядков выше частоты FS сигнала. Для сквидов на основе Nb джозефсоновских переходов типичные значения VC не превышают 100-200 мкВ, соответственно, значения FC не превышают 100 ГГц. Типичные значения FJ в рабочей точке примерно на порядок меньше FC и, как видно из формулы (1), усиление исчезает для сигналов с частотой порядка 10 ГГц. Соответственно, ухудшаются и шумовые характеристики усилителя.0 - magnetic flux quantum equal to 2.07 × 10 -15 VB), was several orders of magnitude higher than the signal frequency F S. For Squids based on Nb Josephson junctions, typical V C values do not exceed 100-200 μV, respectively, F C values do not exceed 100 GHz. Typical values of F J at the operating point are approximately an order of magnitude smaller than F C and, as can be seen from formula (1), the gain disappears for signals with a frequency of the order of 10 GHz. Accordingly, the noise characteristics of the amplifier are also deteriorating.

Второй проблемой для СВЧ-усилителей на основе классических сквидов в частотном диапазоне выше 0,1 ГГц является нелинейный вид вольт-полевого отклика напряжения на задаваемое извне магнитное поле. В мегагерцевом диапазоне частот эти задачи решаются посредством введения эффективной компенсирующей обратной связи, что практически невозможно осуществить в гигагерцовом диапазоне частот.The second problem for microwave amplifiers based on classical squids in the frequency range above 0.1 GHz is the non-linear form of the voltage-voltage response to the external magnetic field. In the megahertz frequency range, these problems are solved by introducing effective compensating feedback, which is almost impossible to implement in the gigahertz frequency range.

Описаны различные конструкции и схемотехнические решения сверхпроводниковых усилителей СВЧ-диапазона. В частности, описана схема согласованного усилителя на сквиде с нагрузкой для диапазона до 0,1 ГГц (JP 60247311, Noguchi, оп. 07.12.1985). Однако как рабочий диапазон частот, так и линейность преобразования для усилителей на одиночном сквиде недостаточны для современных приложений.Various designs and circuitry solutions for microwave superconductors are described. In particular, a scheme is described for a matched squid amplifier with a load for the range up to 0.1 GHz (JP 60247311, Noguchi, op. 07.12.1985). However, both the operating frequency range and the linearity of conversion for single-squid amplifiers are insufficient for modern applications.

Для улучшения характеристик предлагалось перейти к усилителям, содержащим большое количество взаимосвязанных сквидов. Последовательная цепочка из регулярно расположенных одинаковых двухконтактных сквидов может быть использована в качестве основного элемента для усиления цифрового или аналогового сигнала, а также в качестве детектора магнитного поля. Нерегулярная цепочка сквидов, имеющих произвольные площади и ориентации интерферометров, представляет собой так называемые сверхпроводящие квантовые интерференционные фильтры (СКИФы), которые также могут использоваться при построении СВЧ-усилителей. Особенность СКИФа вытекает из нерегулярности его структуры: он позволяет получить один центральный максимум вольт-полевого отклика в нуле внешнего магнитного поля.To improve performance, it was proposed to switch to amplifiers containing a large number of interconnected squids. A serial chain of regularly located identical two-contact squids can be used as the main element for amplifying a digital or analog signal, and also as a magnetic field detector. An irregular chain of squids having arbitrary areas and orientations of interferometers is the so-called superconducting quantum interference filters (SKIFs), which can also be used in the construction of microwave amplifiers. A specific feature of SKIF follows from the irregularity of its structure: it allows one to obtain one central maximum of the voltage-field response at zero external magnetic field.

Так, в изобретении (DE 3936686, Hoenig, 08.05.1991) описан усилитель на матрице сквидов, охлаждаемой жидким азотом, в тонкопленочном варианте, однако указывается, что он может работать до частот 100 МГц. В изобретении (US 6005380, Hubbell Stephen, 21.12.1999) описан усилитель для высокочувствительной антенны с использованием магнито-связанных сквидов, образующих многоэлементную матрицу. Однако такое устройство предназначено для работы в существенно более узком диапазоне частот и характеризуется относительно низкой предельной рабочей частотой - 516 МГц.So, in the invention (DE 3936686, Hoenig, 05/08/1991) a thin-film version of an amplifier based on a squid matrix cooled by liquid nitrogen is described, however, it is indicated that it can operate up to frequencies of 100 MHz. The invention (US 6005380, Hubbell Stephen, 12/21/1999) describes an amplifier for a highly sensitive antenna using magnetically coupled squids forming a multi-element matrix. However, such a device is designed to operate in a significantly narrower frequency range and is characterized by a relatively low limit operating frequency of 516 MHz.

Для создания усилителя электрических сигналов с большими значениями выходного тока предлагалось использовать набор параллельно соединенных сквидов постоянного тока (JP 2003209299, Morooka et al., 25.07.2003). Однако это предложение также не рассчитано на работу в гигагерцовом диапазоне.To create an electric signal amplifier with large output currents, it was proposed to use a set of parallel-connected DC squids (JP 2003209299, Morooka et al., July 25, 2003). However, this proposal is also not designed to operate in the GHz range.

В изобретении (US 7095227 В2, Tarutani et al., 22,08.2006) описан усилитель на последовательной цепочке сквидов, позволяющий использовать для питания источник постоянного тока и занимающий малую площадь. Однако такое устройство позволяет достичь лишь относительно малой линейности усиления сигнала, не превышающей линейность усиления для одиночного сквида.In the invention (US 7095227 B2, Tarutani et al., 22.08.2006), an amplifier based on a sequential squid chain is described, which makes it possible to use a direct current source and occupying a small area. However, such a device allows to achieve only a relatively small linear gain of the signal, not exceeding the linear gain for a single squid.

Описаны конструкции усилителей-драйверов на основе многоэлементных цепочек из сквидов для диапазона частот до десятка ГГц, преобразующие БОК-импульсы на входе в импульсы напряжения на выходе, величина которых достаточна для дальнейшего использования в цепях полупроводниковой электроники. В изобретении (US 6486756 В2, Tarutani et al., 26.11.2002) цепочка сквидов разбита на изолированные от земли пары. Такое решение позволяет уменьшить паразитные емкости и увеличить предельное быстродействие усилителя, однако усилители-драйверы годятся лишь для цифровых применений и не могут быть использованы для усиления аналогового сигнала. Еще одним примером такого усилителя для БОК-логики является изобретение (US 6917216 В2, Herr Quentin, 14.10.2004). Принцип его действия основан на разделении и последовательности отражений используемого БОК-импульса для получения достаточных значений выходных импульсов напряжения. Но и это предложение рассчитано исключительно на применение в цифровых устройствах.The design of driver amplifiers based on multi-element chains of squids for the frequency range up to a dozen GHz is described, which converts BOC pulses at the input to output voltage pulses, the value of which is sufficient for further use in semiconductor electronics circuits. In the invention (US 6,486,756 B2, Tarutani et al., 11/26/2002) the chain of squid is divided into pairs isolated from the earth. This solution allows to reduce stray capacitance and increase the maximum speed of the amplifier, however, driver amplifiers are suitable only for digital applications and cannot be used to amplify an analog signal. Another example of such an amplifier for BOC logic is the invention (US 6917216 B2, Herr Quentin, 10/14/2004). The principle of its operation is based on the separation and sequence of reflections of the used BOC pulse to obtain sufficient values of the output voltage pulses. But this proposal is designed exclusively for use in digital devices.

Параллельная цепочка сквидов переменной площади (СКИФ-структура) в качестве высокочувствительного магнетометра описана (WO 0125805, Schopohl et al., 12.04.2001; WO 2004114463, Oppenlaender J. et al., 29.12.2004). Однако СВЧ-усилитель на основе параллельной СКИФ-структуры не обеспечивает необходимой линейности усиления сигнала и не позволяет, ко всему прочему, добиться значительных значений сигнала на выходе. Недостаточно высокая линейность усиления сигнала характеризует и усилитель на основе последовательной СКИФ-структуры.A parallel chain of variable area squid (SKIF structure) as a highly sensitive magnetometer is described (WO 0125805, Schopohl et al., 04/12/2001; WO 2004114463, Oppenlaender J. et al., 29.12.2004). However, the microwave amplifier based on the parallel SKIF structure does not provide the necessary linear amplification of the signal and does not allow, among other things, to achieve significant values of the output signal. An insufficiently high linearity of signal amplification is also characteristic of an amplifier based on a consecutive SKIF structure.

Наиболее близким по совокупности признаков к патентуемому усилителю является сверхпроводящий широкополосный СВЧ-усилитель, содержащий подключенную к входной и выходной сверхпроводящим линиям последовательную цепочку двухконтактных сквидов, связанных со средствами задания рабочих режимов тока и магнитного поля (JP 10028021, TAKEDA et al., 27.01.1998 - ближайший аналог).The closest set of features to the patented amplifier is a superconducting broadband microwave amplifier containing a series chain of two-contact squids connected to input and output superconducting lines associated with means for setting the operating current and magnetic field modes (JP 10028021, TAKEDA et al., January 27, 1998 - the closest analogue).

Анализ уровня техники, в том числе и ближайшего аналога, показывает, что невысокая линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала остается общим недостатком конструкций всех усилителей, выполненных как на низкотемпературных металлических, так и на высокотемпературных оксидных сверхпроводниках и реализованных как на основе регулярных цепочек сквидов, так и нерегулярных СКИФ-структур.An analysis of the prior art, including the closest analogue, shows that the low linearity of the voltage response to the magnetic component of the electromagnetic signal remains a common drawback of the designs of all amplifiers made both on low-temperature metal and on high-temperature oxide superconductors and implemented both on the basis of regular chains of squid and irregular SKIF structures.

Задачей изобретения является конструкция СВЧ-усилителя на основе линейных цепочек сквидов постоянного тока, имеющего повышенный коэффициент усиления и высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала в полосе частот 1-10 ГГц.The objective of the invention is the design of a microwave amplifier based on linear chains of direct current squid, having a high gain and high linearity of the voltage response to the magnetic component of the electromagnetic signal in the frequency band 1-10 GHz.

Решение задачи состоит в том, что сверхпроводящий широкополосный СВЧ-усилитель содержит входной элемент, предназначенный для подачи СВЧ-сигнала и преобразования его в магнитный поток, воздействующий на последовательную цепочку двухконтактных сквидов, источник постоянного тока смещения, средство задания режима магнитного поля смещения, подключенное индуктивным образом к каждому из сквидов указанной цепочки сквидов, которая подключена к указанному выходному элементу таким образом, чтобы получить на нем суммарное изменение напряжения с указанной последовательной цепочки сквидов, образованной из сегментов, каждый из которых выполнен с возможностью формирования периодического отклика напряжения на величину магнитного поля смещения, заданного указанным средством задания магнитного поля смещения.The solution to the problem is that the superconducting broadband microwave amplifier contains an input element for supplying a microwave signal and converting it into a magnetic flux acting on a serial chain of two-contact squids, a bias constant current source, an inductive bias magnetic field mode setting means image to each of the squids of the indicated squid chain, which is connected to the specified output element in such a way as to obtain the total voltage change on it from the specified sequential chain of squids formed from segments, each of which is configured to generate a periodic voltage response to the magnitude of the magnetic displacement field specified by the specified means of defining the magnetic displacement field.

Каждый из сегментов состоит из групп сквидов с одинаковыми эффективными площадями Skn, удовлетворяющими условию:Each of the segments consists of groups of squids with the same effective areas S kn satisfying the condition:

Skn=n·Sk1,S kn = n · S k1 ,

где Skn - эффективная площадь сквидов n-ой группы в k-сегменте;where S kn is the effective area of the squids of the n-th group in the k-segment;

Sk1 - эффективная площадь сквидов в первой группе k-сегмента;S k1 is the effective area of squids in the first group of the k-segment;

k=1, 2…K - номер сегмента в цепочке;k = 1, 2 ... K is the number of the segment in the chain;

n=1, 2…N - номер группы в сегменте,n = 1, 2 ... N - group number in the segment,

при этом величина тока смещения источника постоянного тока выбрана из условия обеспечения синусоидального отклика напряжения единичного сквида от величины магнитного поля B смещения, и отклик напряжения n-ой группы k-го сегмента от величины магнитного поля В смещения удовлетворяет условию:the bias current of the direct current source is selected from the condition of providing a sinusoidal response of the voltage of a single squid from the magnitude of the bias magnetic field B, and the voltage response of the nth group of the kth segment from the magnitude of the bias magnetic field B satisfies the condition:

Figure 00000003
, мВ,
Figure 00000003
mV

где m - число сквидов в n-ой группе, принадлежащей k-му сегменту; V0 - амплитуда синусоидального отклика единичного сквида; ωk=2πSk10; Ф0=2,07×10-15 Вб; ΔВ - наперед заданная величина диапазона изменения поля В смещения, в котором обеспечивается линейность усиления, мТл; А - постоянная, определяемая экспериментальным путем, мВ.where m is the number of squids in the nth group belonging to the kth segment; V 0 is the amplitude of the sinusoidal response of a single squid; ω k = 2πS k1 / Φ 0 ; Ф 0 = 2.07 × 10 -15 Wb; ΔВ is the predetermined value of the range of variation of the bias field B, in which the gain linearity is provided, mT; A is the constant determined experimentally, mV.

Устройство может характеризоваться тем, что число сегментов в цепочке составляет по меньшей мере два, а также тем, что число сквидов в группе составляет 1-100, а также и тем, что число групп сквидов в сегменте составляет 50-100.The device can be characterized in that the number of segments in the chain is at least two, and also in that the number of squids in the group is 1-100, and also in that the number of squid groups in the segment is 50-100.

Устройство может характеризоваться и тем, что периодический отклик напряжения на величину магнитного поля смещения устанавливают общим для всех сегментов, а период отклика (BT)k для k-го сегмента устанавливают в соответствии с условием (ВT)k0/Sk1.The device can be characterized by the fact that the periodic voltage response to the magnitude of the displacement magnetic field is set common to all segments, and the response period (B T ) k for the k-th segment is set in accordance with the condition (B T ) k = Ф 0 / S k1 .

Устройство может характеризоваться, кроме того, тем, что величины площадей Sk1 для разных сегментов не являются кратными и выбраны из условия:The device can be characterized, in addition, by the fact that the area values S k1 for different segments are not multiple and are selected from the condition:

Ф0/2ΔВ≥Sk1≥0.01Ф0/2ΔВ.Ф 0 / 2ΔВ≥S k1 ≥0.01 Ф 0 / 2ΔВ.

Устройство может характеризоваться также тем, что указанные входной и выходной элементы выполнены в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи, при этом один из контактов каждого сквида цепочки включен в разрыв одного из полосков выходной линии.The device can also be characterized by the fact that the specified input and output elements are made in the form of a superconducting strip transmission line, while one of the contacts of each squid of the chain is included in the gap of one of the strips of the output line.

Технический результат изобретения состоит в повышении уровня выходного сигнала и линейности закона преобразования входного магнитного сигнала в изменения напряжения на выходном элементе за счет использования многоэлементных джозефсоновских структур, состоящих из последовательно соединенных сквидов, конструкция и характеристики которых в цепочке подобраны определенным образом, описанным в изобретении.The technical result of the invention is to increase the level of the output signal and the linearity of the law of conversion of the input magnetic signal to voltage changes at the output element through the use of multi-element Josephson structures consisting of series-connected squids, the design and characteristics of which in the chain are selected in a certain way described in the invention.

Сложение откликов от составляющих такую цепочку сквидов как раз и позволяет достигнуть требуемого уровня усиления. Улучшение эксплуатационных характеристик предлагаемой структуры достигается, в том числе, и за счет того, что ее отклик от магнитного поля не периодичен, а имеет один ярко выраженный максимум в нуле поля.The addition of responses from the components of such a chain of squids just allows you to achieve the desired level of gain. Improving the operational characteristics of the proposed structure is achieved, inter alia, due to the fact that its response from the magnetic field is not periodic, but has one pronounced maximum at the zero field.

Существо изобретения поясняется на чертежах, гдеThe invention is illustrated in the drawings, where

на фиг.1 представлена структурная схема патентуемого усилителя;figure 1 presents the structural diagram of the patented amplifier;

на фиг.2 проиллюстрирован принцип построения цепочки;figure 2 illustrates the principle of constructing a chain;

на фиг.3 представлено распределение числа сквидов с синусоидальным откликом по значениям их эффективной площади для формирования результирующего периодического отклика;figure 3 shows the distribution of the number of squids with a sinusoidal response according to the values of their effective area for the formation of the resulting periodic response;

на фиг.4 - непериодический (а) и периодические (б, в) отклики напряжения от приложенного магнитного поля смещения, соответствующие непрерывному и дискретным распределениям, показанным на фиг.3;in Fig.4 - non-periodic (a) and periodic (b, c) voltage responses from the applied magnetic displacement field corresponding to the continuous and discrete distributions shown in Fig.3;

на фиг.5 - принцип формирования дискретного спектра посредством групп сквидов с одинаковыми эффективными площадями;figure 5 - the principle of formation of a discrete spectrum through groups of squids with the same effective areas;

на фиг.6 - зависимость линейности отклика от числа групп в сегменте;figure 6 - dependence of the linearity of the response on the number of groups in the segment;

на фиг.7 показана схема усилителя с использованием сверхпроводящей полосковой линии передачи,7 shows an amplifier circuit using a superconducting strip transmission line,

на фиг.8 - то же, что на фиг.7, увеличена область, где находится включенный в выходную линию сквид.in Fig.8 - the same as in Fig.7, the area where the squid included in the output line is located is enlarged.

Структурная схема патентуемого усилителя показана на фиг.1. Сверхпроводящий широкополосный СВЧ-усилитель содержит подключенную к входному 10 и выходному 20 элементам последовательную цепочку 30 двухконтактных сквидов 32. Входной элемент 10 содержит цепь 11 индуктивных элементов 12 по числу сквидов 32, имеющих по два джозефсоновских перехода 33. Цепочка 30 подключена к источнику 40 постоянного тока смещения и средству 50 задания режима магнитного поля смещения. Средство 50 представляет собой источник постоянного тока 52, к которому подключены индуктивные элементы 54, каждый из которых связан с единичным сквидом 32. Смещение рабочей точки сквидов 32 может осуществляться и с помощью индуктивных элементов 12, в этом случае источник 52 должен быть включен в цепь 11 индуктивных элементов 12.The block diagram of the patented amplifier is shown in figure 1. The superconducting broadband microwave amplifier contains a series circuit 30 of two-contact squids 32 connected to the input 10 and output 20 elements. The input element 10 contains a circuit 11 of inductive elements 12 according to the number of squids 32 having two Josephson junctions 33. The chain 30 is connected to a direct current source 40 bias and means 50 for setting the bias magnetic field mode. The tool 50 is a direct current source 52, to which inductive elements 54 are connected, each of which is connected to a single squid 32. The offset of the operating point of the squid 32 can also be carried out using inductive elements 12, in which case the source 52 must be connected to circuit 11 inductive elements 12.

На фиг.2 показан принцип построения цепочки 30. Сквиды 32, содержащие два джозефсоновских перехода 33, образующие цепочку 30, соединены последовательно электрическим образом и составляют K сегментов 300.Figure 2 shows the principle of constructing the chain 30. Squids 32 containing two Josephson junctions 33 forming a chain 30 are connected in series electrically and comprise K segments 300.

Каждый из сегментов 300 состоит из Nk групп 310 сквидов с одинаковыми эффективными площадями Skn (k=1, 2…K - номер сегмента в цепочке; n=1, 2…N - номер группы в сегменте), удовлетворяющими условию Skn=n·Sk1, где Skn - эффективная площадь сквидов n-ой группы в k-ом сегменте; Sk1 - эффективная площадь сквидов в первой группе k-го сегмента. Под признаком «эффективная площадь сквида» понимается отношение величины попавшего в сквид магнитного потока Ф к величине индукции прикладываемого к сквиду магнитного поля В.Each of the segments 300 consists of N k groups of 310 squids with the same effective areas S kn (k = 1, 2 ... K is the number of the segment in the chain; n = 1, 2 ... N is the number of the group in the segment) satisfying the condition S kn = n · S k1 , where S kn is the effective area of the squids of the nth group in the kth segment; S k1 - effective squid area in the first group of the k-th segment. The sign "effective area of a squid" is understood as the ratio of the magnitude of the magnetic flux Ф that fell into the squid to the magnitude of the induction applied to the squid of the magnetic field B.

Каждая из групп 310 состоит из m сквидов 32. Эффективные площади Skn сквидов 32 в группах 310 k-го сегмента 300 кратны площади Sk1 сквидов 32 в первой группе 312.Each of the groups 310 consists of m squids 32. The effective areas S kn of the squids 32 in the groups 310 of the kth segment 300 are multiples of the areas S k1 of the squids 32 in the first group 312.

Для того, чтобы обеспечить достаточно высокую линейность усиления в гигагерцовом диапазоне частот, где неприменимы стандартные способы увеличения линейности усиления за счет использования систем обратной связи, необходимо с высокой точностью обеспечить периодический отклик V(B) усилителя от магнитного поля в смещения с единственным максимумом в нуле поля. Соответственно, проводится подбор тока смещения сквидов 32 для обеспечения синусоидального отклика напряжения с амплитудой V0 единичного сквида от магнитного поля В смещения. Далее, K сегментов 300, в соответствии с патентуемым изобретением, должны иметь периодический отклик напряжения сегмента от магнитного поля В смещения. Периодический отклик напряжения устанавливают общим для всех сегментов 300, а период отклика (ВT)k для k-го сегмента устанавливают в соответствии с условием (BT)k0/Sk1, Ф0=2,07×10-15 Вб.In order to ensure a sufficiently high gain linearity in the gigahertz frequency range, where standard methods for increasing gain linearity due to the use of feedback systems are not applicable, it is necessary to ensure a high accuracy of the periodic V (B) response of the amplifier from the magnetic field to biases with a single maximum at zero fields. Accordingly, the bias current of the squid 32 is selected to provide a sinusoidal voltage response with an amplitude V 0 of a single squid from the magnetic field B bias. Further, K segments 300, in accordance with the patented invention, must have a periodic response of the voltage of the segment from the magnetic field B bias. The periodic voltage response is set common for all segments 300, and the response period (V T ) k for the k-th segment is set in accordance with the condition (B T ) k = Ф 0 / S k1 , Ф 0 = 2.07 × 10 -15 Wb

Рекомендуемое число K сегментов 300 составляет порядка десяти, но получить периодический отклик, имеющий множество максимумов, помимо основного, в нуле поля принципиально возможно и с помощью даже одного сегмента.The recommended number K of segments 300 is of the order of ten, but it is fundamentally possible to obtain a periodic response that has many peaks, in addition to the main one, at the zero field using even one segment.

На фиг.3 и 4 представлены графики, поясняющие физические принципы, лежащие в основе настоящего изобретения. Цепочка сквидов образована из сегментов, каждый из которых обеспечивает формирование периодического отклика напряжения на величину магнитного поля смещения V(B), заданного указанным средством задания магнитного поля смещения, причем линейные участки периодической кусочно-заданной функции V(B) образуют периодический «треугольный» отклик, представленный на фиг.4 б, в.Figures 3 and 4 are graphs explaining the physical principles underlying the present invention. The squid chain is formed of segments, each of which provides the formation of a periodic voltage response to the magnitude of the bias magnetic field V (B) specified by the specified means of setting the bias magnetic field, and the linear sections of the periodic piecewise-defined function V (B) form a periodic “triangular” response presented in Fig.4 b, c.

По оси абсцисс на фиг.3 отложено распределение групп 310 по площадям Skn сквидов 32, а по оси ординат - количество m элементов в группе, обеспечивающее формирование периодического отклика напряжения k-го сегмента 300 от магнитного поля 6. Непрерывный спектр, показанный поз.60, соответствует отклику (а) на фиг.4. Дискретные спектры поз.62 соответствует отклику (б), а спектр поз.64 - отклику (в).On the abscissa axis in FIG. 3, the distribution of groups 310 is plotted over the areas S kn of squids 32, and on the ordinate axis is the number m of elements in the group, which ensures the formation of a periodic voltage response of the kth segment 300 from magnetic field 6. The continuous spectrum shown in pos. 60 corresponds to response (a) in FIG. The discrete spectra of pos. 62 correspond to response (b), and the spectrum of pos. 64 corresponds to response (c).

На фиг.5 пояснен принцип, позволяющий обеспечить необходимую величину отклика группы 310: количество m сквидов 32 в n-ой группе, принадлежащей k-му сегменту, выбрано в соответствии с законом «синк в квадрате»:

Figure 00000003
, мВ, Figure 5 explains the principle that allows you to provide the necessary response value of group 310: the number m of squids 32 in the n-th group belonging to the k-th segment, is selected in accordance with the law "sync squared":
Figure 00000003
mV

где V0 - амплитуда единичного сквида, А - постоянная, определяемая экспериментальным путем, мВ, ωk=2πSk10.where V 0 is the amplitude of a single squid, A is a constant determined experimentally, mV, ω k = 2πS k1 / Ф 0 .

На фиг.6 представлена рассчитанная зависимость линейности отклика от числа групп 310 в сегменте 300. Для конечного числа спектральных компонент линейность представленных спектров не зависит от начальной частоты дискретного спектра и определяется частотой последней взятой компоненты. С точки зрения количества используемых сквидов оптимальным является дискретный спектр с начальной частотой ωk=1 (спектр (в) на фиг.4).Figure 6 presents the calculated dependence of the response linearity on the number of groups 310 in the segment 300. For a finite number of spectral components, the linearity of the presented spectra does not depend on the initial frequency of the discrete spectrum and is determined by the frequency of the last component taken. From the point of view of the number of used squids, the discrete spectrum with the initial frequency ω k = 1 is optimal (spectrum (c) in FIG. 4).

При необходимости формирования непериодического отклика число k сегментов 300 должно быть порядка 10…30, а величины площадей Sk1 для разных сегментов 300 должны быть выбраны в пределах от максимального значения Ф0/2ΔВ до минимального значения (0.01…0.1)Ф0/2ΔВ и не являться кратными. Это приведет к тому, что сложение откликов с разными периодами обеспечит формирование отклика напряжения всей цепочки с единственным максимумом в нуле магнитного поля (B=0).If it is necessary to generate a non-periodic response, the number k of segments 300 should be of the order of 10 ... 30, and the area values S k1 for different segments 300 should be selected in the range from the maximum value of Ф 0 / 2ΔВ to the minimum value (0.01 ... 0.1) Ф 0 / 2ΔВ and not be multiple. This will lead to the fact that the addition of responses with different periods will ensure the formation of a voltage response of the entire chain with a single maximum at zero magnetic field (B = 0).

На фиг.7, 8 показан широкополосный СВЧ-усилитель на последовательной цепочке 30 сквидов 32, работающий на принципе бегущей волны, с использованием входного 10 и выходного 20 элементов в виде входной 70 и выходной 80, 81 сверхпроводящих полосковых линий. В конце входной линии 70 и в начале выходной линии 80 включены согласованные нагрузки 73 и 82, соответственно. В разрывы выходной полосковой линии 81 включены джозефсоновские переходы 33. Стрелками поз.72 условно показаны области локального воздействия входной волны на сквиды усилителя, а стрелками поз.83 - область пространства, где распространяется усиленная волна.7, 8 shows a broadband microwave amplifier on a sequential chain of 30 squid 32, operating on the principle of a traveling wave, using input 10 and output 20 elements in the form of input 70 and output 80, 81 superconducting strip lines. At the end of the input line 70 and at the beginning of the output line 80, matched loads 73 and 82 are included, respectively. Josephson junctions 33 are included in the gaps of the output strip line 81. The arrows of pos. 72 conventionally indicate the areas of local influence of the input wave on the amplifier squids, and the arrows of pos. 83 - the region of space where the amplified wave propagates.

Все элементы сверхпроводящего широкополосного СВЧ-усилителя могут быть выполнены с помощью электронной литографии и размещены на одной диэлектрической подложке. Технология изготовления таких структур известна и описана (http://www.hypres.com), поэтому в настоящем описании не приводится.All elements of a superconducting broadband microwave amplifier can be performed using electronic lithography and placed on a single dielectric substrate. The manufacturing technology of such structures is known and described (http://www.hypres.com), therefore, is not given in the present description.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1, 2). При поступлении СВЧ-сигнала на входной элемент 10 он преобразуется посредством индуктивных элементов 12 в магнитный поток, воздействующий на сквиды 32, смещенные источником тока 40 в резистивное состояние. Это воздействие вызывает изменение постоянной составляющей напряжения V0 на сквидах 32. Суммарное изменение напряжения на выходном элементе 20 цепочки 30 прямо пропорционально, с высокой степенью точности, величине входного сигнала. Оценки показывают (см. фиг.6), что высокая линейность (вплоть до 120 дБ) в диапазоне частот усиления вплоть до нескольких десятков ГГц может быть достигнута для разумного количества сквидов 32 в цепочке 30. Для получения, например, как показано на фиг.6, линейности порядка 80 дБ необходимо 25 групп скидов. Причем с ростом номера группы n (а значит, и ее эффективной площади) количество сквидов в группе, обеспечивающее отклик, меняющийся с номером n по указанному выше закону «синк в квадрате», падает до единицы в группе с номером N. Таким образом, в случае использования сквидов с одинаковым откликом для достижения высокой линейности усиления достаточно изготовить последовательную цепочку из примерно 760 единичных сквидов.The device operates as follows (see figure 1, 2). Upon receipt of the microwave signal at the input element 10, it is converted by means of inductive elements 12 into a magnetic flux acting on the squid 32, shifted by the current source 40 to the resistive state. This effect causes a change in the constant component of the voltage V 0 in SQUID 32. The total change in voltage at the output element 20 of the circuit 30 is directly proportional, with a high degree of accuracy, to the magnitude of the input signal. Estimates show (see FIG. 6) that high linearity (up to 120 dB) in the range of amplification frequencies up to several tens of GHz can be achieved for a reasonable number of squids 32 in chain 30. To obtain, for example, as shown in FIG. 6, linearity of the order of 80 dB requires 25 groups of skids. Moreover, with an increase in the number of the group n (and, therefore, its effective area), the number of squids in the group, providing a response that changes with number n according to the above-mentioned “square squared” law, drops to unity in the group with number N. Thus, in In the case of using squids with the same response, in order to achieve high gain linearity, it is sufficient to produce a sequential chain of approximately 760 single squids.

Для конструкции, показанной на фиг.7, усилитель работает аналогичным образом. При подаче СВЧ-сигнала на входной элемент 10 он преобразуется в магнитный поток (условно показан стрелками поз.72), воздействующий на сквиды 32 цепочки, и таким образом возбуждается выходной СВЧ-сигнал 20, поскольку один из джозефсоновских переходов 33 каждого сквида 32 включен в разрыв выходной сверхпроводящей полосковой линии 81. По мере распространения по полосковой линии к элементу 20 выходной сигнал возрастает (условно показано стрелками поз.83).For the design shown in FIG. 7, the amplifier operates in a similar manner. When a microwave signal is supplied to the input element 10, it is converted into a magnetic flux (conventionally indicated by arrows pos. 72), acting on the squid 32 of the chain, and thus the output microwave signal 20 is excited, since one of the Josephson junctions 33 of each squid 32 is included in rupture of the output superconducting strip line 81. As it propagates along the strip line to element 20, the output signal increases (conventionally shown by arrows pos. 83).

Такое выполнение СВЧ-усилителя позволяет реализовать многоэлементную протяженную цепочку 30, размеры которой сравнимы или превышают длину волны, без ограничений, связанных с распределенностью системы.This embodiment of the microwave amplifier allows you to implement a multi-element long chain 30, the dimensions of which are comparable or exceed the wavelength, without restrictions associated with the distribution of the system.

Claims (7)

1. Сверхпроводящий широкополосный СВЧ-усилитель, содержащий входной элемент, предназначенный для подачи СВЧ-сигнала и преобразования его в магнитный поток, воздействующий на последовательную цепочку двухконтактных сквидов, источник тока смещения, средство задания режима магнитного поля смещения, подключенное индуктивным образом к каждому из сквидов указанной цепочки сквидов, которая подключена к указанному выходному элементу таким образом, чтобы получить на нем суммарное изменение напряжения с указанной последовательной цепочки сквидов, образованной из сегментов, каждый из которых выполнен с возможностью формирования периодического отклика напряжения на величину магнитного поля смещения, заданного указанным средством задания режима магнитного поля В смещения, причем
каждый из сегментов состоит из групп сквидов с одинаковыми эффективными площадями Skn, удовлетворяющими условию
Skn=n·Sk1,
где Skn - эффективная площадь сквидов n-й группы в k-сегменте;
Sk1 - эффективная площадь сквидов в первой группе сквидов k-сегмента;
k=1, 2…K - номер сегмента в цепочке;
n=1, 2…N - номер группы в сегменте,
при этом величина тока смещения источника постоянного тока выбрана из условия обеспечения синусоидального отклика напряжения единичного сквида от величины магнитного поля В смещения и отклик напряжения n-й группы сквидов k-го сегмента от величины магнитного поля В смещения удовлетворяет условию
Figure 00000004

где m - число сквидов в п-й группе, принадлежащей к-му сегменту; V0 - амплитуда синусоидального отклика единичного сквида; ωk=2ttSk10; Ф0=2,07×10-15 Вб; ΔВ - наперед заданная величина диапазона изменения магнитного поля смещения, в котором обеспечивается линейность усиления, А - постоянная, определяемая экспериментальным путем, мВ.
1. A superconducting broadband microwave amplifier containing an input element for supplying a microwave signal and converting it into a magnetic flux acting on a serial chain of two-contact squids, a bias current source, a bias magnetic field mode setting means, connected inductively to each of the squids the specified chain of squid, which is connected to the specified output element in such a way as to obtain on it the total voltage change from the specified sequential chain of sk ide, formed of segments, each of which is adapted to generate a periodic voltage response on the magnetic bias field, said means predetermined reference magnetic field in the displacement mode, wherein
each segment consists of groups of squids with the same effective areas S kn satisfying the condition
S kn = n · S k1 ,
where S kn is the effective squid area of the nth group in the k-segment;
S k1 — effective squid area in the first group of k-segment squids;
k = 1, 2 ... K is the number of the segment in the chain;
n = 1, 2 ... N - group number in the segment,
the bias current of the direct current source is selected from the condition of providing a sinusoidal response of the voltage of a single squid from the magnitude of the bias magnetic field B and the voltage response of the nth group of squids of the kth segment from the magnitude of the bias magnetic field B satisfies the condition
Figure 00000004

where m is the number of squids in the p-th group belonging to the k-th segment; V 0 is the amplitude of the sinusoidal response of a single squid; ω k = 2ttSk 1 / Φ 0 ; Ф 0 = 2.07 × 10 -15 Wb; ΔВ is the predetermined value of the range of variation of the magnetic field of the bias, in which the gain linearity is ensured, and A is the constant determined experimentally, mV.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число сегментов в цепочке составляет по меньшей мере два.2. The device according to claim 1, characterized in that the number of segments in the chain is at least two. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число сквидов в группе составляет 1-100.3. The device according to claim 1, characterized in that the number of squids in the group is 1-100. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число групп сквидов в сегменте составляет 50-100.4. The device according to claim 1, characterized in that the number of squid groups in the segment is 50-100. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что периодический отклик напряжения на величину магнитного поля смещения устанавливают общим для всех сегментов, а период отклика (BT)k для k-го сегмента устанавливают в соответствии с условием (ВT)k0/Sk1.5. The device according to claim 1, characterized in that the periodic voltage response to the magnitude of the bias magnetic field is set common to all segments, and the response period (B T ) k for the k-th segment is set in accordance with the condition (B T ) k = Φ 0 / S k1 . 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что величины площадей Sk1 для разных сегментов не являются кратными и выбраны из условия
Ф0/2ΔВ≥Sk1≥0,01Ф0/2ΔВ.
6. The device according to claim 1, characterized in that the area values Sk 1 for different segments are not multiple and are selected from the condition
Ф 0 / 2ΔВ≥S k1 ≥0.01 Ф 0 / 2ΔВ.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные входной и выходной элементы выполнены в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи, при этом один из контактов каждого сквида цепочки включен в разрыв одного из полосков выходной линии. 7. The device according to claim 1, characterized in that said input and output elements are made in the form of a superconducting strip transmission line, while one of the contacts of each squid of the chain is included in the gap of one of the strips of the output line.
RU2007121005/09A 2007-06-06 2007-06-06 Superconducting wide-band shf amplifier RU2353051C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007121005/09A RU2353051C2 (en) 2007-06-06 2007-06-06 Superconducting wide-band shf amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007121005/09A RU2353051C2 (en) 2007-06-06 2007-06-06 Superconducting wide-band shf amplifier

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007121005A RU2007121005A (en) 2008-12-20
RU2353051C2 true RU2353051C2 (en) 2009-04-20

Family

ID=41018058

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007121005/09A RU2353051C2 (en) 2007-06-06 2007-06-06 Superconducting wide-band shf amplifier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2353051C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2483392C1 (en) * 2011-12-14 2013-05-27 Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions
RU2544275C2 (en) * 2013-06-24 2015-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Shf-amplifier based on high-temperature squid with four josephson contacts
RU2620760C2 (en) * 2015-11-17 2017-05-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Superconducting quantum grid on the basis of skif structures

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2483392C1 (en) * 2011-12-14 2013-05-27 Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions
RU2544275C2 (en) * 2013-06-24 2015-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Shf-amplifier based on high-temperature squid with four josephson contacts
RU2620760C2 (en) * 2015-11-17 2017-05-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Superconducting quantum grid on the basis of skif structures

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007121005A (en) 2008-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11005024B1 (en) High linearity superconducting radio frequency magnetic field detector
US11955934B2 (en) Superconducting traveling-wave parametric amplifier
US4585999A (en) Radiofrequency amplifier based on a dc superconducting quantum interference device
US6690162B1 (en) Device for high-resolution measurement of magnetic fields
EP2476005B1 (en) Squid with a coil inductively coupled to the squid via a mutual inductance
JP6577496B2 (en) SQUID magnetic sensor using a single operational amplifier
CN113424441B (en) Josephson traveling wave parametric amplifier
US6005380A (en) Sensitive slot antenna including inductively coupled squid array
KR101132718B1 (en) Frequency Converter
US5844407A (en) Method using squid array for improving the sensitivity of a slot antenna
Zorin et al. Traveling-wave parametric amplifier based on three-wave mixing in a Josephson metamaterial
Mück et al. Superconducting quantum interference device amplifiers at gigahertz frequencies
US20170192039A1 (en) Current-detection device
RU2353051C2 (en) Superconducting wide-band shf amplifier
Kornev et al. Output power and loading of superconducting quantum array
Kohlmann et al. Development of Josephson voltage standards
RU2325004C1 (en) Shf-amplifier based on high-temperature superconducting quantum interference device (squid)
Ermakov et al. Parallel biased SIS-arrays for mm wave mixers: main ideas and experimental verification
RU2792981C1 (en) JOSEPHSON PARAMETRIC TRAVELING WAVE AMPLIFIER BASED ON bi-SQUIDS
RU2620760C2 (en) Superconducting quantum grid on the basis of skif structures
RU2801961C1 (en) Active superconducting detector
RU2544275C2 (en) Shf-amplifier based on high-temperature squid with four josephson contacts
RU2483392C1 (en) Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions
Oppenlaender et al. Sigmoid like flux to voltage transfer function of superconducting quantum interference filter circuits
Tran et al. Low-noise and wide-bandwidth current readout at low temperatures using a superconducting-quantum-interference-device amplifier

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20131017

TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -PC4A- IN JOURNAL: 5-2014