RU2483392C1 - Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions - Google Patents
Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2483392C1 RU2483392C1 RU2011150668/28A RU2011150668A RU2483392C1 RU 2483392 C1 RU2483392 C1 RU 2483392C1 RU 2011150668/28 A RU2011150668/28 A RU 2011150668/28A RU 2011150668 A RU2011150668 A RU 2011150668A RU 2483392 C1 RU2483392 C1 RU 2483392C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- skif
- input
- signal
- superconducting
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах, для усиления слабых сигналов СВЧ-диапазона, а также в качестве детектора слабых магнитных полей.The invention relates to cryoelectronic devices and can be used in measuring equipment, radio engineering and information systems operating at low temperatures, to amplify weak microwave signals, and also as a detector of weak magnetic fields.
Известен сверхпроводниковый магнетометр на основе джозефсоновских переходов (ДП), реализованный на параллельной цепочке сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов) переменной площади (СКИФ-структура) (патент WO 0125805, Schopohl et al., 12.04.2001; патент WO 2004114463, Oppenlaender J. et al., 29.12.2004). За счет интерференции откликов некратных площадей форма отклика напряжения от приложенного магнитного поля такой СКИФ-структуры имеет один большой минимум в нуле магнитного поля.Known superconducting magnetometer based on Josephson junctions (DP), implemented on a parallel chain of superconducting quantum interferometers (SQUIDs) of variable area (SKIF structure) (patent WO 0125805, Schopohl et al., 04/12/2001; patent WO 2004114463, Oppenlaender J. et al., December 29, 2004). Due to the interference of the responses of multiple areas, the shape of the voltage response from the applied magnetic field of such a SCIF structure has one large minimum at zero of the magnetic field.
Недостатком такого магнетометра является низкое значение выходного импеданса, что затрудняет использование параллельной СКИФ-структуры для высокочастотных устройств. Также СВЧ-устройства на основе параллельной СКИФ-структуры не обеспечивают необходимой линейности усиления сигнала и не позволяют добиться большого сигнала на выходе.The disadvantage of such a magnetometer is the low value of the output impedance, which makes it difficult to use a parallel SKIF structure for high-frequency devices. Also, microwave devices based on a parallel SKIF structure do not provide the necessary linear amplification of the signal and do not allow to achieve a large output signal.
Известен также СВЧ-усилитель, состоящий из ДП (патент RU 2353051 C2, 06.06.2007) на основе линейных цепочек СКВИДов постоянного тока, имеющих повышенный коэффициент усиления и высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала в полосе частот 1-10 ГГц (прототип предлагаемого технического решения).Also known is a microwave amplifier consisting of a DP (patent RU 2353051 C2, 06.06.2007) based on linear chains of DC SQUIDs with increased gain and high linearity of the voltage response to the magnetic component of the electromagnetic signal in the frequency band 1-10 GHz (prototype proposed technical solution).
Устройство-прототип представляет собой широкополосный сверхпроводящий СВЧ-усилитель, который содержит входной элемент, предназначенный для подачи СВЧ-сигнала и преобразования его в магнитный поток, воздействующий на последовательную цепочку двухконтактных СКВИДов; источник постоянного тока смещения, являющийся средством задания режима магнитного поля смещения, подключенный индуктивным образом к каждому из СКВИДов указанной цепочки СКВИДов. Данная последовательная цепочка СКВИДов, образованная из сегментов, подключается к выходному элементу таким образом, чтобы получить на нем суммарное изменение напряжения. Указанные входной и выходной элементы выполнены в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи.The prototype device is a broadband superconducting microwave amplifier, which 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 direct current source, which is a means of setting the bias magnetic field mode, connected inductively to each of the SQUIDs of the indicated SQUID chain. This sequential chain of SQUIDs formed from segments is connected to the output element in such a way as to obtain the total voltage change on it. The specified input and output elements are made in the form of a superconducting strip transmission line.
Основными недостатками прототипа являются:The main disadvantages of the prototype are:
1) уменьшение амплитуды вольт-полевой характеристики, а следовательно, и коэффициента усиления вследствие подавления зависимости критического тока от приложенного магнитного поля из-за проникновения магнитного поля в ДП, которое не учитывалось при моделировании конструкции усилителя;1) a decrease in the amplitude of the volt-field characteristic and, consequently, in the gain due to the suppression of the dependence of the critical current on the applied magnetic field due to the penetration of the magnetic field into the DP, which was not taken into account when modeling the design of the amplifier;
2) неидеальная развязка входа и выхода из-за конструктивных особенностей электромагнитной связи, которая выполнена на основе связанных параллельно расположенных двухпроводных линий, что приводит к наличию ненулевой взаимной индукции;2) imperfect isolation of the input and output due to the design features of electromagnetic coupling, which is based on coupled in parallel two-wire lines, which leads to the presence of non-zero mutual induction;
3) неоптимальная связь по магнитному полю входной линии со СКИФ-структурой из-за быстрого спадании поля при выходе за пределы двухпроводной линии: поля параллельных проволок вычитаются вне проволок, что уменьшает взаимную индукцию входной цепи и петель СКВИДов;3) non-optimal coupling along the magnetic field of the input line with the SKIF structure due to the rapid decay of the field when leaving the two-wire line: the fields of parallel wires are subtracted outside the wires, which reduces the mutual induction of the input circuit and SQUID loops;
4) предполагаемая широкополосность отклика трудно осуществима при наличии ограничения на размер СКИФ-структуры - прототип должен иметь размеры больше или порядка длины волны, так как основан на поглощении бегущей волны, при этом по мере затухания волны вклад активных элементов будет падать, в противном случае согласование возможно за счет демпфирующих резисторов, вызывающих неизбежное поглощение (значительной части) сигнала.4) the assumed broadband response is difficult to achieve if there is a restriction on the size of the SKIF structure — the prototype must be larger than or of the order of the wavelength, because it is based on the absorption of a traveling wave, and as the wave attenuates, the contribution of active elements will fall, otherwise possibly due to damping resistors, causing the inevitable absorption (of a significant part) of the signal.
Анализ уровня техники, в том числе и прототипа, показывает, что общим недостатком конструкций устройств, выполненных как на основе низкотемпературных металлических, так и купратных сверхпроводников и реализованных как на основе регулярных цепочек СКВИДов, так и нерегулярных СКИФ-структур, является заметное уменьшение амплитуды вольт-полевой характеристики из-за разброса параметров ДП и влияния индуктивностей СКВИДов.An analysis of the prior art, including the prototype, shows that a common drawback of device designs made both on the basis of low-temperature metal and cuprate superconductors and implemented both on the basis of regular chains of SQUIDs and irregular SKIF structures is a noticeable decrease in the amplitude of volts - field characteristics due to the variation in the parameters of the DP and the influence of inductances of SQUIDs.
Целью изобретения является:The aim of the invention is:
1) повышение коэффициента усиления и обеспечение высокой линейности отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала сверхпроводящего прибора в полосе частот 0,1-10 ГГц на основе СКИФ-структуры, состоящей из ДП, характеризуемых неизбежно существующим разбросом параметров;1) increasing the gain and ensuring a high linearity of the voltage response to the magnetic component of the electromagnetic signal of the superconducting device in the frequency band of 0.1-10 GHz on the basis of the SKIF structure, consisting of DP, characterized by the inevitably existing spread of parameters;
2) оптимизация развязки между входом и выходом с целью предотвращения просачивания входного сигнала на выход устройства;2) optimization of isolation between input and output in order to prevent leakage of the input signal to the output of the device;
3) повышение чувствительности устройства за счет оптимизации связи по магнитному полю между входной линией и СКИФ-структурой;3) increasing the sensitivity of the device by optimizing the magnetic field coupling between the input line and the SKIF structure;
4) повышение помехозащищенности устройства.4) increase the noise immunity of the device.
Поставленная цель достигается тем, что сверхпроводящий прибор на основе многоэлементной структуры из джозефсоновских переходов, содержащий чип (бикристаллическую подложку), включающий в себя линию задания входного электромагнитного сигнала в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи, предназначенную для подачи СВЧ-сигнала и преобразования его в магнитный поток, и многоэлементную сверхпроводящую структуру из джозефсоновских переходов (ДП), состоящую из последовательного соединения сверхпроводящих двухконтактных квантовых интерферометров (СКВИДов), имеющих некратные площади, представляющих собой сверхпроводящий квантовый интерференционный фильтр (СКИФ-структуру), имеющий повышенный коэффициент усиления и высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала в полосе частот 0,1-10 ГГц, а также выходной элемент, выполненный в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи, согласно изобретению содержит согласующую плату, предназначенную для задания входного электромагнитного сигнала в резонансную цепь СКИФ-структуры на чипе и снятия выходного сигнала с помощью микрополосковой линии и передачи его на выходной коаксиальный разъем, при этом на одной стороне согласующей платы размещены входная и выходная микрополосковые линии, а на другой стороне платы располагается резонатор, выполненный в виде П-образной щелевой линии длиной λ/2, размеры ДП, входящие в многоэлементную сверхпроводящую структуру, удовлетворяют условию: w<4λJ, где w - ширина ДП, λJ - джозефсоновская глубина проникновения магнитного поля, предложенное решение основано на низкодобротном резонансе в петле входной линии задания входного электромагнитного сигнала, при этом СКИФ-структура располагается внутри петли входной линии, не имеющей демпфирующих элементов, в качестве сверхпроводника использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBa2Cu3O7-х, где Re - редкоземельный металл, а слабая связь образована бикристаллической границей.This goal is achieved in that a superconducting device based on a multi-element structure of Josephson junctions, containing a chip (bicrystal substrate), which includes a reference line of the input electromagnetic signal in the form of a superconducting strip transmission line, designed to supply a microwave signal and convert it to magnetic flux , and a multi-element superconducting structure of Josephson junctions (DPs), consisting of a series connection of superconducting two-contact quantum int of ferrometers (SQUIDs) having multiple areas, which are a superconducting quantum interference filter (SKIF structure), having an increased gain and high linearity of the voltage response to the magnetic component of the electromagnetic signal in the frequency band of 0.1-10 GHz, as well as an output element, made in the form of a superconducting strip transmission line, according to the invention contains a matching board, designed to set the input electromagnetic signal in the resonant circuit of the SKIF structure on e and removing the output signal using a microstrip line and transferring it to the output coaxial connector, while on the one side of the matching board there are input and output microstrip lines, and on the other side of the board there is a resonator made in the form of a U-shaped slot line with a length λ / 2, the sizes of the DPs that are part of a multi-element superconducting structure satisfy the condition: w <4λ J , where w is the width of the DP, λ J is the Josephson penetration depth of the magnetic field, the proposed solution is based on low-Q resonance in the loop of the input line for setting the input electromagnetic signal, while the SKIF structure is located inside the loop of the input line that does not have damping elements, a rare-earth cuprates compound of the general formula ReBa 2 Cu 3 O 7-x is used as a superconductor, where Re is a rare-earth metal, and the weak bond is formed by a bicrystal boundary.
Поставленная цель достигается также тем, что согласующая плата выполнена из ламината с двусторонней металлизацией, толщина t и диэлектрическая проницаемость ε материала ламината выбраны обеспечивающими расчетное значение волнового сопротивления СВЧ-линий.This goal is also achieved by the fact that the matching board is made of a laminate with double-sided metallization, the thickness t and the dielectric constant ε of the laminate material are selected to provide the calculated value of the wave impedance of the microwave lines.
Существо изобретения поясняется на чертежах:The invention is illustrated in the drawings:
фиг.1 - эквивалентная электрическая схема патентуемого прибора для случая его применения для усиления СВЧ-сигнала, где a1…an - площади СКВИДов, входящих в многоэлементную структуру из ДП; IB - постоянный ток задания смещения; IRF - высокочастотный ток, который протекает через линию задания входного сигнала и преобразуется в магнитный поток в контурах СКИФ-структуры; С1 и С2 - емкости подстроечных конденсаторов;figure 1 is an equivalent circuit diagram of a patented device for the case of its application for amplification of a microwave signal, where a 1 ... a n are the areas of SQUIDs included in a multi-element structure from DP; I B - direct current offset; I RF is the high-frequency current that flows through the input signal line and is converted into magnetic flux in the circuits of the SKIF structure; C1 and C2 - capacitance trim capacitors;
фиг.2 - согласующая плата, где (1) - входная микрополосковая линия, (2) - П-образный щелевой резонатор, (3) - подводящие микрополосковые линии, (4) - выходная микрополосковая линия, (5) - чип со СКИФ-структурой;figure 2 - matching board, where (1) is the input microstrip line, (2) is a U-shaped slotted cavity, (3) is the supplying microstrip lines, (4) is the output microstrip line, (5) is a chip with SKIF- structure;
фиг.3 - зависимость напряжения V от магнитного потока Ф в СКИФ-структуре; ΔV - максимальный размах характеристики, Ф0 - квант магнитного потока, ФВ - поток смещения, соответствующий рабочей точке, Фi - регистрируемый внешний магнитный поток, равный произведению регистрируемого тока Ii, протекаемого через линию задания входного сигнала на чипе, и взаимной индукции Mi между данной линией и СКИФ-структурой, V0 - отклик СКИФ-структуры на регистрируемый внешний магнитный поток;figure 3 - dependence of the voltage V on the magnetic flux f in the SKIF structure; ΔV is the maximum range of the characteristic, Ф 0 is the magnetic flux quantum, Ф В is the bias flux corresponding to the operating point, Ф i is the recorded external magnetic flux equal to the product of the detected current I i flowing through the input signal line on the chip, and mutual induction M i between this line and the SKIF structure, V 0 is the response of the SKIF structure to the detected external magnetic flux;
фиг.4 - семейство вольт-амперных характеристик (ВАХ) СКИФ-структуры при различных значения приложенного магнитного поля.figure 4 - a family of current-voltage characteristics (CVC) SKIF structure at different values of the applied magnetic field.
Устройство представляет собой сверхпроводящий прибор, который содержит: (i) чип, включающий в себя линию задания входного электромагнитного сигнала в виде сверхпроводящей полосковой линии передачи СВЧ-сигнала и многоэлементную сверхпроводящую структуру из ДП, расположенную внутри петли входной линии и состоящую из последовательного соединения СКВИДов, имеющих некратные площади, представляющих собой СКИФ-структуру, имеющую повышенный коэффициент усиления и высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала в полосе частот 0,1-10 ГГц, (ii) согласующую плату, предназначенную для задания входного электромагнитного сигнала в резонансную цепь СКИФ-структуры на чипе и снятия выходного сигнала с помощью микрополосковой линии и передачи его на выходной коаксиальный разъем. Через линию задания также возможна подача постоянного тока смещения для задания рабочей точки. Линейные размеры ДП, входящие в многоэлементную сверхпроводящую структуру, должны удовлетворять условию: w<4λJ, где w - линейный размер ширины тонкой пленки ДП, пересекающей бикристаллическую границу, λJ - джозефсоновская глубина проникновения магнитного поля. При этом обеспечивается режим работы многоэлементной структуры, определяемый проникновением магнитного поля в ДП, который характеризуется фраунгоферовой зависимостью (типа sin(x)/x) критического тока от приложенного магнитного поля.The device is a superconducting device that contains: (i) a chip that includes a line for setting the input electromagnetic signal in the form of a superconducting strip line for transmitting a microwave signal and a multi-element superconducting structure from a DP located inside the loop of the input line and consisting of a series connection of SQUIDs, having multiple areas, representing a SKIF structure having a high gain and high linearity of the voltage response to the magnetic component of the electromagnet th signal in the frequency band 0.1-10 GHz, (ii) a matching board adapted to set the input electromagnetic signal into the resonant circuit SKIF structure on the chip and removing the output signal via a microstrip line and transmit it to the output coaxial connector. Through the reference line, a DC bias current is also possible to set the operating point. The linear dimensions of the DP that are part of a multi-element superconducting structure must satisfy the condition: w <4λ J , where w is the linear dimension of the width of the thin film of the DP crossing the bicrystal boundary, λ J is the Josephson penetration depth of the magnetic field. In this case, the operation mode of the multi-element structure is determined, which is determined by the penetration of the magnetic field into the DP, which is characterized by the Fraunhofer dependence (of the sin (x) / x type) of the critical current on the applied magnetic field.
На согласующей плате происходит переход от коаксиального разъема на микрополосковую линию, а затем переход на кольцевого резонатор, в разрыв которого может быть включена линия задания СКИФ-структуры. После преобразования (усиления) сигнала СКИФ-структурой сигнал с чипа снимается с помощью микрополосковой линии и подается на выходной коаксиальный разъем.On the matching board, the transition from the coaxial connector to the microstrip line occurs, and then the transition to the ring resonator, into the gap of which the reference line of the SKIF structure can be included. After the signal is converted (amplified) by the SKIF structure, the signal from the chip is removed using a microstrip line and fed to the output coaxial connector.
Предлагаемое техническое решение содержит следующие основные элементы: чип, эквивалентная электрическая схема которого приведена на фиг.1, и согласующую плату, изображение которой представлено на фиг.2. Согласующая плата предназначена для задания входного электромагнитного сигнала в резонансную цепь СКИФ-структуры, расположенную на чипе. На плате происходит переход от коаксиального разъема на микрополосковую линию, а затем переход на кольцевого резонатор, в разрыв которого может быть включена линия задания СКИФ-структуры. Плата выполнена из ламината с двусторонней металлизацией толщиной t=1,0 мм и диэлектрической проницаемостью керамического изолятора ε=9,2, выбранных из условия удовлетворения согласования импедансов многоконтактной СКИФ-структуры и волнового сопротивления микрополосковых линий на согласующей плате, с использованием известных соотношений для полосковых линий передач. Входная (1) и выходная (4) микрополосковые линии находятся на одной стороне двухсторонней платы. На другой стороне платы находится резонатор, выполненный в виде П-образной щелевой линии (2), который возбуждается пересекающим его входной микрополосковой линией (1). Открытый конец микрополосковой линии (1) образует четвертьволновой шлейф, который обеспечивает режим короткого замыкания в плоскости пересечения щелевой линии. Щелевой резонатор (2) полуволновой длины является неизлучающим и не вносит потерь. В силу противофазного возбуждения двух микрополосковых линий (3) в точке их присоединения к чипу (5) токи в них однофазны. После преобразования (усиления) сигнала СКИФ-структурой сигнал с чипа снимается с помощью микрополосковой линии и подается на выходной коаксиальный разъем. Приведенная развязка входа и выхода платы оптимизирована таким образом, что поле входного сигнала и выходной ток не взаимодействуют в силу балансной конструкции сигнальных цепей.The proposed technical solution contains the following main elements: a chip, the equivalent electrical circuit of which is shown in figure 1, and a matching board, the image of which is presented in figure 2. The matching board is designed to set the input electromagnetic signal to the resonant circuit of the SKIF structure located on the chip. On the board, there is a transition from the coaxial connector to the microstrip line, and then a transition to the ring resonator, into the gap of which the reference line of the SKIF structure can be included. The board is made of a laminate with two-sided metallization with a thickness of t = 1.0 mm and the dielectric constant of the ceramic insulator ε = 9.2, selected from the condition of satisfying the matching of the impedances of the multi-contact SKIF structure and the wave impedance of the microstrip lines on the matching board, using known ratios for strip transmission lines. The input (1) and output (4) microstrip lines are located on one side of the double-sided board. On the other side of the board is a resonator made in the form of a U-shaped slit line (2), which is excited by an input microstrip line crossing it (1). The open end of the microstrip line (1) forms a quarter-wave loop, which provides a short circuit in the plane of intersection of the slot line. The slotted cavity (2) of the half-wavelength is non-radiating and does not introduce losses. Due to the antiphase excitation of two microstrip lines (3), the currents in them are single-phase at the point of their attachment to the chip (5). After the signal is converted (amplified) by the SKIF structure, the signal from the chip is removed using a microstrip line and fed to the output coaxial connector. The given isolation of the input and output of the board is optimized so that the input signal field and the output current do not interact due to the balanced design of the signal circuits.
Напряжение на СКИФ-структуре обеспечивается заданием тока смещения IB. Высокочастотный ток IRF, протекающий по петле задания входного сигнала, создает в каждом СКВИДе магнитный поток ΔФk=MkIRF, где Mk - коэффициент взаимной индукции между k-ым СКВИДом (площадью ak, k=1…n) и линией задания входного сигнала. Значения емкостей C1, C2 и индуктивности линии задания входного сигнала L0 определяются из условия резонанса fRF=1/(2π√(С1+С2)*L0) для обеспечения наибольшей амплитуды тока в линии, подключенной к СВЧ-цепи задания сигнала на плате, к которой подключался чип со СКИФ-структурой. При использовании конденсаторов удается реализовать согласование со СКИФ-структурой в полосе 200 МГц (при центральной частоте 1,5 ГГц) при потерях 1,2 дБ.The voltage on the SKIF structure is provided by setting the bias current I B. The high-frequency current I RF flowing through the input signal loop creates a magnetic flux ΔФ k = M k I RF in each SQUID, where M k is the mutual induction coefficient between the k-th SQUID (area a k , k = 1 ... n) and input signal line. The capacitances C1, C2 and the inductance of the input signal reference line L 0 are determined from the resonance condition f RF = 1 / (2π√ (C1 + C2) * L 0 ) to ensure the greatest current amplitude in the line connected to the microwave signal setting circuit the board to which the chip with the SKIF structure was connected. When using capacitors, it is possible to achieve coordination with the SKIF structure in the 200 MHz band (at the center frequency of 1.5 GHz) with a loss of 1.2 dB.
Предлагаемая конструкция чипа, содержащего СКИФ-структуру, может быть настроена в широком диапазоне частот на полосу, составляющую порядка 20-30% от центральной частоты за счет компромиссного сочетания компактности и резонансных свойств входной цепи, что делает ее более помехозащищенной. Предложенное решение основано на низкодобротном резонансе в петле входной линии задания, при этом СКИФ-структура располагается внутри петли входной линии задания, не имеющей демпфирующих элементов, что означает минимально возможный уровень потерь сигнала.The proposed design of the chip containing the SKIF structure can be tuned in a wide frequency range to a band of about 20-30% of the center frequency due to a compromise combination of compactness and resonant properties of the input circuit, which makes it more noise-immune. The proposed solution is based on low-Q resonance in the loop of the input reference line, while the SKIF structure is located inside the loop of the input reference line that does not have damping elements, which means the lowest possible level of signal loss.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.
На фиг.3 показан механизм преобразования входного потока Фi в выходное напряжение V0 при фиксированном значении постоянного магнитного потока ФВ. Входной поток Фi=MiQVi/(Zi+Ri), где Mi - взаимная индуктивность между петлей задания входного сигнала и СКИФ-структурой, Q - добротность входного резонансного контура, Zi - входной импеданс СКИФ-структуры. Выходное напряжение V0 можно определить из выражения V0=VФФi, где VФ=∂V/∂Фi - передаточная характеристика СКИФ-структуры, которая определяется максимальным размахом выходного напряжения ΔV, который пропорционален характеристическому напряжению VC ДП, и квантом магнитного потока Ф0.3 shows a mechanism for converting an input flow F i into the output voltage V 0 at a fixed value of the DC magnetic flux F B. The input stream Ф i = M i QV i / (Z i + R i ), where M i is the mutual inductance between the input signal loop and the SKIF structure, Q is the quality factor of the input resonant circuit, Z i is the input impedance of the SKIF structure. The output voltage V 0 can be determined from the expression V 0 = V Ф Ф i , where V Ф = ∂V / ∂Ф i is the transfer characteristic of the SKIF structure, which is determined by the maximum amplitude of the output voltage ΔV, which is proportional to the characteristic voltage V C DP, and quantum of magnetic flux f 0 .
Максимально возможная связь по магнитному полю (чувствительность) осуществляется за счет двух факторов: во-первых, за счет помещения СКИФ-структуры в пучность доля, расположенную между полосковыми линиями, во-вторых, за счет резонансного увеличения тока сигнала во входной цепи, расположенной на согласующей плате.The maximum possible magnetic field coupling (sensitivity) is due to two factors: firstly, due to the placement of the SKIF structure in the antinode, the fraction located between the strip lines, and secondly, due to the resonant increase in the signal current in the input circuit located on matching board.
В рассмотренной конфигурации СКИФ-структуры устройство работает в режиме, когда вольт-полевая характеристика в основном определяется фраунгоферовой зависимостью критического тока отдельных ДП. При этом вклад в величину преобразования магнитного поля в напряжение дают как циркулирующие токи, так и индуцированный магнитный поток. Входной сигнал индуцирует экранирующие токи в сверхпроводящих петлях каждого из элементов СКИФ-структуры. Ток в петле, индуцированный внешним магнитным полем, преобразуется в ток, циркулирующий в ДП. Такая трансформация позволяет обеспечить требуемую индуктивную связь ДП и входного контура, что, в свою очередь, способствует увеличению усиления СВЧ-сигнала.In the considered configuration of the SKIF structure, the device operates in the mode when the volt-field characteristic is mainly determined by the Fraunhofer dependence of the critical current of individual DCs. In this case, both the circulating currents and the induced magnetic flux contribute to the magnitude of the conversion of the magnetic field to voltage. The input signal induces screening currents in the superconducting loops of each of the elements of the SKIF structure. The current in the loop, induced by an external magnetic field, is converted into a current circulating in the DC. Such a transformation allows us to provide the required inductive coupling between the PD and the input circuit, which, in turn, helps to increase the amplification of the microwave signal.
Мощность насыщения СКВИДа, работающего без обратной связи, пропорциональна величине характеристического напряжения VC=ICRN, где IC - критический ток, RN - нормальное сопротивление. Использование купратных сверхпроводников позволяет получать ДП с характеристическим напряжением VC, которое может достигать 1 мВ уже при азотной температуре.The saturation power of a SQUID operating without feedback is proportional to the characteristic voltage V C = I C R N , where I C is the critical current, R N is the normal resistance. The use of cuprate superconductors allows one to obtain a DP with a characteristic voltage V C , which can reach 1 mV even at nitrogen temperature.
Увеличение динамического диапазона может быть получено за счет использования последовательной или параллельной цепочки СКВИДов. Однако технологический разброс параметров ДП (IC и RN) не позволяет достигать эффективного сложения откликов от всех СКВИДов в цепочке. Эта проблема может быть решена путем применения многоэлементной структуры из СКВИДов, имеющих некратные площади сверхпроводящих петель, так называемые сверхпроводящие квантовые интерференционные фильтры (СКИФы) последовательного или параллельного типов. В основу формирование отклика СКИФа заложено именно условие некратности площади СКВИДов. Динамический диапазон как параллельной, так и последовательной многоэлементной структуры увеличивается с ростом числа N СКВИДов пропорционально 
Боковая модуляция на вольт-полевой зависимости подавляется с увеличением числа N СКВИДов в цепочке за счет интерференции откликов отдельных СКВИДов с разными площадями (с разными периодами модуляции откликов), что также приводит к сглаживанию склонов основного пика отклика СКИФ-структуры.Lateral modulation in the voltage-field dependence is suppressed with an increase in the number N of SQUIDs in the chain due to interference of the responses of individual SQUIDs with different areas (with different response modulation periods), which also leads to smoothing of the slopes of the main response peak of the SKIF structure.
На фиг.4 показано семейство ВАХ СКИФ-структуры, состоящей из N=20 последовательно включенных СКВИДов, измеренной при 15 фиксированных значениях приложенного магнитного поля. Вследствие разброса критических токов ДП наблюдаются скачки напряжения, которые обусловлены переходом в резистивное состояние СКВИДов в структуре увеличением тока смещения IB. По мере увеличения приложенного магнитного поля ВАХ становится более гладкой.Figure 4 shows the family of I – V characteristics of a SKIF structure consisting of N = 20 series-connected SQUIDs, measured at 15 fixed values of the applied magnetic field. Due to the spread of the critical currents of the DP, voltage surges are observed, which are caused by the transition to the resistive state of SQUIDs in the structure by an increase in the bias current I B. As the applied magnetic field increases, the I – V characteristic becomes smoother.
В качестве сверхпроводникового материала использовано соединение редкоземельных купратов с общей формулой ReBa2Cu3O7-х, где Re - редкоземельный металл. Среди купратных сверхпроводниковых ДП наибольшей воспроизводимостью параметров обладают бикристаллические переходы, которые формируются за счет контакта двух монокристаллических частей пленки, кристаллографические оси которых взаимно развернуты на угол 45°>θ>20°, а бикристаллическая граница обладает свойством слабой связи.A compound of rare-earth cuprates with the general formula ReBa 2 Cu 3 O 7-x , where Re is a rare-earth metal, was used as a superconducting material. Among cuprate superconducting DPs, the most reproducible parameters are characterized by bicrystal transitions, which are formed due to the contact of two single-crystal parts of the film, the crystallographic axes of which are mutually rotated at an angle of 45 °>θ> 20 °, and the bicrystalline boundary has the weak coupling property.
Все элементы чипа могут быть выполнены с помощью фотолитографии и размещены на одной диэлектрической подложке. Технология изготовления таких структур известна, поэтому в настоящем описании не приводится. Соединение чипа и согласующей платы обеспечивается известными методом бондирования низкоиндуктивными металлическими проволоками.All elements of the chip can be made using photolithography and placed on the same dielectric substrate. The manufacturing technology of such structures is known, therefore, is not given in the present description. The connection of the chip and the matching board is provided by the well-known bonding method of low-inductance metal wires.
Таким образом, технический результат предлагаемого устройства состоит в повышении коэффициента усиления и обеспечении высокой линейности отклика напряжения на магнитную компоненту электромагнитного сигнала СКИФ-структуры, оптимизации развязки между входом и выходом согласующей платы, повышении чувствительности устройства за счет оптимизации связи по магнитному полю между входной линией и СКИФ-структурой, повышении помехозащищенности устройства.Thus, the technical result of the proposed device is to increase the gain and ensure high linearity of the voltage response to the magnetic component of the electromagnetic signal of the SKIF structure, optimize the isolation between the input and output of the matching board, increase the sensitivity of the device by optimizing the magnetic field coupling between the input line and SKIF-structure, increasing the noise immunity of the device.
Claims (2)
размеры ДП, входящие в многоэлементную сверхпроводящую структуру, удовлетворяют условию: w<4λJ, где w - ширина ДП, λJ - джозефсоновская глубина проникновения магнитного поля,
СКИФ-структура располагается внутри петли входной линии задания входного электромагнитного сигнала, не имеющей демпфирующих элементов, в качестве сверхпроводника использовано соединение редкоземельных купратов общей формулы ReBa2Cu3O7-x, где Re - редкоземельный металл, а слабая связь образована бикристаллической границей.1. A superconducting device based on a multi-element structure of Josephson junctions, containing a chip (bicrystal substrate), which includes a line for setting the input electromagnetic signal in the form of a superconducting strip transmission line, designed to supply a microwave signal and convert it to magnetic flux and a multi-element superconducting structure from Josephson junctions (DP), consisting of a series connection of superconducting two-contact quantum interferometers (SQUIDs) having non-multiple areas representing a superconducting quantum interference filter (SKIF structure), which has an increased gain and high linearity of the voltage response to the magnetic component of the electromagnetic signal in the frequency band of 0.1-10 GHz, as well as an output element made in the form of a superconducting strip line transmission, characterized in that it contains a matching board, designed to set the input electromagnetic signal into the resonant circuit of the SKIF structure on the chip and remove the output signal using microstrip line and transmit it to the output coaxial connector, wherein at one side of the board has a matching input and output microstrip lines, and on the other side of the board resonator is configured as a U-shaped slot line and a length λ / 2,
the dimensions of the DP that are part of a multi-element superconducting structure satisfy the condition: w <4λ J , where w is the width of the DP, λ J is the Josephson penetration depth of the magnetic field,
The SKIF structure is located inside the loop of the input line of the input electromagnetic signal, which does not have damping elements, as the superconductor, we used a compound of rare-earth cuprates of the general formula ReBa 2 Cu 3 O 7-x , where Re is a rare-earth metal, and the weak bond is formed by a bicrystal boundary.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011150668/28A RU2483392C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011150668/28A RU2483392C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2483392C1 true RU2483392C1 (en) | 2013-05-27 |
Family
ID=48792040
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011150668/28A RU2483392C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2483392C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU177295U1 (en) * | 2017-09-12 | 2018-02-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА) | FLACKSON RING DETECTOR |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6066948A (en) * | 1995-06-02 | 2000-05-23 | Seppae; Heikki | Squid magnetometer having resistor-capacitor damping circuits |
| WO2001025805A1 (en) * | 1999-10-04 | 2001-04-12 | Nils Schopohl | Device for high resolution measurement of magnetic fields |
| WO2004114463A1 (en) * | 2003-06-13 | 2004-12-29 | QEST Quantenelektronische Systeme Tübingen GmbH Sitz Böblingen | Superconductive quantum antenna |
| US20050052181A1 (en) * | 2001-06-01 | 2005-03-10 | Simon Lam | Method and apparatus for magnetic field measurement |
| RU2325004C1 (en) * | 2006-09-27 | 2008-05-20 | Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова | Shf-amplifier based on high-temperature superconducting quantum interference device (squid) |
| RU2353051C2 (en) * | 2007-06-06 | 2009-04-20 | Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова | Superconducting wide-band shf amplifier |
-
2011
- 2011-12-14 RU RU2011150668/28A patent/RU2483392C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6066948A (en) * | 1995-06-02 | 2000-05-23 | Seppae; Heikki | Squid magnetometer having resistor-capacitor damping circuits |
| WO2001025805A1 (en) * | 1999-10-04 | 2001-04-12 | Nils Schopohl | Device for high resolution measurement of magnetic fields |
| US20050052181A1 (en) * | 2001-06-01 | 2005-03-10 | Simon Lam | Method and apparatus for magnetic field measurement |
| WO2004114463A1 (en) * | 2003-06-13 | 2004-12-29 | QEST Quantenelektronische Systeme Tübingen GmbH Sitz Böblingen | Superconductive quantum antenna |
| RU2325004C1 (en) * | 2006-09-27 | 2008-05-20 | Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова | Shf-amplifier based on high-temperature superconducting quantum interference device (squid) |
| RU2353051C2 (en) * | 2007-06-06 | 2009-04-20 | Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова | Superconducting wide-band shf amplifier |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU177295U1 (en) * | 2017-09-12 | 2018-02-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА) | FLACKSON RING DETECTOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Operation of high-sensitivity radio frequency superconducting quantum interference device magnetometers with superconducting coplanar resonators at 77 K | |
| US20130043945A1 (en) | System and Method for High-Frequency Amplifier | |
| CA2795721C (en) | Phase quantum bit | |
| Knuutila et al. | Effects on dc SQUID characteristics of damping of input coil resonances | |
| JP5347718B2 (en) | Mixer and frequency converter | |
| US5488382A (en) | Low noise amplifier | |
| RU2483392C1 (en) | Superconductive appliance based on multi-element structure from josephson junctions | |
| Ranzani et al. | A 4: 1 transmission-line impedance transformer for broadband superconducting circuits | |
| Zhang et al. | Washer rf SQUID magnetometers with coplanar resonators at 77K | |
| Nakanishi et al. | Integrated DC–SQUID Magnetometer | |
| Michel et al. | New RF magnetic stripe inductors with flanges based on exchange-coupled magnetic films | |
| Snigirev et al. | Superconducting quantum interference filters as RF amplifiers | |
| RU2325004C1 (en) | Shf-amplifier based on high-temperature superconducting quantum interference device (squid) | |
| Stitzer et al. | A multi-octave frequency selective limiter | |
| Zhang et al. | Operation of high‐temperature rf SQUID magnetometers using dielectric SrTiO3 resonators | |
| Shanehsazzadeh et al. | Integrated Monolayer Planar Flux Transformer and Resonator Tank Circuit for High-$ T_ {c} $ RF-SQUID Magnetometer | |
| Graninger et al. | Microwave switch architecture for superconducting integrated circuits using magnetic field-tunable Josephson junctions | |
| Cantor et al. | Design and optimization of DC SQUIDs fabricated using a simplified four-level process | |
| Mück et al. | Planar microwave biased RF-SQUIDs in niobium technology | |
| Daly et al. | YBa/sub 2/Cu/sub 3/O/sub 7/step-edge RF SQUID biased at 10 GHz | |
| Rafique et al. | Niobium tunable microwave filter | |
| Willemsen et al. | Vortex dynamics at microwave frequencies in patterned YBa2Cu3O7− δ thin films | |
| Wang et al. | High-performance electrically tunable RF phase shifter with the application of PZT and permalloy thin-film patterns | |
| Mück et al. | Microstrip superconducting quantum interference device amplifier: Operation in higher-order modes | |
| Polushkin et al. | Effect of an input coil microwave resonance on dynamics and noise properties of a dc superconducting quantum interference device operating close to the hysteretic mode |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201215 |