УСИЛИТЕЛЬ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 1994 года по МПК H01L39/16 H03F19/00 

Изобретение относится к усилителям высокочастотных электромагнитных волн с использованием сверхпроводников и может быть использовано во входных приемных устройствах в качестве предварительного усилителя, а также в качестве межблочного усилителя в сверхбыстродействующих ЭВМ на основе сверхпроводящих логических элементов.

Известны конструкции твердотельных усилителей, в которых электроны и дырки, дрейфующие в полупроводниковом стержне или пленке под воздействием приложенного внешнего электрического поля, взаимодействуют с синхронно бегущим по замедляющей системе полем усиливаемого электромагнитного сигнала.

Недостатком такой конструкции усилителя является низкий коэффициент усиления и узкая полоса усиливаемых частот, она неприемлема для широкополосных приемных устройств и межблочных усилителей сверхбыстродействующих ЭВМ с пикосекундными импульсами.

Известен усилитель бегущей волны, выбранный в качестве прототипа, содержащий токонесущий элемент с двумя контактами на концах и зам.систему, которая электрически соединена с входной и выходной линиями передачи и отделена от токонесущего элемента, в котором токонесущий элемент выполнен в виде тонкой сверхпроводящей пленки, нанесенной на диэлектрическое основание, а зам.система выполнена в виде ферритового намагниченного слоя с замедленной магнитостатической волной, обладающей дисперсионными свойствами [1].

Недостатком такой конструкции является узкая полоса усиливаемых частот, определяемая дисперсией замедляющей системы и наличием односкоростного потока электронов (дырок), синхронно движущихся с бегущей по замедляющей системе электромагнитной волной, а также низкая эффективность взаимодействия.

Известно, что замена односкоростного электронного потока двускоростным с тем же суммарным током, позволяет существенно расширить полосу усилителя ЛБВ. С другой стороны, исключение соударений носителей тока с примесями в полупроводнике (т.е. ν ->> 0) резко увеличивает коэффициент усиления твердотельного усилителя бегущей волны.

Техническим результатом от применения изобретения является расширение рабочей полосы частот и повышение коэффициента усиления твердотельного усилителя бегущей волны за счет замены одного односкоростного токонесущего элемента двумя разноскоростными и применения в качестве носителей тока сверхпроводящих куперовских пар вместо дрейфующих вихрей Абрикосова.

Это достигается тем, что в известную конструкцию твердотельного усилителя, содержащую токонесущий элемент с контактами на концах и указанную систему, которая электрически соединена с входной и выходной линиями передачи и отделена диэлектрическим слоем от токонесущего элемента, который выполнен в виде сверхпроводящей пленки, нанесенной на диэлектрическое основание толщиной не более глубины проникновения поля в сверхпроводник, введены дополнительный токонесущий элемент и дополнительный диэлектрический слой толщиной не менее 30 , который расположен между сверхпроводящими пленками. Диэлектрическое основание выполнено в виде спирали. Как вариант основание может быть выполнено в виде пластины, а замсистема - в виде зигзагообразного проводника, при этом она выполнена в виде входного модулирующего проводника и выходного съемного проводника, расположенных по продольной оси и разделенных пространством дрейфа. Как вариант входной и выходной проводники выполнены в виде проводников щелевой линии, образующих плоский резонатор.

Практически предлагаемая конструкция усилителя бегущей волны является твердотельным аналогом вакуумного прибора, представляющего собой синтез электронно-волновой лампы и лампы бегущей волны.

На фиг. 1 показан общий вид усилителя; на фиг. 2 - вольтамперная характеристика сверхпроводящей пленки усилителя; на фиг. 3-7 изображены другие варианты конструктивного исполнения усилителя.

Усилитель бегущей волны (см. фиг. 1) содержит тонкую сверхпроводящую пленку 1, находящуюся в сверхпроводящем состоянии, два контакта 2 на концах сверхпроводника, через которые на пленку 1 подается напряжение от источника Е₁, и тонкую дополнительную пленку сверхпроводника 3, расположенную над пленкой 1, с контактами 4 на концах, через которые на пленку 3 подается напряжение от источника Е₂. Пленки 1 и 3 соединены между собой дополнительным диэлектрическим слоем 5, толщина которого выбирается не менее 30 , для того, чтобы между пленками 1 и 3 отсутствовал эффект Джозефсона и туннелирование неспаренных электронов.

Через слой диэлектрика 6 пленка 1 соединена с плоским металлическим экраном 7, а пленка 3 через слой диэлектрика 8 - с зигзагообразным проводником 9 (т.е. с замедляющей системой).

Проводник 9 с диэлектрическими слоями 5, 6, 8 и металлическим экраном 7 образуют несимметричную полосковую линию замедления для снижения фазовой скорости усиливаемого электромагнитного сигнала до средней скорости движения куперовских пар в пленках 1 и 3.

Концы проводника 9 электрически соединены с входной передающей линией 10, по которой на усилитель подается усиливаемый электромагнитный сигнал от источника 11, а с другой стороны - с выходной передающей линией 12, по которой усиленный сигнал от усилителя подается в нагрузку 13.

Другой возможный вариант усилителя показан на фиг. 3-5.

Усилитель содержит тонкую пленку первого сверхпроводника 1, два контакта 2 на концах сверхпроводника, через которые на пленку 1 подается напряжение от источника Е₁. Пленка 1 нанесена на диэлектрический стержень 3 и сверху покрыта слоем диэлектрика 4 толщиной более 30 , на который нанесена вторая сверхпроводящая пленка 5 с контактами на концах 6, через которые на пленку 5 подается напряжение от источника Е₂. Через слой диэлектрика 7 на пленку 5 навита спираль 8, которая на входном конце усилителя кондуктивно или электрически связана с входной линией передачи 9 и источником электромагнитных колебаний 10.

Выходной конец спирали также кондуктивно или электрически связан с выходной линией передачи 11 и нагрузкой 12.

Еще больше расширить рабочую полосу частот усилителя позволяют конструкции, показанные на фиг. 6, 7.

Третий вариант конструктивного исполнения усилителя изображен на фиг. 6. Усилитель содержит тонкую пленку первого сверхпроводника 1 с двумя контактами 2 на концах, через которые на пленку 1 от источника Е₁подается напряжение, и тонкую пленку второго сверхпроводника 3, расположенную над пленкой 1, с контактами 4 на концах, через которые на пленку 3 подается напряжение от источника Е₂. Пленки 1 и 3 соединены между собой слоем диэлектрика 5 толщиной не менее 30 . Через слой диэлектрика 6 пленка 1 соединена с плоским металлическим экраном 7, а пленка 3 через слой диэлектрика 8 - с входным 9 и выходным 10 отрезками зигзагообразных проводников.

Входной отрезок проводника 9 электрически соединен с входной передающей линией 11, по которой на усилитель подается усиливаемый сигнал, а выходной отрезок проводника 10 - с выходной передающей линией 13, через которую усиленный сигнал подается в нагрузку 14.

Входной зигзагообразный проводник 9 и выходной зигзагообразный проводник 10 совместно с диэлектрическими слоями 5, 6, 8 и металлическим экраном 7 образуют несимметричные полосковые участки линии замедления для снижения фазовой скорости усиливаемого электромагнитного сигнала до средней скорости движения куперовских пар в пленках 1 и 3.

Четвертый вариант усилителя бегущей волны показан на фиг. 7. Усилитель содержит тонкую пленку первого сверхпроводника 1 с двумя контактами 2 на концах, через которые на пленку 1 от источника Е₁подается напряжение, и тонкую пленку второго сверхпроводника 3, расположенную над пленкой 1, с контактами 4 на концах, через которые на пленку 3 подается напряжение от источника Е₂. Пленки 1 и 3 соединены между собой слоем диэлектрика 5 толщиной более 30 . Через слой диэлектрика 6 пленка 1 соединена с плоским металлическим экраном 7, а пленка 3 через слой диэлектрика 8 - с входным отрезком щелевой полосковой линии, образованной проводниками 9, 10 и с выходным отрезком щелевой полосковой линии, образованной проводниками 11, 12.

Проводники входного отрезка щелевой полосковой линии 9, 10 электрически соединены с проводниками входной передающей линии 13, через которую от источника 14 на усилитель подается усиливаемый электромагнитный сигнал. Проводники 11, 12 выходного отрезка щелевой полосковой линии электрически соединены с проводниками выходной передающей линии 15, по которой усиленный сигнал с усилителя передается в нагрузку 16. Отрезки входной щелевой полосковой линии 9, 10 образуют плоский входной резонатор, предназначенный для модуляции движущихся куперовских пар в пленках 1 и 3 по скорости.

Выходной плоский резонатор, образованный проводниками 11, 12 выходной щелевой полосковой линии, предназначен для съема усиленного сигнала от движущихся сгруппированных куперовских пар в пленках 1 и 3.

Все проводящие и изолирующие слои усилителя могут быть изготовлены методом вакуумного напыления и методом фотолитографии.

Для уменьшения потерь проводник, образующий линию замедления, может изготавливаться из сверхпроводящего материала произвольной толщины, а для предотвращения возбуждения усилителя средняя часть пространства взаимодействия может иметь локальный поглотитель энергии.

Усилитель, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом.

Источники Е₁ и Е₂, электрически соединенные через переменные резисторы R₁ и R₂ cоответственно с контактами 2 и 4 на концах пленок 1 и 3, находящихся в сверхпроводящем состоянии, создают в них направленное движение куперовских сверхпроводящих пар электронов, причем движение электронных пар направлено от входа (входной передающей линии 10) усилителя к его выходу. Поскольку сверхпроводящие пленки 1 и 3 разделены слоем диэлектрика 5 толщиной не менее 30 , то куперовские пары и несконденсированные электроны не могут туннелировать из пленки 1 в пленку 3 и обратно.

Поэтому токи в пленках 1 и 3 текут независимо друг от друга и фазы сверхпроводящих пар в пленках 1 и 3 также могут меняться независимо друг от друга.

Сверхпроводящие электронные пары в пленках 1 и 3 при движении не испытывают соударений с примесями и решеткой, причем скорость движения пар определяется следующими соотношениями:
V₁= =
V₂= = где V_1,2 - скорость движения пар в пленках 1 и 3 соответственно;
I_1,2= - токи, текущие через пленки 1 и 3;
n_1,2 - концентрации сверхпроводящих пар в пленках 1 и 3;
t_1,2; h_1,2 - ширина и толщина пленок 1 и 3;
Е_1,2 - ЭДС источников 1 и 2;
r_1,2 - суммарное сопротивление электрической цепи пленок 1 и 3 (источников питания, переменного резистора 1, 2 и подводящих проводов);
е - заряд электрона.

Электромагнитная волна, подлежащая усилению, подается от источника 11 через входную передающую линию 10 на вход усилителя и, распространяясь по зигзагообразному проводнику 9, создает между ним и металлическим экраном 7 электромагнитное поле, пронизывающее тонкие сверхпроводящие пленки 1 и 3. Сверхпроводящие электронные пары, двигаясь вдоль пленок 1 и 3 с различными скоростями V₁ и V₂, под воздействием поля бегущей волны вдоль проводника 9 группируются в сгустки точно так же, как это происходит с двускоростным электронным пучком в вакуумной ЛБВ. Далее так же, как и в двускоростной ЛБВ, сгруппированные в сгустки куперовские пары в пленках 1 и 3 взаимодействуют между собой, образуя нарастающую волну пространственного заряда, как в электронно-волновой лампе (ЭВЛ - тип взаимодействия).

В свою очередь эта нарастающая волна пространственного заряда, взаимодействуя с синхронно бегущим полем в замедляющем проводнике 9 и тормозясь в нем, вызывает экспоненциальное нарастание распространяющейся вдоль проводника 9 электромагнитной волны как в обычной односкоростной ЛБВ (ЛБВ - тип взаимодействия).

При определенном соотношении параметров ЭВЛ-тип и ЛБВ - тип взаимодействия существуют одновременно. Аналогично двускоростной ЛБВ условием такого усиления является равенство фазовой скорости распространения волны по проводнику 9 V_ф и средней скорости движения куперовских пар в пленках 1 и 3, т. е. V_ф= .

Усиленная электромагнитная волна через выходную передающую линию 12 поступает в нагрузку 13.

Изменяя токи I₁ и I₂, текущие через пленки 1 и 3 в пределах от 0 до критического значения I_с (участок ОА вольт-амперной характеристики сверхпроводящей пленки на фиг. 2) с помощью переменных резисторов R₁ и R₂, можно в широких пределах изменять скорости дрейфа пар V₁ и V₂, тем самым выбирать оптимальный режим работы усилителя. При увеличении токов I₁ и I₂ больше критического I_с вольт-амперная характеристика пленок терпит разрыв (участок АВ на фиг. 2) и пленки скачкообразно переходят в нормальное резистивное состояние (участок В С на фиг. 2), при котором все куперовские пары распадаются на несвязанные электроны.

Оптимальные толщины сверхпроводящих пленок h_1,2 не должны превышать глубины проникновения электромагнитного поля в сверхпроводник, так как в противном случае до электронных пар, находящихся глубже, поле электромагнитной волны, распространяющейся по проводнику 9, не проникает и они дрейфуют в пленках 1 и 3 с постоянной скоростью, не участвуя в группировке пар и приводя к ненужным потерям мощности источников Е₁ и Е₂на резисторах R₁ и R₂.

Усилитель, изображенный на фиг. 3-5, работает следующим образом. Источники Е₁ и Е₂, электрически соединенные через переменные резисторы R₁ и R₂ соответственно с контактами 2 и 6 на концах пленок 1 и 5, находящихся в сверхпроводящем состоянии, создают в них направленное движение куперовских сверхпроводящих пар электронов со скоростями V₁ и V₂, причем движение пар направлено от входной передающей линии 9 к выходу усилителя.

Так как толщина диэлектрика 4, разделяющего пленки 1 и 5, не менее 30 , то токи в пленках 1 и 5 текут независимо друг от друга. Усиливаемая электромагнитная волна подается от источника 10 через передающую линию 9 на вход спирали 8 и, пронизывая пленки 1 и 5, модулирует движущиеся в них куперовские пары с разными скоростями V₁ и V₂. За счет ЭВЛ-взаимодействия между движущимися куперовскими парами в пленках 1 и 5 возникает нарастающая волна пространственного заряда куперовских пар, которая, двигаясь синхронно с бегущей по спирали 8 электромагнитной волной и тормозясь в ней (ЛБВ-тип взаимодействия), вызывает ее усиление. Усиленная электромагнитная волна с выхода спирали 8 через выходную передающую линию 11 направляется в нагрузку 12.

Усилитель, изображенный на фиг. 6, работает следующим образом. Источники питания Е₁ и Е₂, электрически соединенные через переменные резисторы R₁ и R₂ соответственно с контактами 2 и 4 на концах пленок 1 и 3, находящихся в сверхпроводящем состоянии, создают в них направленное движение куперовских пар со скоростями V₁ и V₂, причем движение пар направлено от входной передающей линии 11 к выходу усилителя (толщиной не менее 30 ). Диэлектрик 5, разделяющий сверхпроводящие пленки 1 и 3, предотвращает туннелирование носителей между пленками 1 и 3. Усиливаемый сигнал от источника 12 через входную передающую линию 11 подается на входной отрезок полосковой линии замедления 9 и, пронизывая пленки 1 и 3, модулирует движущиеся в них с разными скоростями V₁ и V₂куперовские пары по скоростям. Промодулированные по скоростям куперовские пары в пленках 1 и 3 двигаются далее в пространство дрейфа уже без поля замедляющей системы, взаимодействуют между собой как в электронно-волновой лампе (по ЭВЛ-типу), вызывая экспоненциальный рост усиливаемого сигнала.

Взаимодействующие пары в пленках 1 и 3, двигаясь под выходным отрезком линии замедления 10, наводят в нем усиленный выходной сигнал, который через выходную линию передачи 13 направляется в нагрузку 14. Рабочая полоса частот такого усилителя ограничена только входным 9 и выходным 10 участками линии замедления.

Усилитель, показанный на фиг. 7, работает следующим образом. В сверхпроводящих пленках 1 и 3 через переменные резисторы R_1,2 и контакты 2 и 4 источниками Е₁ и Е₂ приводятся в движение куперовские пары со скоростями V₁ и V₂. Движение куперовских пар в пленках 1 и 3, разделенных слоем диэлектрика 5 толщиной более 30 , направлено от входной передающей линии 13 к выходной передающей линии 15.

Усиливаемый электромагнитный сигнал от источника 14 через входную передающую линию 13 подается на входной резонатор, образованный проводниками целевой полосковой линии 9 и 10. Ширина зазора между проводниками 9 и 10 входного резонатора (и выходного) вычисляется из соотношения
d_1,2= K , где V_1,2 - постоянные составляющие скорости дрейфа пар в пленках 1 и 3;
f - средняя рабочая частота;
K - числа 1, 2, 3...

Длина проводников входного резонатора 9 и 10 L₁ (и выходного L₂) выбирается из условия максимального согласования с входной (выходной 15) линией передачи 13. Куперовские пары в пленках 1 и 3, двигаясь под проводниками 9, 10 входного резонатора, модулируются по скорости входным сигналом. При дальнейшем движении в пространстве дрейфа за счет электронно-волнового взаимодействия между движущимися куперовскими парами в пленках 1 и 3 происходит усиление входного сигнала. Проходя под проводниками выходного резонатора 11 и 12, сгруппированные куперовские пары возбуждают в них усиленный выходной сигнал, который через выходную передающую линию 15 поступает в нагрузку 16.

Использование в усилителе бегущей волны куперовских сверхпроводящих электронных пар в качестве носителей заряда, движущихся с разными скоростями, позволяет достичь предельного усиления и в несколько раз расширить рабочую полосу частот.

Использование: во входных приемных радиотехнических устройствах в качестве предварительного усилителя. Сущность изобретения: устройство содержит два идентичных токонесущих элемента, выполненных в виде сверхпроводящей пленки, нанесенной на диэлектрическое основание. Между токонесущими элементами расположен диэлектрический слой толщиной не менее 30 . Входная и выходная линии передачи соединены с замедляющей системой, изолированной от токонесущих элементов. Токонесущие элементы имеют на концах контакты для подключения источников питания. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. УСИЛИТЕЛЬ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ, содержащий токонесущий элемент, снабженный на концах контактами, и замедляющую систему, которая электрически соединена с входной и выходной линиями передачи и отделена диэлектрическим слоем от токонесущего элемента, который выполнен в виде сверхпроводящей пленки, нанесенной на диэлектрическое основание, толщина которого не более глубины проникновения поля в сверхпроводник, отличающийся тем, что в него введены дополнительный идентичный токонесущий элемент и дополнительный диэлектрический слой, толщина которого не менее 30 и который расположен между сверхпроводящими пленками токонесущих элементов. 2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическое основание, токонесущие элементы и дополнительный диэлектрический слой выполнены в виде соосных цилиндров, а замедляющая система - в виде спирали. 3. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическое основание выполнено в виде пластины, а заземляющая система - в виде зигзагообразного проводника. 4. Усилитель по п.3, отличающийся тем, что замедляющая система выполнена в виде входного модулирующего проводника и выходного съемного проводника, которые расположены по продольной оси замедляющей системы и разделены пространством дрейфа. 5. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что входной модулирующий и выходной съемный проводники выполнены в виде проводников щелевой линии, образующих плоский резонатор.