ШИРОКОПОЛОСНАЯ СИСТЕМА ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ КРИОГЕННОГО ГЕНЕРАТОРА Российский патент 2008 года по МПК H03L7/06 G05B11/06 

Изобретение относится к системам фазовой синхронизации и может быть использовано для фазовой автоподстройки и стабилизации частоты генераторов.

Известен аналог предлагаемого технического решения - система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для терагерцового квантового каскадного лазера [1]. Квантовый каскадный лазер находится в криостате и является генератором терагерцового излучения. Его частота равна примерно 2.75 ТГц. Сигнал генератора состоит из двух близких мод и идет на смесительный элемент (болометр на горячих электронах), находящийся при температуре жидкого гелия. На выходе болометра формируется сигнал, равный разности двух мод генератора (частотой примерно 7 ГГц). Поскольку моды имеют различные коэффициенты зависимости излучаемой частоты от тока, подаваемого на квантовый каскадный лазер, частота их разностного сигнала управляется током питания генератора. По разностному сигналу производится взаимная синхронизация мод. Для этого он подается на систему ФАПЧ, включающую усилитель, электронный блок ФАПЧ на полупроводниковых элементах, спектроанализатор, и необходимые связующие элементы. В данном техническом решении для фазовой автоподстройки использовался электронный блок EIP 575 с шириной полосы до 10 КГц.

Недостатком аналога является низкая эффективность фазовой синхронизации, а именно узкая полоса синхронизации и большие фазовые шумы. К недостаткам относится также то, что при попытке значительно увеличить полосу синхронизации становится существенной задержка сигнала, возникающая за счет его большого пути следования от криогенного генератора к фазовому детектору, находящемуся вне криостата при комнатной температуре.

Прототипом предлагаемого технического решения служит система ФАПЧ для длинного джозефсоновского перехода (ДДП), являющегося сверхпроводниковым генератором на однонаправленном потоке магнитных вихрей (так называемый flux-flow oscillator, FFO) [2]. Данное устройство используется для стабилизации частоты ДДП и является широкополосной системой ФАПЧ, имеющей полосу синхронизации около 12 МГц. Блок-схема устройства-прототипа показана на Фиг.1. Оно подключено к микрочипу 12, содержащему ДДП 1 и гармонический смеситель 2, основанный на переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) [3]. Микрочип 12 расположен в криостате 11 при температуре жидкого гелия (4.2 К). ДДП является перестраиваемым генератором, управляемым напряжением, и работает в диапазоне 100-700 ГГц. Гармонический смеситель 2 используется для понижения частоты сигнала ДДП 1 с нескольких сот гигагерц до 400 МГц [4]. Рассматриваемая система-прототип включает: усилители сигнала 400 МГц 4 и 5; электронный блок ФАПЧ 6, содержащий фазовый детектор, систему регулировки усиления сигнала детектора, петлевой фильтр; опорный синтезатор 7; спектроанализатор 8 для наблюдения пониженного по частоте спектра ДДП; блоки питания элементов системы. Соединительные кабели 9, 10, ведущие сигнал от элементов внутри криостата 11 к электронному блоку ФАПЧ 6 и обратно, имеют суммарную длину около 2 м.

Сигнал ДДП 1, который с помощью гармонического смесителя 2 и опорного синтезатора диапазона 19-21 ГГц 3 понижен по частоте до 400 МГц, поступает на охлаждаемый НЕМТ усилитель 4 [5], размещенный внутри криостата 11. Затем сигнал проходит через усилитель 5, расположенный вне криостата при комнатной температуре, и подается на вход электронного блока системы ФАПЧ 6. Фазовый детектор, размещенный в этом блоке, представляет собой схему на полупроводниковых элементах. В электронном блоке проводится сравнение по фазе поступившего на вход сигнала с сигналом опорного синтезатора частоты 400 МГц 7. В результате вырабатывается выходной сигнал ошибки, который подается на ДДП 1 и подстраивает его частоту.

Недостатком данной системы является ограниченная эффективность ее работы, проявляющаяся в лимитировании ее ширины полосы синхронизации и связанная с задержкой сигнала, во-первых, в микросхеме электронного блока (около 5 нс), во-вторых, в соединительных кабелях в петле ФАПЧ (около 10 нс). Ограничение, вызванное длиной проводов, является принципиальным, поскольку фазовый детектор находится вне криостата при комнатной температуре, а большая протяженность кабелей необходима, чтобы обеспечить приемлемо малый поток тепла по ним в гелиевый объем.

Цель предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности синхронизации криогенного генератора за счет уменьшения задержки сигнала в петле системы фазовой автоподстройки частоты.

Поставленная цель достигается тем, что все элементы петли системы, в том числе и фазовый детектор, размещены в криостате, что исключает необходимость наличия длинных соединительных кабелей в петле ФАПЧ.

Поставленная цель достигается также тем, что фазовый детектор выполнен в виде туннельного СИС перехода, что позволяет ему работать при температуре жидкого гелия и располагаться в одном криообъеме с генератором, т.е. в непосредственной близости от него.

Поставленная цель достигается тем, что по сравнению с прототипом СИС-переход, работая как фазовый детектор, не создает задержки в петле ФАПЧ.

Принципиально новым в представленном техническом решении, по сравнению с известным, является то, что

- все элементы петли ФАПЧ, включая фазовый детектор, размещены в криостате генератора в объеме, находящемся при температуре жидкого гелия;

- фазовый детектор выполнен в виде туннельного СИС-перехода.

Перечень фигур и графических изображений.

Фиг.1. Схема устройства-прототипа. 1 - генератор диапазона 100-700 ГГц (ДДП), 2 - гармонический СИС-смеситель, 3 - опорный синтезатор диапазона 19-20 ГГц, 4 - охлаждаемый НЕМТ усилитель (30 дБ), 4 - усилитель (60 дБ), 6 - электронный блок ФАПЧ, 7 - опорный синтезатор частоты 400 МГц, 8 - спектроанализатор, 9 и 10 - соединительный кабель длиной 1 м, 11 - криостат, 12 - микрочип.

Фиг.2. Схема предлагаемого технического решения. 1 - генератор на длинном джозефсоновском переходе (ДДП) диапазона 100-700 ГГц, 2 - гармонический смеситель, основанный на переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), 3 - опорный синтезатор частот диапазона 19-20 ГГц, 4 - первый охлаждаемый НЕМТ усилитель, 5 - второй охлаждаемый НЕМТ усилитель, 6 - криогенный фазовый детектор, выполненый на тунельном СИС-переходе, 7 - опорный синтезатор частот диапазона 0.1-1 ГГц, 8 - спектроанализатор, 9 - петлевой LC-фильтр нижних частот, 10 - микрочип, 11 - криостат.

Фиг.3. Спектры ДДП, пониженные по частоте: 1 - автономный спектр (ширина линии 3.4 МГц); 2 - синхронизированный с пощью устройства-прототипа с длиной петли 2 м (спектральное качество 72%), 3 - синхронизированный с помощью устройства-прототипа с длиной петли 3 м (спектральное качество 63%); 4 - синхронизированный с помощью устройства-прототипа с длиной петли 4 м (спектральное качество 55%).

Фиг.4. Зависимость доли синхронизируемой мощности СК от длины проводов и задержки в петле ФАПЧ устройства-прототипа. Ширина автономной линии ДДП 3.4 МГц.

Фиг.5. Экспериментально измеренные вольт-амперные характеристики СИС-перехода: 1 - автономная ВАХ, 2 - подан один сигнал, 3 - поданы два сигнала синфазно, 4 - поданы два сигнала противофазно, 5 - разность кривых 3 и 4 (фазовый отклик). Частота сигналов 4 ГГц.

Фиг.6. Зависимость тока накачки СИС-перехода I от амплитуды приходящего высокочастотного сигнала А. Напряжение на переходе 2.55 мВ.

Фиг.7. Сравнительный рисунок. Экспериментально измеренные пониженные по частоте спектры ДДП: автономная линия излучения ДДП шириной 5.5 МГц; 2 - ДДП синхронизирован предлагаемым устройством (спектральное качество 70%); 3 - ДДП синхронизирован устройством-прототипом (спектральное качество 61%).

Предлагаемое техническое решение содержит следующие основные элементы (Фиг.2): генератор на длинном джозефсоновском переходе (ДДП) 1, гармонический смеситель 2, основанный на переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), опорный синтезатор частот диапазона 19-20 ГГц 3, первый охлаждаемый НЕМТ усилитель 4, второй охлаждаемый НЕМТ усилитель 5, фазовый детектор, выполненый на тунельном СИС-переходе 6, опорный синтезатор частот диапазона 0.1-1 ГГц 7, петлевой LC-фильтр нижних частот 9. Из представленной схемы видно, что все элементы петли ФАПЧ (1, 2, 4, 5, 6, 9 и соединительные провода) расположены внутри криостата 11 обозначенного двойной пунктирной линией.

Предлагаемое устройство работает следующим образом: сигнал генератора на длинном джозефсоновском переходе (ДДП), который с помощью гармонического смесителя, основанного на переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), и опорного синтезатора частот диапазона 19-20 ГГц понижен по частоте с сотен гигагерц до промежуточной частоты диапазона 0.1-1 ГГц, поступает на первый охлаждаемый НЕМТ усилитель, а затем на второй охлаждаемый НЕМТ усилитель. Коэффициент усиления второго охлаждаемого НЕМТ усилителя варьируется до 20 дБ в зависимости от управляющего напряжения. Это позволяет регулировать мощность сигнала и общий коэффициент усиления в петле. Усиленный сигнал приходит на вход фазового детектора, выполненого на тунельном СИС-переходе. На другой вход фазового детектора, выполненого на тунельном СИС-переходе, приходит сигнал опорного синтезатора частот диапазона 0.1-1 ГГц. В зависимости от рассогласования фаз входных сигналов на детекторе вырабатывается выходной сигнал. Этот сигнал идет через петлевой LC-фильтр нижних частот, основная функция которого - предотвратить проникновение сигнала промежуточной частоты диапазона 0.1-1 ГГц с детектора на ДДП. Приходя на генератор на длинном джозефсоновском переходе (ДДП), выходной сигнал фазового детектора создает корректирующее напряжение, которое меняет мгновенную частоту и фазу генератора.

Рассмотрим физические принципы, определяющие работу системы ФАПЧ. ДДП представляет собой длинный джозефсоновский переход, в котором приложенное магнитное поле и ток смещения создают однонаправленный поток магнитных вихрей. Генераторы на основе ДДП были успешно испытаны в диапазоне 100-700 ГГц. Спектр излучения ДДП имеет лоренцевскую форму (см. Фиг.3, кривая 1), а ширина его определяется дифференциальными сопротивлениями по току смещения и току, создающему магнитное поле соответственно [6]. Лоренцевская форма спектра излучения ДДП означает, что ширина линии определяется широкополосными флуктуациями (нелинейная суперпозиция теплового и дробового шума) [3, 4, 6, 7]. Этот факт принципиально отличает генератор на основе ДДП от большинства традиционных генераторов, у которых спектр является Гауссовым, а ширина обусловлена размытием узкой собственной линии низкочастотными флуктуациями. В частности, в сверхпроводниковом интегральном генераторе на основе ДДП для проекта TELIS в диапазоне 500-700 ГГц была достигнута ширина линии от 2 до 9 МГц [7].

Чтобы использовать ДДП как гетеродин в приемнике для мониторинга узких линий, нужно улучшать его спектральные характеристики. Одной из основных таких является спектральное качество (СК), равное доле мощности излучения генератора, сосредоточенной в полосе требуемой ширины вокруг его центральной частоты. В случае применения системы ФАПЧ СК равно проценту мощности, синхронизируемой данной системой в центральном пике. Спектральное качество тем больше, чем шире полоса системы, причем для эффективной синхронизации эта ширина должна заметно превосходить автономную ширину линии генератора. Таким образом, для ДДП в диапазоне 500-700 ГГц нужна система ФАПЧ с шириной полосы синхронизации более 10 МГц.

Для такой широкополосной системы ФАПЧ становится существенной задержка сигнала в соединительных кабелях, вызванная их длиной и конечностью скорости распространения сигнала (скорости света). В устройстве-прототипе минимальная допустимая длина проводов петли составляет 2 м, что вызывает задержку сигнала 10 нс. Дополнительное увеличение длины кабелей приводит к значительному уменьшению ширины полосы синхронизации системы (см. Фиг.3 кривые 2, 3, 4). На спектрах на Фиг.3 расстояние от центрального пика до небольшого бокового пика примерно равно ширине синхронизации системы ФАПЧ. Было проведено исследование зависимости максимальной доли синхронизируемой мощности СК от длины кабелей петли L и задержки в петле ФАПЧ. Из результатов, представленных на Фиг.4. следует, что уменьшение задержки позволяет значительно увеличить эффективность системы ФАПЧ.

В предложенном техническом решении устранена проблема минимальной допустимой длины кабелей. Это достигается тем, что все элементы петли ФАПЧ, включая фазовый детектор, размещены в одном криообъеме с генератором. При этом в петле ФАПЧ практически нет перепада температуры, и, следовательно, в этой конструкции не требуются длинные соединительные кабели (суммарной длиной не менее 2 м). Для такой конструкции не требуются длинные соединительные кабели, т.к. практически нет перепада температуры в петле ФАПЧ.

Реализовать представленную схему позволило то, что в качестве криогенного фазового детектора впервые предложен и апробирован туннельный СИС-переход. Используемый СИС-переход выполнен в виде пленочной структуры Nb-AlO_x-Nb, созданной в едином вакуумном цикле стандартным методом магнетронного напыления. Предварительные исследования показали его возможность эффективно работать в качестве фазового детектора на частотах до 1 ГГц.

Раскроем физическую сущность работы СИС-перехода как фазового детектора. Типичная автономная вольт-амперная характеристика (ВАХ) перехода имеет вид кривой 1 на Фиг.5. При подаче на переход сигнала частоты порядка 1 ГГц его ВАХ изменяется и приобретает вид кривой 2 (Фиг.5). Кривые 3 и 4 показывают результат одновременной подачи двух сигналов одной частоты, причем кривой 3 соответствует синфазный случай, а кривой 4 - противофазный (разность фаз между сигналами 180 градусов). Разность между кривыми 3 и 4, показанная на Фиг.5 кривой 5, характеризует величину фазового отклика и его зависимость от напряжения перехода. Исследования показали возможность получения синусоидального фазового отклика при фиксированном напряжении СИС-перехода. Наиболее предпочтительный диапазон напряжений для работы СИС перехода как криогенного фазового детектора составляет от 2.5 до 3.3 мВ

Более полно раскрыть физические свойства криогенного фазового детектора помогает следующий анализ: полная мощность, приходящая на СИС-переход, есть результат когерентного сложения мощностей прикладываемых сигналов: где Р1 и Р2 - мощности первого и второго сигнала, а ϕ - разность фаз между ними. Амплитуда суммарного сигнала для двух важных случаев может быть записана: (синфазный случай), (противофазный случай). Таким образом в амплитудном представлении суммарный сигнал осциллирует вокруг с амплитудой (для случая P₂≤P₁), поэтому фазовый отклик может быть легко определен, если известна зависимость тока СИС-перехода от амплитуды падающего сигнала Были измерены экспериментальные зависимости тока перехода от мощности падающего сигнала I(Р) и по ним рассчитаны кривые Типичная кривая представлена на Фиг.6. Фазовый отклик максимален там, где кривая имеет наибольший наклон. Из Фиг.6 следует, что для данного напряжения на СИС-переходе это достигается при токах, меньших половины скачка тока на щели (скачком тока на щели называется скачкообразное изменение тока перехода в области напряжения щели (см. кривую 1 Фиг.5, напряжение щели 2.8 мВ). Представленный анализ позволяет определить области мощностей сигналов, вызывающих токи, при которых фазовый отклик максимален. Следует отметить, что кривые, близкие к представленной на Фиг.6, были получены также теоретически. В основе их расчета лежит формула Тьена-Гордона [8]:

где I - ток СИС-перехода, Vdc - напряжение на переходе, Vac - амплитуда напряжения падающего на переход переменного сигнала, ω - его частота, I₀(V) - ВАХ перехода без воздействия внешнего излучения (кривая 1 Фиг.5), J_n - функция Бесселя первого рода, e - заряд электрона, - крещенная постоянная планка.

Предлагаемое техническое решение, представленное схемой на Фиг.2, было сконструировано и проверено в работе. Суммарная задержка сигнала в собранном устройстве составляет около 10 нс, по сравнению с 15 нс в прототипе. Она складывается из задержки 8 нс в соединительных кабелях петли (1.6 м) и 2 нс в петлевом фильтре 9. Уменьшение задержки позволило увеличить ширину полосы системы ФАПЧ по сравнению с прототипом (сравнение кривых 1 и 2 на Фиг.7). Это привело к уменьшению фазовых шумов в спектре синхронизованного генератора и увеличило его спектральное качество. Из кривой 1 на Фиг.7 видно, что предлагаемая система ФАПЧ имеет ширину синхронизации 19 МГц. Предлагаемое устройство позволяет синхронизовать в центральном пике 70% мощности генератора с шириной автономной линии 5.5 МГц (кривая 1) против 61% для устройства прототипа (кривая 2).

К преимуществам предлагаемого технического решения следует отнести также то, что СИС-переход, работая как фазовый детектор, требует мощность входного сигнала на 40-50 дБ меньше по сравнению с прототипом. Кроме того, в предлагаемом устройстве обеспечивается возможность дальнейшего совершенствования, в частности заметное уменьшение длины соединительных кабелей за счет дальнейшей оптимизации элементов и конструкции системы.

Ссылки:

1. A.Baryshev, J.N.Hovenier, J.L.Adam, I.Kasalynas, J.R.Gao, Т.О.Klaassen, B.S.Williams, S.Kumar, Q.Hu, J.L.Reno. "Phase locking and spectral linewidth of a two-mode terahertz quantum cascade laser". Applied Physics Letters 89, 031115, 2006.

2. V.P.Koshelets, "Test of the PLL for TELIS (Breadboard model); Phase Noise and Spectral Quality of the Phase-Locked FFO", Technical Note for TELIS project, 08 May, 2003. http://www.cplire.ru/html/lab234/pubs/2003-23.pdf.

3. Лихарев К.К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

4. V.P.Koshelets, S.V.Shitov, P.N.Dmitriev, A.B.Ermakov, A.S.Sobolev, M.Yu. Torgashin, P.R.Wesselius, P.A.Yagoubov, C.Mahaini, J.Mygind. "Externally Phase-Locked Local Oscillator for Submm Integrated Receivers: Achievements and Limitations", "IEEE Trans. on Appl. Supercond.", vol.13, No 2, pp.1035-1038, June 2003.

5. Niklas Wadefalk, Anders Mellberg, Iltcho Angelov, Michael E., Barsky, Stacey But, Emmanuil Choumas, Ronald W. Grundbacher, Erik Ludvig Kollberg, Richard Lai, Niklas Rorsman, Piotr Starski, Jorgen Stenarson, Dwight C. Streit and Herbert Zirath. "Cryogenic Wide-Band Ultra-Low-Noise IF Amplifiers Operating at Ultra-Low DC Power" in IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol.51, No.6, June 2003.

6. Кошелец В.П., Шитов С.В., Филиппенко Л.В., Дмитриев П.Н., Ермаков А.Б., Соболев А.С., Торгашин М.Ю. "Интегральные сверхпроводниковые приемники субмм волн", Известия ВУЗов «Радиофизика», том XLVI, №8-9, стр.687-701, 2003.

7. В.П.Кошелец, П.Н.Дмитриев, А.Б.Ермаков, Л.В.Филиппенко, О.В.Корюкин, М.Ю.Торгашин, A.B.Худченко. «Интегральный сверхпроводниковый спектрометр для мониторинга атмосферы», Известия ВУЗов «Радиофизика», том XLVIII, №10-11, стр.947-954, 2005.

8. Tucker J.R. and Feldman M.J. "Quantum detection at millimeter wavelengths", Rev. Mod. Phys. 4 1055-1113, 1985.

Изобретение относится к системам фазовой синхронизации и может быть использовано для фазовой автоподстройки и стабилизации частоты генераторов. Достигаемый технический результат - повышение эффективности синхронизации криогенного генератора за счет уменьшения задержки сигнала в петле системы фазовой автоподстройки частоты. Предлагаемое устройство содержит генератор на длинном джозевсоновском переходе (ДДП), два охлаждаемых НЕМТ усилителя, гармонический смеситель, основанный на переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), опорный синтезатор частот диапазона 19-20 ГГц, фазовый детектор, который выполнен на туннельном СИС-переходе, петлевой LC-фильтр нижних частот, опорный синтезатор частот диапазона 0.1-1 ГГц, при этом фазовый детектор, генератор на ДДП, гармонический смеситель, два охлаждаемых НЕМТ усилителя и петлевой LC фильтр нижних частот размещены в криостате криогенного генератора. 7 ил.

Широкополосная система фазовой автоподстройки частоты для криогенного генератора, содержащая генератор на длинном джозевсоновском переходе (ДДП), гармонический смеситель, основанный на переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), опорный синтезатор частот диапазона 19-20 ГГц, последовательно соединенные фазовый детектор и петлевой LC фильтр нижних частот, опорный синтезатор частот диапазона 0,1-1 ГГц, выход которого подключен к входу фазового детектора, первый охлаждаемый (НЕМТ) усилитель, отличающаяся тем, что фазовый детектор выполнен на туннельном СИС-переходе, дополнительно введен второй охлаждаемый НЕМТ усилитель, включенный между первым охлаждаемым НЕМТ усилителем и другим входом фазового детектора, при этом сигнал с генератора на ДДП, пониженный по частоте с помощью гармонического смесителя и опорного синтезатора частот диапазона 19-20 ГГц, поступает на первый охлаждаемый НЕМТ усилитель, сигнал с фазового детектора через петлевой LC фильтр нижних частот поступает на генератор на ДДП, а фазовый детектор, генератор на ДДП, гармонический смеситель, первый охлаждаемый НЕМТ усилитель, второй охлаждаемый НЕМТ усилитель и петлевой LC фильтр нижних частот размещены в криостате криогенного генератора.