Твердотельный усилитель Советский патент 1992 года по МПК H01L39/16 

Изобретение относится к усилителям СВЧ с использованием сверхпроводников И может быть использовано во входных приемных радиоэлектронных устройствах в качестве предварительного малошумящего усилителя СВЧ.

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 сигнала СВЧ.

Недостатком такого усилителя является небольшой коэффициент усиления и сравнительно большой коэффициент шума (7 + 10 дБ), что неприемлемо для высокочувствительных приемных устройств.

Известен твердотельный усилитель, который представляет собой аналог вакуумной лампы бегущей волны (ЛБВ) и содержит токонесущий полупроводниковый стержзнь (или пластину) с контактами на концах для создания дрейфа зарядов, расположенный в замедляющей системе, которая электрически соединена с входной и выходной лини- ям и передачи.

Недостатком известного усилителя является наличие в полупроводниковом стержне донорных (или акцепторных) примесей, на которых происходит рассеяние дрейфующих электронов и дырок, причем чем выше частота соударений v носителей тока с примесями, тем больше носителей тока выходит из сихронизм с бегущей волной, тем меньше становится коэффициент усиления и тем больше коэффициент шума усилителя.

Целью изобретения является повышение коэффициента усиления и получение предельно низкого коэффициента шума усилителя за счет исключения соударений носителей тока с неоднородностями в токопроводящем элементе усилителя.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции твердотельного усилителя, содержащего токонесущий элемент с контактами на концах, расположенный в замедляющей системе, которая электрически соединена с входной и выходной линиями передачи, токонесущий элемент изготавливается из сверхпроводящей плен-,

ел

С

vi ел ел со

W

ю

1755339

Изобретение относится к усилителям СВЧ с применением сверхпроводников и может быть использовано во входных приемных радиоэлектронных устройствах в качестве предварительного малошумящего усилителя СВЧ. Устройство содержит токо-( несущий элемент с контактами на концах, установленный в систему замедления, соединенную с входной и выходной передающими линиями. Новым является применение в качестве токонесущего элемента тонкой сверхпроводящей пленки толщиной не более глубины проникновения поля в сверхпроводник, нанесенной на диэлектрическое основание. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

xii толщиной не более глубины проникновения поля в сверхпроводник и изолируется от замедляющей системы слоем диэлектрика.

Предлагаемый твердотельный усилитель отличается тем, что в нем токонесущий элемент выполнен в виде тонкой сверхпроводящей пленки толщиной не более глубины проникновения поля в сверхпроводник, в результате чего во взаимодействии с полем бегущей волны принимают участие ку- перовские электронные пары, не испытывающие соударений при движении.

На фиг. 1 изображен усилитель, общий вид; на фиг. 2 - вольтамперная характеристика сверхпроводящей пленки усилителя; на фиг. 3 - пример конструктивного исполнения усилителя; на фиг, 4 - разрез А-А на фиг. 3.

Твердотельный усилитель (фиг. 1) содержит тонкую пленку сверхпроводника 1, находящегося в сверхпроводящем состоянии, два контакта 2 на концах сверхпроводника, через которые на пленку 1 подается напряжение от источника Е.

Пленка 1 через слой диэлектрика 3 соединена с плоским металлическим экраном А и через слой диэлектрика 5 - с зигзагообразным проводником 6, Проводник 6 с диэлектрическими слоями 3 и 5 и металлическим экраном 4 образуют несимметричную поло- сковую замедляющую систему для снижения фазовой скорости усиливаемого сигнала СВЧ до скорости движения купе- ровских электронных пар в пленке 1,

Ко нцы проводника 6 электрически соединены с входной передающей линией 7, по которой на усилитель подается усиливаемый сигнал от источника СВЧ 8, а с другой стороны - с выходной передающей линией 9, по которой усиленный сигнал1 от усилителя подается в нагрузку 10. В средней части на проводник б с диэлектрическим слоем 5 нанесен резистивный слой 11. Все проводящие и изолирующие слои усилителя могут быть изготовлены методом вакуумного напыления, а проводник 6 - методом фотолитографии.

Пример выполнения усилителя показан на фиг. 3 и 4.

Усилитель содержит тонкую пленку 1 сверхпроводника, два контакта 2 на концах сверхпроводника, через которые на пленку 1 подается напряжение от источника Е. Пленка 1 нанесена на диэлектрический стержень 3 и сверху покрыта слоем диэлектрика 4, на который навита спираль 5. Спираль 5 на входном конце усилителя кондуктивно или электрически соединена с входной линией 6 передачи и источником СВЧ 7. Выходной конец спирали 5 также

кондуктивно или электрически соединен с выходной линией 8 передачи и нагрузкой 9, Средняя часть спирали 5 и диэлектрический слой 4 покрыты резистивным слоем 10.

Усилитель (фиг. 1) работает следующим

образом.

Источник Е внешней электрической цепи, электрически соединенный через переменный резистор R с контактами 2 на

концах сверхпроводящей пленки 1, находящейся в сверхпроводящем состоянии, создает в последней направленное движение куперовских пар сверхпроводящих электронов, причем движение электронных пар направлено от входа (входной передающей линии 7) усилителя к его выходу.

Сверхпроводящие электронные пары в пленке 1 при движении вообще не испытывают соударений с примесями и решеткой

пленки 1, причем скорость движения пар определяется следующим соотношением:

у -IL

е 2-n-e-t-h 2-n-e-t-h-R1 где Ve - скорость движения электронных пар;

I - ток, текущий через пленку 1;

п - концентрация сверхпроводящих электронов в пленке 1;

е - заряд электрона;

t, h - ширина и толщина пленки 1 соответственно;

Е - ЭДС источника питания;

R- суммарное сопротивление электрической цепи (источника питания, резистора и подводящих проводов).

Электромагнитная волна, подлежащая усилению, подается от источника 8 через входную передающую линию 7 на вход усилителя и, распространяясь по проводнику б, создает между ним и металлическим экраном 4 электромагнитное поле, пронизывающее тонкую сверхпроводящую пленку 1. Сверхпроводящие электронные пары, двигающиеся вдоль пленки 1, под воздействием СВЧ-поля бегущей вдоль проводника 6 электромагнитной волны группируются в сгустки, точно так же, как это происходит с электронным пучком в вакуумной Л Б В.

Далее так же, как и в ЛБВ, сгруппированные в сгустки электронные пары в пленке 1 начинают тормозиться в поле бегущей волны и отдают ей часть своей кинетической энергии, вызывая экспоненциальное нарастание распространяющейся по проводнику 6 электромагнитной волны. При этом аналогично ЛБВ условием усиления является равенство скорости электронных пар Ve и фазовой скорости распространения волны

по проводника 6 Уф, т е. Ve Уф.

Усиленная электромагнитная волна через выходную передающую линию усилителя 9 направляется в нагрузку 10. Пленочный поглотитель СВЧ-энергии 11 предотвращает самовозбуждение усилителя,

Изменяя ток I, текущий через сверхпроводящую пленку 1, в пределах от 0 до критического значения с (участок ОА вольтамперной характеристики пленки 1 на фиг. 2) с помощью переменного резистора R, можно изменять в широких пределах ско- рость дрейфа электронных пар Ve в пленке 1 и тем самым выбирать оптимальный режим работы усилителя. При увеличении тока I пленки 1 больше критического значения с, вольтамперная характеристика пленки терпит разрыв (участок АВ на фиг. 2) и пленка 1 скачкообразно переходит в нормальное ре- зистивное состояние (участок ВС на фиг. 2).

Оптимальная толщина сверхпроводящей пленки h усилителя не должна превышать глубины проникновения электромагнитного поля в сверхпроводник А, так как в противном случае до электронных пар, находящихся глубже, поле электромагнитной волны, распространяющейся по проводнику 6, не проникает и они дрейфуют в пленке 1 с постоянной скоростью, не участвуя в группировке пар и усилении, приводя к ненужным потерям мощности источника на резисторе R.

Усилитель, изображенный на фиг. 3 и 4, работает следующим образом.

Источник Е, электрически связанный со сверхпроводящей пленкой 1 через переменный резистор R и контакты 2, создает в ней движение сверхпроводящих электронных пар, направленное от входной передающей линии 6 к выходной линии 8.

Сигнал СВЧ, подлежащий усилению, подается от источника 7 через входную передающую линию 6 на вход спирали 5. Электромагнитное поле сигнала СВЧ проникает через диэлектрик А в пленку 1 и, двигаясь синхронно с электронными парами к выходу

усилителя, вызывает их группировку. Сгруппированные сгустки электронных пар, тормозясь в электромагнитном поле бегущей волны по спирали 5, усиливает ее. Усиленная электромагнитная волна с выхода спирали 5 через выходную передающую линию 8 направляется в нагрузку 9.

Использование в усилителе куперов- ских сверхпроводящих электронных пар в

качестве носителей зарядов, которые вообще при дрейфе не испытывают соударений с решеткой и ее примесями, позволяет достичь максимального коэффициента усиления усилителя и снизить температуру шума

усилителя до криогенных температур.

Расчет показал, что коэффициент усиления предлагаемого усилителя больше коэффициента усилителя-прототипа на 16 дБ при прочих равных условиях и имеет температуру шума и:15 К.

Формула изобретения

целью повышения коэффициента усиления и снижения коэффициента шума, токонесущий элемент выполнен в виде тонкой сверх- проеодящей пленки, нанесенной на диэлектрическое основание и толщиной не

более глубины проникновения поля в сверхпроводник.

замедления навита на него в виде спирали.

зигзагообразного проводника.

Oi П CO

in

10

t

Фиг Л

Редактор Е. Копча

Составитель В, Онушко Техред М.Моргентал

Корректор И. Шулла