3.1.1. Микрополосковые линии. Линии задержки

Исключительным свойством СВЧ схем, отличающим их от низкочастотных интегральных схем, является применение микрополосковых линий (МПЛ) как основных элементов схемы. МПЛ относится к элементам с распределенными параметрами и представляет собой, как правило, проводящую дорожку на изолированной подложке. Одно из основных требований к МПЛ – минимизация потерь при прохождении сигнала.

В сверхскоростных ЭВМ работают транзисторы, способные обеспечить логические операции при передаче информации импульсами тока или напряжения длительностью 10^-10 с крутизной фронта до 10^-11 с. Спектр таких импульсов несет частоты до 100 – 200 ГГц. При прохождении столь коротких импульсов по обычной полосковой линии из меди или алюминия сказывается частотная дисперсия, т.е. зависимость фазовой скорости от частоты. Уже на длине линии передачи в несколько сантиметров частотная дисперсия разрушает форму импульса.

Сверхпроводящие МПЛ выгодно отличаются от медных отсутствием дисперсии и малым затуханием сигналов в очень широком диапазоне частот (для ВТСП 0–10¹²Гц). Существенный выигрыш в параметрах, однако, реализуется только для достаточно длинных и узких микрополосков. Приведем значения длин полосковых линий в зависимости от ширины микрополоска, начиная с которых замена меди на ВТСП приводит к уменьшению времени распространения импульса более чем на 33% приТ= 77 К.

Таблица 3.1

Зависимость ширины микрополоска от длины линии

Длина линии, см	18	8	2	0,5
Ширина микрополоска, мкм	12	6	3	1,5

Для решения о замене проводниковой на ВТСП линию необходимо учитывать выигрыш и необходимые затраты. Так, если в супер-ЭВМ на джозефсоновских элементах использование сверхпроводниковых межэлементных соединений естественно, то в случае аналогичных ЭВМ на транзисторах целесообразность их использования не столь очевидна.

Существует, однако, целый ряд причин, не связанных с быстродействием и затуханием, по которым сверхпроводящие МПЛ могут оказаться предпочтительней медных и при длинах, меньших указанных в табл. 3.1. Одна из таких причин заключается в том, что замена меди сверхпроводниками уменьшает паразитную связь между микрополосковыми линиями.

Одно из существенных ограничений использования сверхпроводящих МПЛ связанно с их ограниченной токонесущей способностью. Для того чтобы линия оставалась в сверхпроводящем состоянии, транспортный ток не должен превышать критической величины. Этот ток, в свою очередь, определяется произведением площади поперечного сечения на плотность критического токај_с:

I_C=adj_C, (3.8)

где d– толщина микрополосковой линии;

а– ее ширина.

С учетом того, что плотность критического тока ограничена (~10⁶А/см²), а толщина пленки определяется технологией, величина транспортного тока связана с шириной пленки и последняя, как следует из табл. 3.1, зависит от длины линии.

На основе МПЛ может быть построена линия задержки, которая является простейшим процессором сигналов и предназначена для временной задержки сигналов без заметных их искажений. Линии задержки используются при необходимости обеспечения задержки сигнала от пикосекунд до микросекунд при его минимальном ослаблении. Поэтому ВТСП линия задержки предпочтительнее линий на традиционных металлах. В отрезке линии сверхпроводника ослабление может быть на три порядка ниже, чем в золотом проводнике той же длины и с таким поперечным сечением. В табл. 3.2. приведены сравнительные данные по параметрам линий задержки на поверхностно акустических волнах (ПАВ), спиновых волнах (МСВ), МПЛ на низкотемпературных сверхпроводниках и на ВТСП линиях.

Таблица 3.2