3.1.3. Резонаторы

К устройствам частотной селекции относятся также резонаторы. Они предназначены для отбора колебаний путем возникновения резонанса колебаний определенной частоты. Частота резонанса зависит от конструкции резонатора.

СВЧ резонаторы используются в качестве узкополосного фильтра или элемента фильтра. Это один из наиболее важных пассивных микроэлектронных компонентов СВЧ диапазона. Считается, что применение ВТСП пленок в резонаторах позволит снизить шумовой сигнал в 100 и более раз, а полосу пропускания уменьшить в 10 раз.

Простейшие плоские СВЧ резонаторы имеют в плане форму треугольника, диска или кольца. Резонансная частота определяется линейными размерами и величиной диэлектрической проницаемости.

Специфика сотовой связи в России требует больших уровней пиковых мощностей (до тысяч ватт) передающих базовых станций. Для достижения поставленной задачи фильтры в традиционном исполнении не пригодны в силу ограниченности транспортного тока. Наиболее подходящим в данном случае является использование дисковых ВТСП резонаторов, работающих с колебаниями тока ТМ 010 и текущих радиально с ВЧ – токами. Если для фильтров приемных устройств большое значение имеют малые габариты, то одним из основных требований к фильтрам передающих устройств является большая допустимая пропускаемая мощность. При создании компактных планарных фильтров с высокой добротностью (> 100) и допустимой мощностью 50 мВт перспективно использование дисковых резонаторов. Разработаны резонаторы на базе Y-123 и Tl-2232 пленок. При этом достигается выигрыш в 8 – 10 раз в габаритах и массе по сравнению с традиционными объемными резонаторами.

На микрополосковых резонаторах был создан трехполосный фильтр (f₀ = 1,95 ГГц). Каждый резонатор был создан из пленки Y-123, осажденный на обе стороны подложки LaAlO₃ диаметром 50,8 мм. Цепочка состоит из трех вертикально связанных микрополосковых резонаторов, разделенных прокладкой. Такой фильтр при мощности 70 Вт обеспечивает ток 1,2 А, диссипативные потери составляют 40 мВт, что предъявляет определенные требования к системе охлаждения. Относительная полоса пропускания фильтра составляет 1,2% при неравномерности 0,6 дБ. Расчеты показывают, что 9 – полосный фильтр аналогичной конструкции будет иметь относительную полосу пропускания 0,75% и сможет коммутировать мощность свыше 1 кВт.

3.1.4. Приборы наS–Nпереходах

Отдельное место в СВЧ электронике занимают приборы, использующие переход сверхпроводящее – нормальное (S – N) состояние. При этом решающее значение имеет переход СВЧ поверхностного сопротивления пленки при переходе ее из S в N состояние. Отношение поверхностных сопротивлений R_N/R_S может достигать 10³ – 10⁵.

Переключение может быть инициировано различными факторами. Мы кратко остановимся на трех случаях: переключение транспортным током(СВЧ ограничитель импульсов), переключениеуправляющим импульсом(СВЧ модулятор) и переключениелазерным излучением(перестраиваемый СВЧ фильтр).

Представляет интерес использование S-Nперехода в схемах защиты входа радиотехнической системы от попадания мощного внешнего электромагнитного импульса, вызванного радиотехническими средствами или природными явлениями (молния и т. п.). На рис. 3.3, а приведена простейшая схема защиты приемника путем ограничения сигнала на его входе.

а) б)

Рис. 3.3. Схема ограничителя СВЧ импульсов (а); б – передаточная характеристика; 1 – ВТСП пленка, 2 – подложка

При слабом уровне сигнала пленка представляет собой почти чистую индуктивность, включенную в цепь полосового фильтра, затухание которого ничтожно мало. При превышении сигналом порогового уровня происходит переход S-Nв пленке и затухание фильтра резко возрастает.

Переходная характеристика такого фильтра – ограничителя показана на рис. 3.3, б. Под действием импульса I≥ 3I_пр (I_пр– ток началаS–Nперехода) разрушениеS– состояния в пленкахNb,NbNпроисходит за время порядка 10^-10с. ВТСП пленки имеют постоянную времени на 1 – 2 порядка меньше (10^-12– 10^-11с). Столь малые времена переключения обеспечивают быстродействие ограничителей на основе сверхпроводящих пленок, гарантирующие малую энергию пика просачивания (τ), который проходит через ограничитель на входе приемника. По этому параметру сверхпроводниковые ограничители превосходят все традиционно используемые ограничители на основе плазменных разрядников (τ ≈ 0,5 мкс), металлоокисных варисторов (τ≈ 0,2 мкс), полупроводниковых диодов (τ≈ 1 нс).

Схема компланарного модулятораСВЧ сигнала представлена на рис. 3.4, а.

а) б)

Рис. 3.4. Компланарный СВЧ модулятор (а), использующий S-Nпереход: 1 – ВТСП пленка; 2 – генератор управляющих импульсов; б – осциллограммы управляющих импульсов и изменения затухания тракта во времени

СВЧ волна проходит по компланарной линии передачи (1). Переход S–Nэтой линии вызывается импульсами управляющего тока (I_упр>I_с) генератора (2). В случае незначительного превышения управляющего тока (I_упр) над критическим током (I_с) пленки, время переходаS–Nсоставляет 10^-9– 10^-8с. Затухание СВЧ волны в линии изменяется от 0,3 до 40 дБ.

Управлять S–Nпереходом можно также с помощью оптического излучения, например, лазерного. Таким образом можно перестраивать параметры СВЧ фильтра, СВЧ генератора и т.д. На рис. 3.5 приведена схемаS–Nключа на тонкой пленке сверхпроводника с управлением импульсом излучения гетеролазера.

а) б)

Рис. 3.5. S–N– переход с лазерным управлением (а): 1 – гетеролазер; 2 – световод; 3 – ВТСП пленка на диэлектрической подложке; б – АЧХ фильтра с управляемой добротностью

Большая крутизна фронта излучения гетеролазера и малая тепловая инерционность тонкой пленки сверхпроводника на подложке с высокой теплопроводностью позволяют получать на традиционных сверхпроводниках (Nb,NbN) продолжительность процесса переключения порядка 10^-8с при разрушенииS– состояния и порядка 10^-7с при его восстановлении. Длительность переходных процессов определяется длительностью процессов тепловой релаксации в системе пленка – подложка. В ВТСП пленках эти процессы протекают быстрее и время переключения здесь меньше.

Если воздействовать излучением на элемент фильтра(рис.3.5, а), то его переходS–Nрезко изменяет частотную характеристику (рис. 3.5, б).

С помощью оптического излучения можно также модулировать составляющие высокочастотного импеданса ВТСП пленок, которые являются нелинейными элементами [19]. Если на ВТСП пленку падает модулированный по интенсивности оптический сигнал

, (3.9)

где Ф₀– интенсивность излучения,

ω_M– частота модуляции,

t– время,

то активная (сопротивление) и реактивная (кинетическая индуктивность) составляющие поверхностного импеданса пленки модулируются по закону “накачки”, т.е.:

, (3.10)

, (3.11)

где m_L,m_R– глубины модуляции,

t_С=Т/Т_С.

Таким образом с помощью лазерного облучения ВТСП элемента в цепи RC – генератора можно осуществлять оптическое управление генератором.