3.3.4. Приемные устройства
Необычные нелинейные свойства джозефсоновских элементов легли в основу создания радиоэлектронных устройств с рекордно высокими параметрами. К ним можно отнести приемные устройства миллиметрового диапазона волн на джозефсоновских элементах. В зависимости от поданного напряжения, джозефсоновский элемент может работать как нелинейный реактивный или активный элемент цепи, обладающий уникальными параметрами: очень высокой степенью нелинейности ВАХ и крайне низкими шумами. По этой причине на джозефсоновских элементах можно реализовать широкий набор приемных устройств в миллиметровом диапазоне: смесители, параметрические усилители, квадратичные видеодетекторы. Сложная нелинейность джозефсоновского элемента в смесителе с внешней накачкой вызывает сильное отличие его параметров от характеристики резистивного смесителя. Так, потери преобразования существенно снижаются и могут быть даже отрицательными, т.е. возможно преобразование с небольшим (≤ 3 дБ) усилением по мощности. К достоинствам смесителей с внешней накачкой можно отнести относительно высокое выходное сопротивление и большой динамический диапазон. Недостатком этих устройств является малая мощность насыщения.
К достоинствам параметрических усилителейна джозефсоновских элементах следует отнести, во-первых, возможность получения высокого коэффициента усиления, что резко снизит требования к шумам следующих каскадов приемного устройства; во-вторых, параметрические усилители могут обеспечить меньшие шумовые температуры, чем смеситель; в-третьих, возможность использования в них джозефсоновских элементов с относительно большой собственной емкостью.
Основным недостатком параметрических усилителей на джозефсоновских переходах является их малый динамический диапазон.
Квадратичные видеодетекторыявляются наиболее простым типом приемных устройств на джозефсоновских контактах, используют изменение ВАХ элемента при его облучении принимаемым сигналом. Видеосигнал на выходе такого детектора и его зависимость от напряжения смещения представлены на рис. 3.13.
Рис. 3.13. Зависимость видеоотклика ΔUот постоянного напряжения на джозефсоновском переходе
Как видно на рисунке, видеосигнал имеет два максимума: плавный при малых напряжениях и резкий асимметричный при U ≈Uf,Uf =ħf/2е. Последний связан с процессом частотной синхронизации собственной генерации джозефсоновского элемента и сильно зависит от частоты последнего. Свойства видеодетектора в этих двух режимах детектирования (широкополосном и сегментированном) сильно различаются. Наибольшее распространение получилширокополосный режимработы детекторов, вследствие того, что для элементов с сопротивлением порядка 102Ом, которые могут быть хорошо согласованы с СВЧ трактами, линия селективного отклика существенно уширяется, а его максимальная величина падает.
Селективный режимболее предпочтителен для относительно низкоомных контактов, поскольку ширина селективного видеосигнала на выходе соответствует ширине линии джозефсоновской генерации и для получения, например Δf ≈ 1 ГГц сопротивление элемента должно быть не более нескольких Ом. К настоящему времени приемники миллиметрового диапазона еще не получили широкого распространения. Это связано с тем, что попытки создания чувствительных устройств опирались в основном на применение одиночных контактов. Как отмечалось ранее, одиночные контакты не обеспечивают необходимых параметров систем из-за противоречивых требований к ним. Для хорошего согласования с внешними цепями необходимо получить большое сопротивление джозефсоновского элемента.
Успехи криогенной СВЧ электроники позволили создать на основе торцевых джозефсоновских переходов (ТДП, рис. 3.7) приемные устройствамиллиметрового и субмиллиметрового диапазона длины волн. Стабильность современных ТДП и программируемость их параметров при изготовлении позволяют создавать последовательные цепочки из этих элементов (ЦТДП). Применение ЦТДП в ряде случаев предпочтительнее, чем одиночных ТДП: в приемных устройствах можно реализовать значительно больший динамический диапазон, их легче согласовать с сигнальным трактом, они лучше защищены от электротоков и т.д.
Приемники на джозефсоновских элементах традиционно создавались без учета их специфических особенностей – наличия собственной генерации, динамических свойств, вольт-амперных характеристик и т.д. Использование этих особенностей для поиска более рациональных схем построения приемных устройств позволяет улучшить шумовые характеристики приемника и увеличить за счет этого его чувствительность.
В связи с появлением ВТСП возник естественный интерес к созданию на их основе джозефсоновских переходов. Этот интерес обусловлен не только эксплуатационными и материальными выгодами при переходе от гелиевых к азотным температурам, но и наличием у ВТСП большего, чем у низкотемпературных сверхпроводников, значения энергетической щели. Последнее способствует значительному расширению частотного диапазона, в котором могут эффективно использоваться ВТСП джозефсоновские приемные устройства [22].