3.3.5. Генераторы

Для создания приемных устройств субмиллиметрового диапазона волн одной из наиболее сложных является проблема источников излучения. Традиционно в этом диапазоне используют следующие типы генераторов.

1. Линии обратной волныобладают узкой полосой генерации (менее 1 МГц), возможностью электрической перестройки частоты, выходной мощностью порядка милливольта, высокой частотой генерации (1,5 ТГц). Однако для их работы необходимы массивные постоянные магниты и высокое напряжение (до 6 кВ).

2. Широкополосные источники теплового излученияна основе ртутно-кварцевых ламп в сочетании с интерферометрами позволяют получить спектральное разрешение до 1 ГГц в терагерцовом диапазоне. Эти конструкции громоздки и обладают малым уровнем мощности в полосе пропускания линии (<0,1 нВт).

3. Полупроводниковые диоды Ганнагенерируют только в отдельных точках, содержат большое число механических настроек и не позволяют получить частоты генерации существенно выше 1 ТГц.

4. Субмиллиметровые газовые лазерыпозволяют генерировать достаточную мощность в терагерцовом диапазоне тоже только в отдельных точках. Они громоздки, потребляют большую мощность.

В качестве малогабаритных и дешевых источниковсубмиллиметровогоизлучения, совместимых температурно и технологически с криоэлектронными приемными системами, могут быть использованы устройства на базе джозефсоновских переходов в ВТСП материалах. Эти переходы потенциально могут генерировать излучение на частотах вплоть до десятков терагерц, что определяется большой величиной энергетической щели такого сверхпроводника.

Как мы уже отмечали (п. 1.5), одиночный джозефсоновский переход при подаче на него постоянного напряжения смещения Uгенерирует колебания на частоте, определяемой джозефсоновским соотношением:

ω=2еU/ħ. (3.23)

Согласовав такой источник с приемным трактом, можно построить электрически перестраиваемый в широкой полосе генератор субмиллиметрового излучения. На основе ниобиевых распределенных переходов построены генераторы на потоке флаксонов, которые позволяют формировать колебания на частотах до 600 ГГц и подавать их на туннельные сверхпроводниковые переходы гетеродина. Для ниобиевых переходов более высокие частоты недостижимы, поскольку величина энергии кванта превышает величину энергетической щели в этом сверхпроводнике. Однако в джозефсоновских переходах на основе Y-123 величина щели превышает 20 мВ, что соответствует частоте 10 ТГц.

К недостаткам простого джозефсоновского генератораследует отнести сравнительно малую мощность излучения, составляющую в случае оптимального согласования:

P_max=I_С0V_С0/8, (3.24)

где I_С0– критический ток;

V_С0=I_С0R– характерное напряжение;

R_Н– нормальное сопротивление перехода.

Обычно эта величина не превышает 1 мкВт. Корме того, линия джозефсоновской генерации слишком широка:

Δf=(2ħ/Ф₀²)R_HkT, (3.25)

или

Δf [МГц]=40R_H [Ом]T [K]. (3.26)

Для одиночного перехода ширина генерации оказывается равной 10 ГГц, для ее сужения можно уменьшить сопротивление перехода и температуру; однако при снижении сопротивления могут уменьшаться характерное напряжение и мощность генерации, а снижение температуры не всегда возможно. Более перспективным оказывается синхронизация колебаний нескольких джозефсоновских генераторов. Примером применения таких цепочек является гетеродин для интегральных смесителей и стандарт напряжения.

Интеграция элементов может осуществляться с использованием квазисосредоточенных элементов, когда группы джозефсоновских переходов сосредотачиваются в области линии передачи размером менее четверти длины волны. В таких структурах эквивалентная схема представляет собой сосредоточенные емкости и индуктивности, а потери определяются паразитным излучением и рассогласованием отдельных переходов и питающего тракта. В этих конструкциях джозефсоновские переходы объединяются в цепочки, включенные в общую приемную антенну или линию передачи как квазисосредоточенную структуру.

В цепочках для гетеродинов используются одномерные или двумерные топологии, но при превышении частоты более 100 ГГц трудно синхронизировать большое количество переходов на площади менее миллиметра. С ростом частоты возрастают потери, и ухудшается согласование импедансов. Одной из причин возрастания потерь являются микрополосковые линии, которые обладают высокими потерями при низких импедансах. В ниобиевых схемах характерный импеданс составляет порядка 1 Ом, что определяется шириной проводника и толщиной изолятора. Увеличение импеданса может быть достигнуто увеличением толщины изолятора и ширины полоски, но это приводит к возрастанию потерь на излучение и ухудшению совместимости с технологией формирования джозефсоновских переходов.

Проблему интеграции и синхронизации джозефсоновских переходов решают посредством резонансного взаимодействия колебаний решетки планарных антенн. В этом случае каждый переход включен в свою планарную атенну и участвует в процессе интерференции излученных волн. Излучение превращается из паразитного эффекта рассеяния мощности в позитивный механизм взаимодействия. Квазиоптические лучеводные системы отличаются меньшими потерями на частотах более 100 Гц. Такое решение позволяет непосредственно согласовать решетку антенн детектора или стандарта напряжения с источником внешнего излучения, или решетку генераторных переходов с потребителем излучения или СДС-смесителем.