Микроволновые свойства высокотемпературных сверхпроводящих пленок и устройств на их основе

• Автор: Резник, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 202 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ДИАГНОСТИКА НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ВТСП
ПЛЕНОК
1Л. Обратные задачи нелинейной электродинамики ВТСП
1.2. Метод решения обратной задачи
1.3. Результаты численного моделирования
1.4. Исследование нелинейности ВТСП с помощью открытого резонатора
1.5. Интермодуляция в СВЧ резонаторах на основе ВТСП
ГЛАВА 2. ТЕПЛОВАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ ПОЛЕМ СВЧ
2.1. Бистабильность ВТСП пленок в электромагнитном поле
2.2. Автоволны Б-Ы переключения, стимулированные полем СВЧ
2.3. Тепловой домен в неоднородном поле СВЧ
2.4. БЧЧ переход сверхпроводниковых пленок в СВЧ полях, инициированный несверхпроводящими дефектами
ГЛАВА 3. НЕЛИНЕЙНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТРОЙСТВ СВЧ
3.1. Сверхпроводящее зеркало в сильном поле СВЧ
3.2. Нелинейные свойства сверхпроводникового резонатора Фабри-Перро
3.3. Тепловая нелинейность полоскового резонатора
ГЛАВА 4. МИНИАТЮРИЗАЦИЯ СВЧ АНТЕНН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТСП
4.1. Согласование электрически малой сверхпроводниковой антенны
4.2. Расчет эффективности и частотной характеристики
4.3. Электрически малая полосковая антенна из ВТСП
4.4. Нелинейная диссипация в миниатюрной сверхпроводниковой антенне
4.5. Оптимизация вибраторной сверхпроводниковой антенны
4.6. Перспективы применения электрически малых ВТСП антенн в контактной радиотермометрии
ГЛАВА 5. ТЕПЛОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗ ВТСП
5.1. Болометры ИК диапазона с выделенной тепловой мишенью
5.2. Антенный микроболометр СубММ и ММ диапазонов
5.3. Согласование частотно-независимой антенны с микроболометром
5.4. Термоэлектрические автоколебания в пленочных ВТСП структурах
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Введение
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в 1986 г. стимулировало огромное количество разнообразных исследований как фундаментального так и прикладного характера. Первый этап исследований по ВТСП, продлившийся приблизительно до 93-94 г., характеризовался очень широким фронтом работ в самых разных областях науки и техники. Главным побуждающим мотивом здесь служил весьма оптимистичный первоначальный прогноз возможностей применения новых ВТСП материалов с критической температурой сверхпроводящего перехода Тс более 77 К (температура кипения азота). В атмосфере эйфории тех лет любые направления работ находили как моральную так и финансовую поддержку. На втором этапе, длящемся по настоящее время, исследования перешли в более спокойное русло. Область перспективных направлений приобрела вполне очерченные рамки, причем надежды на быстрое практическое использование ВТСП для многих сфер не оправдались. На этом фоне развитие исследований по СВЧ, начавшееся сразу же после открытия ВТСП, за все прошедшее время имело динамичный поступательный характер. Неослабевающий интерес к исследованиям в данном направлении обусловлен во-первых реальными перспективами практических применений ВТСП в электронике СВЧ, во-вторых задачами контроля качества сверхпроводящих пленок и кристаллов, в-третьих еще не решенными фундаментальными проблемами физики сверхпроводников.
Среди различных стимулов развития работ по СВЧ прикладные аспекты играют в настоящее время доминирующую роль. Согласно прогнозам, сделанным на 4-м и 5-м Международных Саммитах руководителей научно-исследовательских организаций и фирм, занятых в Сверхпроводящей Индустрии (1818) в 1995, 96 г [1], объем продаж продукции из ВТСП будет испытывать в ближайшие годы экспоненциальный рост, достигнув к 2010 г. уровня 50-70 млрд. долл. США (в момент выпуска прогноза 1818 этот объем составлял -3 млрд. долл.). Хотя указанный прогноз сделан по всем видам продукции, на основе тех же данных можно утверждать, что рынок электронной техники составит не менее 30% от общего объема. Изучению перспектив применения ВТСП в различных устройствах СВЧ посвящено огромное количество публикаций, среди которых отметим здесь ряд наиболее часто цитируемых книг и обзоров [2-6]. Самым перспективным с коммерческой точки зрения станет, как ожидается, производство СВЧ фильтров для базовых станций систем связи с подвижными объектами, а также для спутниковых систем коммуникации, ТВ вещания и навигации. К настоящему вре-

определяется с высокой точностью, что позволяет легко перейти к соответствующему интегральному уравнению (1.8) для RS{H). Среди других достоинств отметим возможность сканирования по поверхности ВТСП с пространственным разрешением близким к длине электромагнитной волны, а также возможность поляризационных измерений, важных для изучения анизотропии ВТСП.
Мы использовали открытый резонатор (рис. 1.7) со сферическим и плоским зеркалами. Рабочий диапазон частот составил 34,5-36 GHz. Медное сферическое зеркало диаметром Z) = 150 тт., радиусом кривизны R= 100 пгт имело серебреную работіую поверхность. Тестируемая ВТСП пленка служила плоским рефлектором резонатора. При диаметре ВТСП d > 35 mm края пленки не влияли на добротность резонатора Q; . Расстояние между зеркалами L было выбрано близким к концентрическому 2LI R ~ 1,90— 1,95. В этом случае при работе на основной моде добротность максимальна, а диаметр фокального пятна близок к длине волны X
d0 = 2(kL / п)У2 (R / L-1)1/4 . (1.29)
В нашем случае d0 ~ 14 тт.
Мощное СВЧ излучение (до 14 W) вводилось в резонатор с помощью рупорной антенны с согласующей линзой через квадратную решетку отверстий в сферическом зеркале. Возбуждалась основная мода резонатора ТЕМщ (q=22), которая имеет вид сходящегося гауссова пучка, при этом распределение поля на ВТСП описывается формулой (1.9) с согласно (1.29). Нагруженная добротность QL резонатора при низких - Pju (линейный режим) составила Qi ~ 2 104 . Измерялась ширина резонансной кривой AfB на уровне -3 dB как функция Рт. Величина ДfB определялась по резонансной кривой, полученной с помощью диагностического генератора малой мощности, частота которого сканировалась по линейному закону вблизи резонанса моды ТЕМ00(]+1. Достаточно большой частотный интервал —1.5 GHz между q и q + 1 модами позволил выделить слабый пробный сигнал, отраженный от резонатора, на фоне мощного сигнала накачки, используя систему полосно-пропускающих фильтров на частоты диагностического генератора (рис. 1.7). С другой стороны интервал в