УДК 621.3+538.945

Вл. М.Мухортов, д-р физ.-мат. наук, Институт общей физики РАН,

В.А.Следков, канд. физ.-мат. наук, Ростовский-на-Дону Госуниверситет,

В.М.Мухортов, канд. физ.-мат. наук, ФГУП “Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи”

Высокотемпературные сверхпроводники в современной аппаратуре связи (Перспективы применения и состояния исследований)

Часть II

Приведен краткий обзор последних публикаций, показывающих, что в ближайшем будущем найдут широкое применение высокотемпературные сверхпроводники при построении больших блоков аппаратуры связи. Это подтверждается приведенными конструкциями планарных микроволновых устройств па высокотемпературных сверхпроводниках.

Начало статьи в “Микросистемной технике” № 8, 2002

Функциональные блоки из ВТСП-модулей

СВЧ приемник

Ретрансляторы в СВЧ диапазоне

Устройства дециметрового диапазона

Суммирующие устройства и антенны

Фазированные антенные решетки

Криогенные холодильники

Выводы

Функциональные блоки из ВТСП-модулей

Достижения в проектировании отдельных элементов систем связи на основе ВТСП и криогенных холодильников позволили разработчикам аппаратуры перейти к созданию функциональных блоков, содержащих в едином охлажденном корпусе несколько соединенных между собой модулей ВТСП и полупроводниковых элементов. Создание таких блоков [1,2] позволяет получить существенный энергетический выигрыш и уменьшить габаритные размеры благодаря использованию одного холодильника.

В предыдущей части (см. “Микросистемная техника” № 8, 2002 г.) отражены успехи технологии ВТСП в разработке различных элементов для СВЧ аппаратуры. Рассмотренные ВТСП-элементы являются частями приемников или передатчиков. Преимущества таких элементов перед аналогичными элементами, выполненными по обычной технологии, особенно ярко проявились при создании блоков приемопередатчиков, состоящих из множества ВТСП-элементов [3]. Существенное улучшение качества СВЧ аппаратуры при увеличении в ней числа ВТСП-элементов стимулировало интерес разработчиков к дальнейшему расширению области применения технологии ВТСП.

СВЧ приемник

В работе [3] описан СВЧ приемник, состоящий из трех отдельных модулей: селективный малошумящий усилитель (МШУ), гетеродин и преобразователь частоты. Эти модули приемника соединены между собой коаксиальными кабелями и расположены на охлаждаемой до К медной пластине диаметром 152 мм. Селективный МШУ состоит из трехполюсного фильтра с полосой 630 МГц на центральной частоте 5,94 ГГц и четырехкаскадного МШУ. Фильтр изготовлен из ТВССО-пленки на LaAlO₃-подложке размером 5×9,8×0,25 мм и вносит потери 0,3 дБ. МШУ также изготовлен на LaAlO₃-подложке толщиной 0,25 мм и имеет коэффициент усиления дБ и дБ. Гетеродин содержит два усилителя и имеет петлю обратной связи, подключенную к входу и выходу усилителей с помощью направленных ответвителей. В петлю обратной связи включен резонатор в виде сапфирового цилиндра, к торцам которого прижаты LaAlO₃-подложки толщиной 0,25 мм, покрытые ТВССО-пленкой. Такой резонатор имеет . Частота гетеродина 10,382 ГГц, уровень мощности 12 дБм, уровень второй гармоники – 32 дБ. При отстройке на 10 кГц измеренный фазовый шум равен – 87 дБ/Гц, что соответствует собственному уровню шума спектроанализатора, на котором проведены измерения. Судя по измеренной добротности резонатора фазовый шум этого гетеродина приблизительно на 20 дБ ниже, чем у аналогичного гетеродина с обычным резонатором.

В смесителе разработанного приемника использована плата обычного коммерчески доступного смесителя и НЧ микрополосковый фильтр, подавляющий интермодуляционные колебания и частоту гетеродина. Потери преобразования охлажденного до К смесителя изменялись от 8 до 10 дБ в полосе 500 МГц относительно центральной частоты приема 6 ГГц и нижней частоты 4,3 ГГЦ. Весь приемник имеет полосу 500 МГц относительно центральной частоты приема (5,9 ГГц) и центральной частоты преобразования (4,483 ГГЦ) и при К обеспечивает дБ и дБ. Превосходные параметры этого СВЧ приемника свидетельствуют о быстром продвижении ВТСП-технологий от разработки единичных СВЧ элементов к созданию целых систем.

ВТСП успешно применяются и в специальных широкополосных сжимающих приемниках, предназначенных для определения частоты и амплитуды входного сигнала [5]. Такие приемники выполняют спектральный анализ в реальном масштабе времени и обеспечивают прием со 100%-ным перекрытием во времени, поэтому они широко используются в военных системах радиоэлектронного противодействия. Это применение требует работы в очень широкой полосе частот. На частотах выше 2 ГГц только ВТСП-технологии могут поддерживать широкую полосу частот гигагерцового диапазона в точных chirp-фильтрах. Преимущества ВТСП-сжимающего приемника по размеру, массе и мощности по сравнению с полностью числовым приемником и приемником с канальными фильтрами очевидны. Кроме того, сжимающий приемник имеет и более высокую чувствительность. Ключом к достижению этих преимуществ является добавление к ВТСП-аналоговому преобразователю высокоскоростного GaAs-аналогово-цифрового преобразователя, оцифровывающего выходной сигнал, и специальных интегральных цепей для преобразования полученных данных в цифровой блок. Основой chirp-фильтра является линия задержки с дисперсией, обеспечивающая задержку 40 не. Линия выполнена на связанных микрополосковых YBCO-линиях, сформированных на LaAlO₃-под-ложке диаметром 50 мм.

Ретрансляторы в СВЧ диапазоне

Другим примером, доказывающим преимущества ВТСП-технологии при создании сложного СВЧ блока, является ретранслятор диапазона 3,4-4,2 ГГц, предназначенный для установки на спутнике [6]. На входе ретранслятора включен полосовой фильтр, который выделяет рабочий диапазон 3,4-4,2 ГГц. Потери экспериментального образца такого восьмиполюсного ВТСП-фильтра приблизительно 0,05 дБ, а потери на отражение всего 23 дБ, благодаря чему он эффективно подавляет внеполосные шумы и практически не увеличивает шумы в рабочей полосе частот. После этого фильтра стоят МШУ, смеситель и входной мультиплексор. Все эти элементы расположены на охлаждаемом основании вместе с выходным мультиплексором. Неохлаждаемыми элементами в ретрансляторе являются переключающие матрицы и усилители мощности. Входные канальные восьмиполюсные фильтры мультиплексора рассчитаны на полосы 36 МГц и имеют квазиэллиптические характеристики для улучшения изоляции между каналами. Прямые потери этих фильтров составляют приблизительно 1 дБ, а обратные – около 16 дБ. Цепь фазового корректора вносит дополнительные потери 1,1 дБ. Выходные канальные четырехполюсные фильтры выполнены на микрополосковых резонаторах с ТМ₀₁₀-волной, обеспечивающих , и вносят потери менее 0,1 дБ при К и входной мощности 50 Вт.

Таким образом, при достигнутой к 1998 г. добротности резонатора, превышающей 10 000, входные ВТСП-фильтры имели такие же электрические параметры, как и их волноводные аналоги, но обеспечивали существенную экономию в габаритных размерах и массе. Схема приемной части при этом оставалась без изменений. Дальнейшее улучшение качества ВТСП-пленок обеспечило к 2000 г. увеличение добротности микрополосковых резонаторов до уровня (2÷5) 10⁵, что позволяет говорить о ближайшем внедрении ВТСП-технологии в современные системы связи, которое повлечет достаточно серьезные изменения в архитектуре систем. Использование ВТСП в выходных фильтрах позволяет уменьшить потери и, следовательно, снизить мощность усилителей. Это обеспечивает уменьшение их массы и габаритных размеров, а также экономию потребляемой ими энергии.

Устройства дециметрового диапазона

В устройствах дециметрового диапазона, где волноводы имеют очень большие габаритные размеры, преимущества ВТСП-технологии бесспорно. Например, уже в середине 1998 г. для диапазона 1710-1880 МГц разработаны миниатюрные микрополосковые резонаторы, имеющие при К, и ряд пассивных СВЧ элементов (пропускающие и запирающие полосковые фильтры, ответвители и диплексоры) [7]. Восьмиполюсный квазиэллиптический фильтр, изготовленный из YBCO-пленки на MgO-подложке толщиной 0,3 мм и размером 39×22,5 мм, имеет потери менее 1 дБ. Полосовой трехполюсный запирающий фильтр, изготовленный из YBCO-пленки на LaAlO₃-подложке толщиной 0,5 мм и размером 38×13 мм, в полосе 1770-1785 МГц вносит потери выше 25 дБ, а вне ее – менее 0,3 дБ. На такой же подложке изготовлен октавный гибридный ответвитель в виде тандема (потери 3 дБ). На одной подложке изготовлен ВТСП-диплексор для подключения приемника (1770-1785 МГц) и передатчика (1800-1880 МГц) к одной антенне. Диплексор содержит пару полосовых запирающих фильтров, включенных между двумя гибридными ответвителями. Потери на отражение на всех входах диплексора менее 25 дБ, прямые потери при передаче сигнала от антенны к приемнику и от антенны к передатчику менее 0,3 дБ, а развязка между приемником и передатчиком выше 35 дБ. Такие диплексоры использованы в шестиканальном приемопередатчике [3], разработанном для третьего поколения мобильных систем связи. Этот приемопередатчик объединен с одним криохолодильником и вместе с системой охранной сигнализации и защитой от молнии предназначен для установки на вершине мачты внутри влагозащитного корпуса. Три канала имеют восьмиполюсные фильтры и МШУ. Три другие канала содержат девятиполюсные фильтры. Дополнительные модули содержат мощные диплексоры, передающие фильтры, гетеродины и смесители. Охлаждение обеспечило и улучшение параметров МШУ, его уменьшился с 0,8 дБ при нормальной температуре до 0,2 дБ при К, а увеличился на 1 дБ. Размещение такого сложного блока на вершине мачты стало возможным благодаря тому, что применение ВТСП-технологии позволило уменьшить размеры блока до 650×550×300 мм, а его массу – до 37 кг. Благодаря размещению всего приемопередатчика на вершине мачты отпала необходимость в длинном радиочастотном кабеле, который ранее был необходим для соединения расположенного на земле передатчика с антенной. Отсутствие потерь в кабеле позволило уменьшить мощность источника питания. Разработанный приемопередатчик демонстрирует явные преимущества СВЧ блока на основе ВТСП по сравнению с обычным.

Суммирующие устройства и антенны

Настоящий раздел посвящен описанию антенно-фидерных элементов, созданных с использованием технологии ВТСП. В этом направлении сделан шаг к созданию ВТСП диаграммо-образующих устройств (ДОУ). Эти схемы расположены между антенной и входом приемника или выходом передатчика и формируют требуемую форму луча антенны и обычно содержат множество элементов, потери в которых ухудшают параметры аппаратуры. Поэтому ликвидация потерь в ДОУ сулит существенные выгоды.

Одним из основных элементов ДОУ является квадратурный направленный ответвитель (НО), имеющий потери 3 дБ. Данные НО используются и в схемах ВТСП-диплексоров. Авторами в работе [1] приводится описание двухшлейфного НО, а в [7] – НО типа Ланге. Первый из приведенных НО является узкополосным устройством и не может быть использован для создания широкополосных ДОУ, а НО типа Ланге содержит навесные перемычки, изготовление которых на микрополосковых линиях требует дополнительных технологических операций. Поэтому актуальна разработка широкополосных НО, наиболее подходящих к изготовлению по технологии ВТСП. В [8] предложена новая схема четырехшлейфного НО, которая в 25%-ной полосе частот обеспечивает деление с теоретическим разбалансом амплитуд менее 0,05 дБ, а фаз – менее 0,5°. Изменением ширины шлейфов можно получить НО с переходным ослаблением 0 дБ. Такой НО при обеспечении изоляции четвертого плеча может выполнять функцию устройства пересечения микрополосковых линий, которое часто встречается в конструкциях ДОУ. В [8] приведены теоретические и экспериментальные частотные характеристики нольдецибельного и трехдецибельного НО в полосе от 8 до 12 ГГЦ при К. Данные НО изготовлены на YВа₂Cu₃O₇-пленках на подложке из монокристаллического MgO. При К нольдецибельный НО выдержал мощность 30 дБм, а его потери составляют менее 0,1 дБ в полосе 30%. Трехдецибельный НО перекрыл полосу 45%. В этой же работе приводится топология четырехлучевой матрицы Батлера, состоящей из трехдецибельного и нольдецибельного НО и размещенной на одной подложке диаметром 76 мм.

Таким образом, громоздкую и тяжелую волноводную конструкцию матрицы Батлера можно заменить одной миниатюрной микрополосковой платой и снизить при этом вносимые устройством потери.

В современных системах космической связи PCS-диапазона (1,6 ГГц) используют ДОУ для создания множества лучей, освещающих поверхность Земли со спутника. Ранее ДОУ этого диапазона проектировались на многослойных полосковых или коаксиальных линиях и характеризовались большими потерями. В [9] описана структура ДОУ, формирующая 16 лучей 64-элементной антенной решетки (в составе этой ДОУ имеется 16 восьми-лучевых матриц Батлера). Приводятся результаты расчетов и измерений экспериментального образца восьмилучевой матрицы Батлера, изготовленной из ТВССО-пленки на LaAlO₃-подложке толщиной 0,5 мм. Матрица в корпусе вместе с разъемами имеет размер 76×51 мм. В полосе 300 МГц двухшлейфные НО обеспечили изоляцию выше 30 дБ и потери на отражение 25 дБ. Пересечение микрополосковых линий выполнено нанесением слоя диэлектрика на первый микрополосковый проводник и напылением на этот слой золотой перемычки, соединяющей разомкнутые концы второго проводника. Такая конструкция пересечения обеспечила изоляцию выше 40 дБ и потери на отражение 30 дБ. Прямые потери всей матрицы имели значение менее 0,2 дБ.

На спутнике необходимо размещать три 16-лучевых ДОУ. Полная масса трех таких ДОУ составляет 12,5 кг вместе с криогенным холодильником. Сравнение показывает, что ВТСП ДОУ обеспечивает наименьшие потери и почти в 10 раз легче коаксиального ДОУ, потери которого на 0,4 дБ выше.

Таким образом, к настоящему времени преимущества ВТСП-технологии при создании СВЧ техники продемонстрированы на многих устройствах вплоть до элементов антенно-фидерного тракта. Использование ВТСП является проблематичным только при конструировании антенн, поскольку в этом случае необходимо преодолеть трудности, связанные с охлаждением объектов, которые должны взаимодействовать с внешним пространством. Размеры антенны не всегда можно уменьшить, поскольку они определяют ее диаграмму направленности и коэффициент усиления . Тем не менее и в этой области ведутся активные исследования. В [10] исследована узкополосная передающая ВТСП-антенна сантиметрового диапазона (центральная частота 6,5 ГГц) с круговой поляризацией, изготовленная на YВа₂Cu₃О₇-пленках на LaAlO₃-подложке толщиной 0,5 мм и площадью 10×15 мм. Антенна представляет собой квадратный проводник, к серединам смежных сторон которого подключены выходы квадратурного шлейфного НО. Антенна выдерживала подаваемую на нее мощность до 5 Вт без ухудшения , а при 5,5 Вт наблюдалось резкое снижение значений ее параметров.

Антенна такой же конструкции на подложке размером 20×20×0,5 мм со средней частотой 4,5 ГГц исследована в работе [11]. Сравнительные испытания антенны на ВТСП-проводниках и антенны с серебряными проводниками показали, что при К первая из них имеет на 3,1 дБ больше (по расчету на 2,7 дБ).

Похожие результаты получены в [12] при исследовании миниатюрных антенн дециметрового диапазона (500-700 МГц) с линейной поляризацией, изготовленной из YBCO толстой пленки на циркониевой подложке толщиной 0,9 мм. Укороченный резонатор в виде узкой полоски с широкими прямоугольными проводниками на концах возбуждался через емкость. Сравнение двух вариантов ВТСП-антенн и таких же антенн с серебряным проводником показало, что при К ВТСП-антенны имеют на 4-5,5 дБ больше.

В [13] исследована микрополосковая четырехэлементная решетка (2×2) с линейной поляризацией, изготовленная из ВТСП-пленки на ZrO₂-подложке размерами 0,9×30×30 мм. Резонаторы в виде прямоугольников возбуждались микрополосковыми проводниками, подключенными к середине широкой стороны прямоугольников. При К на резонансной частоте 7,9 ГГц ВТСП-антенна имеет измеренный на 1,2 дБ больше (по расчету на 1,02 дБ), чем ее аналог с серебряными проводниками.

Анализ приведенных выше результатов позволяет сделать вывод: чем меньше размеры антенны по сравнению с длиной излучаемой волны, тем больший выигрыш в коэффициенте усиления обеспечивает применение ВТСП. Поэтому ВТСП-антенны будут использоваться там, где недостаток места не позволяет расположить обычные излучатели, например, в бортовых многочастотных приемных антенных решетках. Они могут найти применение и на кораблях в загоризонтных низкочастотных локаторах. Другая область применения ВТСП – антенные решетки миллиметрового диапазона, которые могут быть изготовлены на одной подложке вместе с суммирующей схемой. Исключение потерь в излучателе и суммирующей схеме позволяет существенно увеличить коэффициент усиления. Например, в [14] приведены результаты измерений 64-элементной решетки, работающей на частоте 30,5 ГГц. Решетка изготовлена из ТСВСО-пленки на LaAlO₃-подложке толщиной 0,25 мм и диаметром 50,8 мм. При К измеренный этой решетки равен 20,3 дБ, что на 4,7 дБ больше такой же решетки с золотыми проводниками при нормальной температуре.

Современное состояние ВТСП-технологии уже сейчас позволяет делать такие антенные решетки электрически управляемыми, включая в состав суммирующей схемы фазовращатели, которые могут быть изготовлены вместе с решеткой в едином технологическом цикле. Открывающиеся при этом перспективы рассмотрены ниже.

Фазированные антенные решетки

Управление лучом фазированной антенной решетки (ФАР) осуществляется изменением фазы сигналов, поданных на излучатели или отраженных от участков облучаемой поверхности. Известно много типов микроволновых фазовращателей (ФВ) с электронным управлением, использующих различные физические эффекты: полупроводниковые, ферритовые, сегнетоэлектрические, электронно-лучевые, пьезоэлектрические, лазерные, жидкокристаллические. В настоящее время наибольшее распространение получили ферритовые и полупроводниковые ФВ, поскольку они обеспечивают малые потери мощности проходящего сигнала, термостабильность и воспроизводимость параметров при серийном производстве. Однако эти ФВ характеризуются большим расходом энергии в управляющих цепях, поскольку управление осуществляется током, протекающим через обмотки магнитов ферритовых ФВ и pin-диоды или варакторы полупроводниковых ФВ. Большое энергопотребление ФАР с ферритовыми и полупроводниковыми ФВ затрудняет их использование на объектах космического базирования, имеющих ограниченные энергоресурсы. Поэтому для работы в космосе необходимо разработать ФАР на основе таких физических эффектов, которые позволяют обеспечить минимальное энергопотребление.

С точки зрения минимального энергопотребления наиболее перспективны сегнетоэлектрические ФВ, которые управляются не током, а электрическим полем. Фазовый сдвиг таких ФВ зависит от напряжения, поданного на сегнетоэлектрические конденсаторы. Если в течение какого-то времени направление луча ФАР не изменяется, то напряжение остается постоянным и токи по управляющим цепям не протекают. В управляющих цепях таких ФВ энергия расходуется на перезарядку сегнетоэлектрических конденсаторов только при изменении положения луча, поэтому энергопотребление их управляющих цепей минимально. Однако сильная зависимость параметров сегнетоэлектрических ФВ от температуры и разброс параметров при серийном производстве препятствовали использованию этих ФВ в ФАР. Сейчас благодаря совершенствованию технологии изготовления тонких сегнетоэлектрических пленок появились предпосылки для успешного преодоления этих недостатков и созданию ФАР с малым энергопотреблением.

Историю развития сегнетоэлектрических управляемых СВЧ устройств можно разделить на два этапа. Началом первого этапа можно считать переход к исследованию сегнетоэлектрических пленок, поскольку пленочные технологии многократно расширяют возможности конструирования управляемых СВЧ устройств на сегнетоэлектрических материалах с высокой диэлектрической проницаемостью. Первые исследования сегнетоэлектрических пленок были проведены в начале 70-х годов на низких частотах. К середине 70-х исследования свойств сегнетоэлектрических пленок были проведены в СВЧ диапазоне, а к концу 70-х были созданы пленочные ФВ с приемлемыми для практических приложений параметрами. В 80-х годах продолжалось совершенствование технологии создания пленочных сегнетоэлектриков и конструкций ФВ. Однако в связи с вышеуказанными недостатками сегнетоэлектрические ФВ не смогли успешно конкурировать с ферритовыми и полупроводниковыми ФВ, и поэтому работы по этой тематике в СССР были практически свернуты в конце 80-х годов. Следует отметить, что подавляющее число результатов по сегнетоэлектрическим пленкам и ФВ, опубликованных в 70-х и 80-х годах, было получено в СССР, поэтому в конце первого этапа исследования сегнетоэлектрических управляемых СВЧ устройств приоритет принадлежал советским ученым.

На Западе интерес к сегнетоэлектрическим ФВ проявился в начале 90-х годов, которые можно считать началом второго этапа. Анализируя полученные в СССР результаты, зарубежные специалисты пришли к выводу о необходимости продолжения исследований в этом направлении в целях создания ФАР с малой мощностью управления. Приведенные ниже ссылки свидетельствуют о том, что за рубежом активно ведутся исследования в этом направлении и патентуются разработанные конструкции.

В [15] приводятся результаты исследования мощных сегнетоэлектрических ФВ с малой мощностью управления для ФАР диапазона 0,4-18 ГГц. Найдены добавки в сегнетоэлектрический материал, позволяющие снизить тангенс потерь до 0,005 при управлении диэлектрической проницаемостью до 50%. Исследованы полосковые и волноводные ФВ.

В [16] запатентованы варианты сегнетоэлектрического ФВ на микрополосковой и щелевой линиях.

В [17] представлены конструкция и характеристики сканирующей антенны с электронным сканированием, работающей в диапазоне 12-18 ГГц. Новые возможности конструкции обусловлены использованием сегнетоэлектрических материалов, диэлектрическая проницаемость которых изменяется приложенным электрическим полем.

В [18] запатентована ФАР, сканирование которой осуществляется сегнетоэлектрическими ФВ, расположенными в прямоугольных участках волноводных излучателей. Описанные ФВ работают в диапазоне 8,2-18,6 ГГц, а в принципе такие конструкции могут работать до 100 ГГц.

Электронное управление с помощью сегнетоэлектрика признано оптимальным не только для ФВ, но и для перестраиваемых сверхширокополосных фильтров, используемых для задач распознавания радиолокационной цели [19], а также в широкополосных сканирующих приемниках, используемых для радиоконтроля.

Особенно перспективной для создания высококачественных СВЧ ФВ и перестраиваемых фильтров является структура ВТСП-сегнетоэлектрик, позволяющая во много раз снизить потери СВЧ сигналов. К настоящему моменту опубликовано несколько работ, посвященных их исследованию. Например, в [20] приведены результаты измерений, подтверждающие возможность использования структуры ВТСП–сегнетоэлектрик в СВЧ приборах, работающих до 40 ГГц. На частоте 20 ГГц получен тангенс потерь менее 0,005. В качестве ФВ можно использовать и все управляемые ВТСП-линии передачи, на основе которых построены перестраиваемые резонаторы и фильтры, рассмотренные в части I (см. “Микросистемная техника”, № 8, 2002 г.).

Сканирующая ВТСП-антенная решетка в США создана еще в 1992 г. В работе [21] описана конструкция четырехэлементной ВТСП ФАР, работающей в диапазоне 11,5-12,5 ГГц. Излучатели ФАР в виде квадратных резонаторов расположены в неохлаждаемом пространстве на поверхности кварцевой пластины, выполняющей роль радиопрозрачного окна вакуумной камеры. Напротив излучателей в вакууме расположена LaAlO₃-подложка, на которой из YBCO-пленки сформирована суммирующая цепь и возбудители резонаторов. При К измеренный этой решетки равен 14 дБ, потери на отражение менее 10 дБ, ширина луча по уровню 3 дБ равна 33°, боковые лепестки ослаблены на 21 дБ. Такие результаты получены с помощью полноволнового анализа всей этой сложной структуры, учета поверхностной волны и учета взаимных связей между элементами. Включение в суммирующую цепь ФВ обеспечило отклонение луча на 45°. При этом усиление упало до 12 дБ, а ослабление боковых лепестков уменьшилось до 10 дБ. Конструкция ФВ в работе не описана, но в заключении сказано, что следующая цель авторов – разработка ВТСП ФАР с электронным управлением для работы на частоте 20 ГГц. Успехи ВТСП-технологии, достигнутые за восемь лет, прошедших с момента создания этой ФАР, позволяют предположить, что сейчас в США созданы ВТСП ФАР, работающие и на более высоких частотах.

Таким образом, на втором этапе разработки сегнетоэлектрических управляемых СВЧ устройств, когда стало реальным создание ВТСП ФАР космического базирования с малым энергопотреблением в управляющих цепях, приоритет и в научных исследованиях, и в практических разработках нами утрачен.

Криогенные холодильники

Криогенные холодильники (КХ) являются частью современной СВЧ аппаратуры, в состав которой входят ВТСП-элементы. Их надежность, долговечность, экономичность и другие параметры являются определяющими факторами при решении об установке новой аппаратуры на спутнике, на базовой станции сотовой связи или о принятии на вооружение. Поэтому параллельно с развитием пленочных ВТСП-технологий и разработкой СВЧ элементов большие усилия прилагались для совершенствования КХ.

К 1999 г. для устанавливаемого на мачте приемопередатчика базовой станции сотовой связи создан КХ [3], который при рабочей К обеспечивает мощность отбора теплоты 5 Вт при изменении температуры окружающей среды от -40 до +65°С. Этот КХ имеет воздушное охлаждение компрессора, потребляет мощность 250 Вт и охлаждает установленные в вакуумной камере СВЧ блоки до рабочей К менее чем за два часа. Изготовители гарантируют продолжительность работы более 40 000 ч. Такую высокую надежность еще предстоит доказать, однако КХ такого типа уже более 25 000 ч эксплуатируется в рабочем режиме без сбоев. Таким образом, к настоящему моменту за рубежом производятся КХ, обеспечивающие работу ВТСП при температуре, значительно ниже температуры фазового перехода. Это позволило улучшить добротность ВТСП-резонаторов и, следовательно, параметры фильтров. ТВССО-пленки могут работать и при К. При такой температуре экономичность КХ гораздо выше: мощность отбора теплоты 5 Вт обеспечивается при потребляемой мощности 80 Вт [22].

Американская фирма Superconductor Technologies, Inc. создала КХ с аналогичными параметрами еще в 1997 г. и изготавливает его для охлаждения выпускаемых ею фильтров [23]. При рабочей К КХ обеспечивает мощность отбора теплоты 4 Вт при изменении температуры окружающей среды до +70°С. Этот КХ имеет массу менее 5 кг, потребляет мощность 150 Вт и охлаждает вакуумную камеру до рабочей К за 30 мин. Фирма гарантирует продолжительность работы 40 000 ч. В [23] приведен рисунок с поперечным сечением КХ и перечислены особенности его конструкции. Показан и вид камеры с охлажденными СВЧ модулями. Финансирование работ по созданию КХ осуществлялось Naval Research Laboratory.

Имеющийся в продаже КХ марки КС 100 (crio-tiger) производства фирмы Joule-Thomson имеет компрессор [24] с воздушным охлаждением и позволяет охлаждать удаленные от компрессора объекты до предельной К за 40 мин, если тепловая нагрузка отсутствует. Длина газопровода между компрессором и холодильником 3 м, а при необходимости может достигать 15 м. Мощность компрессора 500 Вт. При рабочей К КС 100 обеспечивает мощность отбора теплоты 2 Вт. Сравнение КС 100 с первым экземпляром КХ типа Pulse-Tube, разработанного в Институте прикладной физики университета г. Гессена (Германия) в 1998 г. и названного Р-Т, проведено в [25]. Р-Т потребляет мощность 2 кВт, имеет водяное охлаждение и позволяет охлаждать удаленные от компрессора объекты до предельной Т = 28 К за 160 мин, если тепловая нагрузка отсутствует. Длина газопровода между компрессором и холодильником 4 м, а при необходимости может достигать 10 м. При рабочей Т = 75 К Р-Т обеспечивает мощность отбора теплоты 5 Вт. Масса охлаждаемой головки 1,7 кг.

Проведенный краткий обзор некоторых зарубежных КХ позволяет сделать вывод о том, что к настоящему моменту созданы и серийно выпускаются КХ, технические характеристики, которых позволяют комплектовать ими СВЧ аппаратуру, включающую в себя ВТСП-модули. Продолжаются разработки новых КХ в целях улучшения их надежности, долговечности, экономичности мощности и других параметров. Ведутся разработки и других элементов криогенной техники. Например, японская фирма Advanced Mobile Telecommunication Technology, Inc. сообщает о разработке специального коаксиального кабеля с большим температурным сопротивлением, предназначенного для уменьшения тепловых потерь из охлаждаемой вакуумной камеры [26]. Внешний проводник кабеля изготовлен методом осаждения пленки меди толщиной всего 5,0 мкм на диэлектрик PFTE (политетрафлуоретан). Внутренний стальной проводник имеет покрытие с подслоем меди, на которую сверху нанесен слой серебра. Исследованы кабели с внешним диаметром 1,06; 1,68 и 2,19 мм. Обнаружено, что оптимальное соотношение электрических потерь к тепловым имеет кабель с внешним диаметром 1,68 мм. Тепловые потери внешнего и внутреннего проводника этого кабеля приблизительно одинаковы. Отрезок такого кабеля длиной 100 мм, снабженный SMA-разъемами на концах, на частоте 2 ГГц вносит затухание 0,175 дБ и имеет тепловые потери 48 мВт при температуре на его концах 77 и 300 К.

По мнению автора работы [27], ВТСП-системы будут работать при 65, 80, 35, 10 и 5 К. Он выдвигает следующие аргументы. При малой тепловой нагрузке выпускаемые в настоящее время однокаскадные криогенные холодильники обеспечивают К в зависимости от температуры окружающей среды. Свойства ВТСП улучшаются с понижением , поэтому ВТСП-элементы с малым тепловыделением целесообразно охлаждать до предельных возможностей криогенного холодильника. Двухкаскадные криогенные холодильники при малой тепловой нагрузке обеспечивают К, а при модификации теплообменника или при добавлении третьего каскада достигают К или даже ниже. Например, уже разработан криогенный холодильник, обеспечивающий тепловую мощность 0,25 Вт при К.

Стоимость криогенного холодильника не для всех систем является определяющей. Например, цена функциональных ВТСП-блоков базовых станций сотовой связи около 25 тыс. долл. США, цена SQUID микроскопа 100 тыс., а стоимость криогенных холодильников, используемых в этих системах, около 8 тыс. Для ускорения продвижения ВТСП-блоков на рынок средств мобильной связи автор рекомендует модифицировать используемый сейчас одноступенчатый криогенный холодильник для работы с двумя ступенями охлаждения, чтобы обеспечить рабочую температуру 10 К. Такой криогенный холодильник можно будет использовать для охлаждения NbN-сверхпроводников. Это позволит в несколько раз снизить потери в сверхпроводящих пленках и, следовательно, существенно улучшит параметры СВЧ блоков. Если такой холодильник продемонстрирует при К тепловую мощность 0,1 Вт, его можно будет использовать для охлаждения NB-сверхпроводников. В дальнейшем тепловую мощность при К необходимо довести до 0,25 Вт.

Выводы

К настоящему моменту за рубежом достигнуты настолько впечатляющие успехи ВТСП-технологии, что уже давно не стоит вопрос о целесообразности использования ВТСП в технике СВЧ. Сейчас созданная ВТСП СВЧ техника успешно эксплуатируется. Если государственная программа исследований в области ВТСП “Technology Road-map for the Superconducting Electronics Industry” ранее действовала только в США, то сейчас аналогичные программы сформированы в Европе и Японии. Они направлены на решение стратегических проблем, требующих долговременных вложений крупных средств. На повестке дня западных разработчиков сегодня в качестве главного вопроса стоит вопрос разработки законченных функциональных систем.

В результате проведенных за рубежом исследований за последние годы разработана технология, обеспечивающая создание ВТСП-пленок. Разработан весь спектр пассивных СВЧ устройств на их основе для систем связи, тактико-технические характеристики (ИХ) которых не изменяются в процессе эксплуатации (накопленный опыт эксплуатации превышает четыре года).

Разработаны и запатентованы новые конструкции ВТСП-резонаторов, существенно превосходящие по добротности ранее известные.

Достижения в технологии изготовления ВТСП-пленок и разработка точных методик расчета сложных многосвязных микрополосковых линий передачи открыли новые возможности для совершенствования фильтров. Для наиболее распространенных диапазонов частот, используемых в современных средствах мобильной связи, высококачественные приемные полосовые фильтры уже созданы, и во всех развитых странах ведется активная работа по их совершенствованию. Основные расчеты выполняются мощными коммерческими программами, позволяющими с высокой точностью проводить всеволновой анализ трехмерных фильтрующих структур.

Разработаны выходные полосовые ВТСП-фильтры для передатчиков с выходной мощностью 30-100 Вт. Использование ВТСП уменьшает потери в фильтрах и позволяет снизить мощность выходных усилителей. Это экономит энергию, расходуемую на питание усилителей, что особенно важно для бортовой аппаратуры.

Работы по перестраиваемым ВТСП-фильтрам находятся на начальной стадии и параметры созданных фильтров пока далеки от совершенства. Однако важность этого класса устройств в технике СВЧ настолько высока, что и первые образцы перестраиваемых ВТСП-фильтров нашли применение в разрабатываемой аппаратуре связи.

Успешно разрабатываются различные СВЧ модули и блоки, состоящие из ВТСП и полупроводниковых элементов, для приемников и передатчиков. Их преимущества особенно ярко проявились при комплексном использовании большого числа ВТСП-элементов для создания блоков приемников и передатчиков. Разработанные образцы демонстрируют существенное улучшение качества СВЧ аппаратуры при увеличении в ней числа ВТСП-элементов.

Исследования малогабаритных ВТСП-антенн доказали их существенные преимущества в тех случаях, когда размеры антенны малы по сравнению с длиной излучаемой волны. Использование ВТСП-антенн планируется там, где недостаток места не позволяет расположить обычные излучатели, например, в бортовых многочастотных приемных антенных решетках, в корабельных загоризонтных низкочастотных локаторах.

Многообещающей областью применения ВТСП является создание решеток миллиметрового диапазона. Они могут быть изготовлены на одной подложке вместе с суммирующей схемой. Исключение потерь в излучателях и суммирующей схеме позволяет существенно увеличить коэффициент усиления. Современное состояние ВТСП-технологии уже сейчас позволяет делать такие антенные решетки электрически управляемыми, включая в состав суммирующей схемы фазовращатели, которые могут быть изготовлены вместе с решеткой в едином технологическом цикле.

Созданы и серийно выпускаются криогенные холодильники, параметры которых позволяют комплектовать ими СВЧ аппаратуру, содержащую ВТСП-модули. Продолжаются разработки новых криогенных холодильников в комплексе с остальными элементами криогенной техники в целях улучшения их надежности, долговечности, экономичности, мощности и других параметров.

Быстрый прогресс внедрения ВТСП СВЧ устройств в системы связи с качественными изменениями в их ТТХ, естественно, потребуют соответствующего пересмотра принципов построения систем радиоконтроля.

В области СВЧ приборов ВТСП на ближайшие несколько лет планируется проведение исследования в следующих направлениях [27]:

· разработка более эффективных средств настройки фильтров, чем используемые сейчас диэлектрические винты в каждом резонаторе;

· разработка гибкого ВТСП-кабеля и входного кабеля МШУ с малыми потерями и высокой изоляцией;

· разработка материалов и средств настройки для мощных фильтров;

· разработка приборов для измерений дефектов в пленках;

· организация космического эксперимента HTSSE III с СВЧ аппаратурой на борту;

· организация космического эксперимента HTSSE IV с цифровыми процессорами и переключателями на основе сверхпроводников NbN и, возможно, Nb на борту.

Анализ направлений исследований позволяет сделать крайне важный вывод: США, Европа и Япония взяли курс на создание полностью криогенной малогабаритной аппаратуры для приема, передачи и цифровой обработки сигналов.

Реализация этой программы может настолько кардинально изменить сигнальную ситуацию в эфире, что существующие сейчас системы радиоконтроля не смогут контролировать потоки информации.

Список литературы

1. Humphreys R.G., Barrett С.P., Chew N.G., Hedges S.J., Greed R.В., Hunt B.D, Nicholson B.F., Hensen S., Muller G. Narrow-Band HTS Microstrip Combiner Technology // IEEE Transactions on Appl. Supercond., June 1997. Vol. 7. № 2. P. 3075-3078.

2. Gregory L. Hey-Shipton, Neal O. Fenzi, Kurt F. Raihn. HTS Diplexer & Low Noise Amplifier RF Module // 1997 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Report TU4C-1. 1997 IEEE.

3. Greed R.В., Voyce D.C., Jedamzik D., Hong J.S., Lancaster M.J., Reppel M., Chaloupka H.J., Mage J.C., Marcilhac В., Mistry R., Hafner H.U., Auger G., Rebernak W. An HTS Transceiver for Third Generation Mobile Communication // IEEE Transactions on Appl. Supercond. June 1999. Vol. 9. № 2. P. 4002-4005.

4. Antonio Romano, Raafat R. Mansour, Fraser Thomson. A Hybrid Superconductive / Semiconductive Microwave Receiver // IEEE Transactions on Appl. Supercond. June 1997. Vol. 7, № 2. P. 3067-3070.

5. Gregory Lyons W., Arsenault D.R., Keast Craig L., Shaver David C., Berger R., Anderson Alfredo C., Murphy P. G.T.C.L. Gerhard Sollner, Ralston R.W. Wideband Compressive Receiver Based on Advanced Superconductors and Semiconductor Circuits // IEEE Transactions on Appl. Supercond. June 1997. Vol. 7. № 2. P. 2462-2466.

6. Kasser Т.,, Klauda M., Neumann C., Guha E., Kolesov S., Baumfalk A., Chaloupka H. A Satellite Repeater Comprising Superconducting Filters // 1998 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Report TU4E-4. 1998 IEEE.

7. Jia-Sheng Hong, Lancaster M.J., Greed Robert В., Voyce Daniel, Jedamzik Dieter, Holland J.A. Thin Film HTS Passive Microwave Components for Advanced Communications Systems // IEEE Transactions on Appl. Supercond. June 1999. Vol. 9. № 2. P. 3893-3896.

8. Bechteler Th., Mayer В., Weigel R. A New High-temperature Superconducting Double-Hybrid Coupler With Wide Bandwidth // 1997 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Report TU4C-5. 1997 IEEE.

9. Peik S.F., Jolley В., Mansour R.E. High-Temperature Superconductive Butler Matrix Beamformer for Satellite Applications // 1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Report TH2D-1. 1999 IEEE.

10. Zhu M.H., Cao B.S, Zhang X.X., Li N., Wang Y.J., Yuan H.J., Chen Y., Zhao Y.G., Dong D.J., Gu B.L., Zhou Y.L., Chen Z.H., Lu H.В., Wang X.P., Liu T.J. Power Dependence of Radiation Efficiency of Circulary Polarized УВа₂Cu₃О₇ Microstrip Antennas // Physica С 282-287 (1997). P. 2513-2514.

11. Zhu M.H., Cao B.S, Zhang X.X., Li W.H., Wang Y.J., Yuan H.J., Zhang L.W., Dong D.J., Liu M.L., Cui D.F., He M., Zhou Y.L., Liu T.J. Design and Performance of a 4.5 GHz Circularly Polarized YBa₂CuO₇ Microstrip Antenna // Physica С 282-287 (1997). P. 2515-2516.

12. Wu Z., Lacey D., Drosses G., Davis L. E., Button T.W., Smith P. Comparative Study of Miniaturised HTS Microstrip H-Shaped Antennas with and without Enhanced Capacitance // Physica С 282-287 (1997). P. 2511-2512.

13. Zhu M.H., Cao B.S., Zhang X.X., Li N., Wang Y.J., Zhang L.W., Dong D.J., He A.S., Zhao Y.G., Wang P., Liu T.J. Research and Design of High Tc Superconducting Microstrip Antenna Array // Physica С 282-287 (1997) / P. 2517-2518.

14. Lewis L.L., Koepf G., Bhasin К.В., Richard M.A. Performance of TICaBaCuO 30 GHz 64 Element Antenna Array // IEEE Trans, on Appl. Supercond. March 1993. Vol. 3. № 1.

15. Ferroelectric-scanned phased array antenna: Пат. 5309166 США, МКИ5 H 01 Q 3/30/ Coller Donald C., Krug Kevin J., Kustom Brittan; United Technologies Corp. – № 806528; Заявл. 13.12.91; Опубл. 3.5.94; НКИ 343/778.

16. Electronically steerable leaky wave antenna using a tunable ferroelectric material / Varadan Vijay K., Varadan Vasundra V., Jose K.A., Kelley James F. // Smart Mater. And Struct. 1994. № 4. P. 470-475.

17. Planar ferroelectric phase shifter: Пат. 521463 США, МКИ5 H01 P1/18/ Balobitt Richard W., Drach William C., Koscies Thomas E.; USA Secretary of the Army. – № 916741; Заявл. 22.7.92; Опубл. 18.5.93; НКИ 333/161.

18. Ceramic phase shifters for electronically steerable antenna systems / Varadan V.K., Chodgaonkara D.K., Varadan V.V., Kelly J.F., Glikerdas P. // Microwave J. 1992. 35. № 1. P. 116, 119, 121-122, 125, 127.

19. Чернышев С.Л., Перьков А.И. Выбор физических принципов построения перестраиваемых сверхширокополосных фильтров // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. 1999. Т. 7. № 3. С. 93.

20. Peter Kr. Petrov and Erik F. Carlsson, Peter Larsson, Milan Friesel, Zdravko G. Ivanov. Improved SrTiO₃ multilayers for microwave application: Growth and properties //Journal of Applied Physics. November 1996. Vol. 84. P. 3134.

21. Herd J.S., Hayes P., Kenney J.P., Poles L.D., Herd K.G., Lyons W.G. Experimental results on a scanned beam microstrip antenna array with a proximity coupled YBCO feed network // Appl. Supercond. Conf., Chicago, 111, Aug. 23-28, 1992. Ft. 3. Electronics.

22. Jenkins A.P., Dew-Hughes D., Edwards D.J., Hyland D., Grovenor C.R.M. Application of TBCCO Based HTS Devices to Digital Cellular Communications // IEEE Transaction on App. Supercond. June 1999. Vol. 9. № 2. P. 2849-2852.

23. Scharen M.J., Chase D.R., Ho A.M., O'Baid A., Raihn K.R., Force R.J. Filter Subsystems for Wireless Communications // IEEE Transactions on Appl. Supercond. June 1999. Vol. 7. № 2. P. 3744-3749.

24. Hohmann R., Krause H.J., Soltner H., Zhang Y., Copetti C.A., Bousack H., Braginski A.I., Faley M.I. HTS SQUID System with Joule-Thomson Cryocooler for Eddy Current Nondestructive Evaluation of Aircraft Structures // IEEE Trans, on Appl. Supercond. June 1997. Col. 7. № 2.

25. Hohmann R., Leinerth C., Zhang Y., Bousack H., Thummes G., Heiden C. Comparison of Low Noise Cooling Performance of a Joule-Thomson Cooler and a Pulse-Tube Coller Using a HT SQUID // IEEE Trans, on Appl. Supercond. June 1999. Vol. 9. № 2.

26. Kubota H., Takeuchi H. Low Thermal Leakage Coaxial Cable for HTS Devices // IEEE Transaction on Appl. Supercond, June 1999. Vol. 9. № 2. P. 3117-3120.

27. John M. Rowell. Recommended Directions of Research and Development in Superconducting Electronic // IEEE Transactions on Appl. Supercond, June 1999. Vol. 9. № 2. P. 2837-2848.

Наверх