Твердотельный усилитель

 

Изобретение относится к усилителям СВЧ с применением сверхпроводников и может быть использовано во входных приемных радиоэлектронных устройствах в качестве предварительного малошумящего усилителя СВЧ. Устройство содержит токо-( несущий элемент с контактами на концах, установленный в систему замедления, соединенную с входной и выходной передающими линиями. Новым является применение в качестве токонесущего элемента тонкой сверхпроводящей пленки толщиной не более глубины проникновения поля в сверхпроводник, нанесенной на диэлектрическое основание. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 L 39/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4807314/25 (22) 28.03,90 (46) 15,08,92. Бюл, ¹ 30 (71) Специальное конструкторское бюро при

Полтавском заводе "Знамя" (72) Вас. В. Онушко и Вал. В, Онушко (56) Патент США ¹2743322,,кл. 330-5, 1956.

Патент США ¹ 2760013, кл, 330 — 5, 1956, (54) ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к усилителям

СВЧ с применением сверхпроводников и может быть использовано во входных приИзобретение относится к усилителям

СВЧ с использованием сверхпроводников и может быть использовано во входных приемных радиоэлектронных устройствах в качестве и редва рител ь ного мал о шумящего усилителя СВЧ.

Известны конструкции твердотельных усилителей, в которых электроны и дырки, дрейфующие в полупроводниковом стержне или пленке под воздействием приложенного внешнего электрического поля, взаимодействуют с синхронно-бегущим по замедляющей системе полем усиливаемого сигнала СВЧ.

Недостатком такого усилителя является небольшой коэффициент усиления и сравнительно большой коэффициент шума (7+

10 дБ), что неприемлемо для высокочувствмтельных приемных устройств.

Известен твердотельный усилитель, который представляет собой аналог вакуумной лампы бегущей волны (ЛБВ) и содержит токонесущий полупроводниковый стержень (или пластину) с контактами на концах дая создания дрейфа зарядов, расположенный в замедляющей системе, которая электриче5U, 1755339 А1 емных радиоэлектронных устройствах в качестве предварительного малошумящего усилителя СВЧ. Устройство содержит токонесущий элемент с койтактами на концах, установленный в систему замедления, соединенную с входной и выходной передающими линиями. Новым является применение в качестве токонесущего элемента тонкой сверхпроводящей пленки толщиной не более глубины проникновения поля B сверхпроводник, нанесенной на диэлектрическое основание. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1 ски соединена с входной и выходной линиями передачи.

Недостатком известного усилителя является наличие в полупроводниковом стержне донорных (или акцепторных) примесей, на которых происходит рассеяние дрейфующих электронов и дырок, причем чем выше частота соударений Р носителей тока с примесями, тем больше носителей тока выходит из сихронизм с бегущей волной, тем меньше становится коэффициент усиления и тем больше коэффициент шума усилителя, Целью изобретения является повышение коэффициента. усиления и получение предельно низкого коэффициента шума усилителя за счет исключения соударений носителей тока с неоднородностями в токопроводящем элементе усилителя, Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции твердотельного усилителя, содержащего токонесущий элемент с контактами на концах, расположенный в замедляющей системе, которая электрически соединена с входной и выходной линиями передачи, токонесущий элемент изготавливается из сверхпроводящей плен-, 1755339

20

5С

55 ки толщиной не более глубины проникновения поля в сверхпроводник и изолируется от замедляющей системы слоем диэлектрика, Предлагаемый твердотельный усилитель отличается тем, что в нем токонесущий элемент выполнен в виде тонкой сверхпроводящей пленки толщиной не более глубины проникновения поля в сверхпроводник, в результате чего во взаимодействии с полем бегущей волны принимают участие куперовские электронные пары, не испытывающие соударений при движении.

На фиг. 1 изображен усилитель, общий вид, на фиг. 2 — вольтамперная характеристика сверхпроводящей пленки усилителя; на фиг, 3 — пример конструктивного исполнения усилителя; на фиг, 4 — разрез А — А на фиг, 3, Твердотельный усилитель(фиг. 1) содержит тонкую пленку сверхпроводника 1, находящегося в сверхпроводящем состоянии, два контакта 2 йа концах сверхпроводника, через которые на пленку 1 подается напряжение от источника Е, Пленка 1 через слой диэлектрика 3 соединена с плоским металлическим экраном 4 и через слой диэлектрика 5 — с зигзагообразным проводником 6. Проводник 6 с диэлектрическими слоями 3 и 5 и металлическим экраном 4 образуют несимметричную полосковую замедляющую систему для снижения фазовой скорости усиливаемого сигнала СВЧ до скорости движения куперовских электронных пар в пленке 1, Концы проводника 6 электрически соединены с входной передающей линией 7, по которой на усилитель подается усиливаемый сигнал от источника СВЧ 8, а с другой стороны — с выходной передающей линией

9, по которой усиленный сигнал от усилителя подается в нагрузку 10, В средней части на проводник 6 с диэлектрическим слоем 5 нанесен резистивный слой 11. Все проводящие и изолирующие слои усилителя могут быть изготовлены методом вакуумного напыления, а проводник 6 — методом фотолитографии, Пример выполнения усилителя показан на фиг. 3 и 4.

Усилитель содержит тонкую пленку 1 сверхпроводника, два контакта 2 на концах сверхпроводника, через которые на пленку

1 подается напряжение от источника Е.

Пленка 1 нанесена на диэлектрический стержень 3 и сверху покрыта слоем диэлектрика 4, на который навита спираль 5. Спираль 5 на входном конце усилителя кондуктивно или электрически соединена с входной линией 6 передачи и источником

СВЧ 7, Выходной конец спирали 5 также кондуктивно или электрически соединен с выходной линией 8 передачи и нагрузкой 9, Средняя часть спирали 5 и диэлектрический слой 4 покрыты резистивным слоем 10, Усилитель (фиг. 1) работает следующим образом.

Источник Е внешней электрической цепи, электрически соединенный через переменный резистор R с контактами 2 на концах сверхпроводящей пленки 1, находящейся в сверхпроводящем состоянии, создает в последней направленное движение куперовских пар сверхпроводящих электронов, прИчем Движение электронных пар направлено от входа (входной передающей линии 7) усилителя к его выходу.

Сверхпроводящие электронные пары в пленке 1 при движении вообще не испытывают соударений с примесями и решеткой пленки 1, причем скорость движения пар определяется следующим соотношением! Е

2 п.е t h 2 и е t h R где Ve — скорость движения электронных пар;

I = — „— ток, текущий через пленку 1;

E и — концентрация сверхпроводящих электронов в пленке 1; е — заряд электрона;

t, h — ширина и толщина пленки 1 соответственно;

Š— ЗДС источника питания;

R — суммарное сопротивление электрической цепи (источника питания, резистора и подводящих проводов).

Электромагнитная волна, подлежащая усилению, подается от источника 8 через входную передающую линию 7 на вход усилителя и, распространяясь по проводнику 6, создает между ним и металлическим экраном 4 электромагнитное поле, пронизывающее тонкую сверхпроводящую пленку 1, Сверхпроводящие электронные пары, двигающиеся вдоль пленки 1, под воздействием СВЧ-поля бегущей вдоль проводника 6 электромагнитной волны группируются в сгустки, точно так же, как это происходит с электронным пучком в вакуумной ЛБВ.

Далее так же, как и в ЛБВ, сгруппированные в сгустки электронные пары в пленке 1 начинают тормозиться в поле бегущей волны и отдают ей часть своей кинетической энергии, вызывая экспоненциальное нарастание распространяющейся по проводнику 6 электромагнитной волны, При этом аналогично ЛБВ условием усиления является равенство скорости электронных пар \4 и фаэовой скорости распространения волны по проводника 6 Чф, т.е. Че Чф.

1755339

Усиленная электромагнитная волна через выходную передающую линию усилителя 9 направляется в нагрузку 10. Пленочный поглотитель СВЧ-энергии 11 предотвращает самовозбуждение усилителя, 5

Изменяя ток 1, текущий через сверхпроводящую пленку 1, в пределах от 0 до критического значения 1с (участок ОА вольтамперной характеристики пленки 1 на фиг. 2} с помощью переменного резистора. 10

R, можно изменять в широких пределах ckoрость дрейфа электронных пар Ve в пленке

1 и тем самым выбирать оптимальный режим работы усилителя. При увеличении тока

1 пленки 1 больше критического значения ñ, 15 вольтамперная характеристика пленки терпит разрыв (участок АВ на фиг. 2) и пленка 1 скачкообразно переходит в нормальное резистивное состояние (участок ВС на фиг. 2).

Оптимальная толщина сверхпроводя- 20 щей пленки h усилителя не должна превышать глубины проникновения электромагнитного поля в сверхпроводник

il, так как в противном случае до электронных пар, находящихся глубже, поле элект- 25 ромагнитной волны, распространяющейся по проводнику 6, не проникает и они дрей- . фуют в пленке 1 с постоянной скоростью, не участвуя в группировке пар и усилении, приводя к ненужным потерям мощности источ- 30 ника на резисторе R, Усилитель, изображенный на фиг. 3 и 4, . работает следующим образом..

Источник Е, электрически связанный со сверхпроводящей пленкой 1 через пере- 35 менный резистор Rиконтакты 2,,создает в ней движение сверхпроводящих электронных пар, направленное от входной передающей линии 6 к выходной линии 8, Сигнал СВЧ, подлежащий усилению, 40 подается от источника 7 через входную передающую линию 6 на вход спирали 5. Электромагнитное поле сигнала СВЧ проникает через диэлектрик 4 в пленку 1 и; двигаясь синхронно с электронными парами к выходу 45 усилителя, вызывает их группировку. Сгруппированные сгустки электронных пар, тормозясь в электромагнитном поле бегущей волны по спирали 5, усиливает ее. Усиленная электромагнитная волна с выхода спирали 5 через выходную передающую линию

8 направляется в нагрузку 9.

Использование в усилителе куперовских сверхпроводящих электронных пар в качестве носителей зарядов, которые вообще при дрейфе не испытывают соударений с решеткой и ее примесями, позволяет достичь максимального коэффициента усиления усйлителя и снизить температуру шума усилителя до криогеннйх температур.

Расчет показал, что коэффициент усиления предлагаемого усилителя больше коэффициента усилителя-прототипа на 16 дБ при прочих равных условиях и имеет температуру шума «а15 К.

Формула изобретения

1. Твердотельный усилитель, содержащий токонесущий элемент с двумя контактами на концах и замедляющую систему, которая электрически соединена с входной и выходной линиями передачи и отделена диэлектрическим слоем от токонесущего элемента, î t л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и снижения коэффициента шума, токонесущий элемент выполнен в- виде тонкой сверх.проводящей пленки, нанесенной на диэлектрическое основание и толщиной не более глубины проникновения поля в сверхпроводник.

2. Усилитель по п.1, отл ича ю.щи йс я тем, что диэлектрическое основание выполнено в виде цилиндра, при этом система замедления навита на него в виде спирали.

3. Усилитель по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что диэлектрическое основание вы-. полнено в виде пластины, при этом замедляющая система нанесена на него в виде зигзагообразного проводника, 1755339

1755339

Составитель В, Онушко 1Техред M,Mîðãåíòàë Корректор: И. Шулла

Редактор Е, Копча

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2897 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/S