Микрополосковая линия с управляемой дисперсионной характеристикой

 

Использование: в сверхпроводящих приборах для создания управляемых линий задержки, фазовращателей, фильтров и др. Сущность изобретения: микрополосковая линия (МПЛ), состоящая из сверхпроводящих электродов, разделенных слоем диэлектрика, характеризуется тем, что подлежа по крайней мере одного из сверхпроводящих электродов выполнена из сегнетоэлектрика, обладающего электрокалорическим эффектом (ЭКЭ) в диапазоне рабочих температур МПЛ. Это позволяет использовать для управления дисперсионной характеристикой МПЛ механизм теплового управления глубиной проникновения магнитного поля в сверхпроводящие электроды и одновременно, за счет такого конструктивного совмещения источника тепла и подложки, существенно увеличить быстродействие и эффективность такого управления. Чтобы на подложку из сегнетоэлектрика подать напряжение, вызывающее ЭКЭ, используется один из электродов МПЛ. Другой электрод может быть нанесен на обратную сторону сегнетоэлектрического слоя. В качестве второго электрода также можно использовать прижимной электрод, являющийся частью внешнего электронного блока, в котором МПЛ используется. Для работы на низких частотах управления МПЛ целесообразно снабдить теплоизолирующим корпусом. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электрическим приборам на твердом теле, а именно к сверхпроводящим приборам, и может быть использовано для создания на его основе таких электронных приборов, как управляемые линии задержки, фазовращатели, фильтры.

Известна возможность управления дисперсионной характеристикой сверхпроводящей микрополосковой линии (МПЛ) и создания на ее основе управляемых линий задержки и фазовращателей. Такое управление основано на изменении фазовой скорости распространения электромагнитной волны в МПЛ, образованной двумя плоскими сверхпроводящими поверхностями, разделенными тонким слоем диэлектрика.

На фиг. 1 представлена такая МПЛ, где 1 сверхпроводящие электроды; 2 - разделяющий их диэлектрический слой; 3 подложка, на которой сформирована МПЛ; на фиг. 2 ее эквивалентная схема, где C, L_k и L_m - погонные емкость, кинетическая и магнитная индуктивности МПЛ соответственно.

В случае тонких сверхпроводящих электродов и тонкого диэлектрического слоя, толщина которых не превышает глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник, величина магнитной индуктивности L_m определяется геометрическими размерами МПЛ.

Кинетическая индуктивность L_k связана с кинетической энергией сверхпроводящих носителей заряда и в случае идентичных электродов 1 разделяется выражением где μ_o магнитная проницаемость вакуума; λ глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник; d толщина электродов 1; w ширина этих электродов (фиг. 1).

Единственный параметр в выражении (1), зависящий от внешних факторов, это глубина проникновения l. Изменение этого параметра позволяет управлять (изменять) фазовой скоростью волны в МПЛ.

Известна возможность изменения глубины проникновения путем пропускания через узкий электрод МПЛ постоянного электрического тока, близкого к критическому току распаривания (при котором эффект сверхпроводимости исчезает за счет резкого падения до нуля сверхпроводящего параметра порядка при достижении сверхпроводящими носителями заряда критической скорости).

При пропускании тока через узкий электрод МПЛ концентрация сверхпроводящих носителей в нем снижается, что приводит к увеличению глубины проникновения l и, соответственно, к увеличению кинетической индуктивности L_k.

Однако этот способ требует обеспечения условий достижения тока распаривания, что практически не реализуемо в реальных широких электродах, для которых W > l, так как в этом случае из-за неравномерности распределения плотности тока по ширине электрода проникновение магнитного потока в электрод происходит еще до достижения тока распаривания.

Известна также возможность изменения глубины проникновения l путем изменения температуры МПЛ. Так, например, описан сверхпроводящий полосовой фильтр, выполненный на резонансных отрезках МПЛ, характеристиками которого управляют с помощью специально изготовленного нагревателя из медной проволоки, плотно прижатого через тефлоновую пленку к концам микрополосковых резонаторов. Нагрев приводит к снижению фазовой скорости за счет увеличения глубины проникновения l и как результат к сдвигу амплитудно-частотной характеристики фильтра.

Основным недостатком такого способа управления характеристиками МПЛ и приборов на их основе является достаточно большая инерционность. Быстродействие такого управления ограничено условиями теплопередачи в управляемую структуру и окружающую среду. Даже в случае использования тонкопленочного нагревателя может быть достигнуто быстродействие не лучше нескольких мкс.

Кроме того, в полосковых структурах с тепловым управлением нагреватель небольших размеров располагается вблизи концов микрополосковых резонаторов или вблизи короткого сужения (мостика) управляемого электрода МПЛ.

Эффективность управления дисперсионными свойствами участка малой длины может быть достаточна при управлении амплитудно-частотной характеристикой резонансных устройств на МПЛ, таких как резонаторы, фильтры, но недостаточна для управления фазовой скоростью в управляемых фазовращателях и линиях задержки.

Рассмотренная конструкция МПЛ, в которой для нагрева используется тонкопленочный или проволочный нагреватель, являющийся источником джоулева тепла, является наиболее близкой к предлагаемому изобретению.

Техническая задача изобретения создание МПЛ с управляемой дисперсионной характеристикой путем теплового воздействия, на основе которой возможно изготавливать широкий класс быстродействующих микроэлектронных приборов.

Сущность изобретения заключается в том, что в известной МПЛ, состоящей из сверхпроводящих электродов, разделенных слоем диэлектрика, и одного или нескольких источников тепловой энергии, размещенных со стороны, по крайней мере, одного из электродов, источник тепловой энергии выполнен в виде слоя сегнетоэлектрика, обладающего электрокалорическим эффектом в диапазоне рабочих температур микрополосковой линии, причем упомянутый слой сегнетоэлектрика использован в качестве подложки для сверхпроводящего электрода.

Электрокалорический эффект (ЭКЭ) заключается в том, что приложение электрического напряжения к сегнетоэлектрику приводит к уменьшению энтропии, которое в адиабатических условиях компенсируется увеличением его температуры на DT. Снятие напряжения приводит к обратному эффекту и охлаждению сегнетоэлектрика до исходной температуры. Зависимость ΔT от напряженности электрического поля Е описывается степенной функцией ΔT E^2/3.

Возможность теплового воздействия на МПЛ с помощью слоя сегнетоэлектрика, обладающего ЭКЭ, позволяет, с одной стороны, использовать механизм теплового управления характеристиками МПЛ, а с другой существенно увеличить быстродействие и эффективность такого управления.

В отличие от управляемых МПЛ, в которых используются источники джоулева тепла и время тепловой релаксации определяется тепловым сопротивлением границы раздела "нагреватель-подложка", теплопроводностью подложки, а также тепловым сопротивлением границы раздела "подложка-электрод" МПЛ, в предлагаемой конструкции, в которой электрокалорический нагреватель является одновременно подложкой для электродов МПЛ, время тепловой релаксации определяется только тепловым сопротивлением границы раздела "подложка-электрод".

Выигрыш в быстродействии достигается также за счет того, что время установления требуемой температуры нагревателя на ЭКЭ меньше, чем нагревателя на джоулевом тепле.

Для того, чтобы на подложку из сегнетоэлектрика подать напряжение, вызывающее ЭКЭ, используется один из электродов МПЛ. Другой электрод может быть нанесен на обратную сторону сегнетоэлектрического слоя.

В качестве второго электрода также можно использовать прижимной электрод, являющийся частью внешнего электронного блока, в котором МПЛ используется.

Дополнительно, если управляющий электрод на обратной стороне подложки из сегнетоэлектрика выполнить в виде совокупности изолированных друг от друга и разнесенных по поверхности слоя сегнетоэлектрика проводящих покрытый, то можно осуществлять пространственную модуляцию дисперсионных свойств МПЛ.

Для того, чтобы поддерживать температуру электрокалорического нагревателя, необходимо свести к минимуму внешний теплоотвод. На высоких частотах управления МПЛ из-за инерционности теплоотвода в окружающую среду эта проблема не актуальна, однако для таких частот управления, когда постоянная времени теплоотвода становится сравнимой с периодом управляющего напряжения, целесообразно снабдить МПЛ теплоизолирующим корпусом.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является более высокое быстродействие приборов, создаваемых на основе сверхпроводящих МПЛ. За счет более эффективного управления дисперсионной характеристикой МПЛ на ее основе можно изготавливать более широкий класс приборов.

На фиг. 3 представлена конструкция предлагаемой МПЛ, которая состоит из электродов 1, разделенных тонким слоем диэлектрика 2, слоев сегнетоэлектрика 4, которые одновременно являются подложками электродов 1. Для подачи управляющего напряжения служат электроды 5 и б. В данном случае представлена конструкция МПЛ, у которой оба сверхпроводящих электрода выполнены на подложках из сегнетоэлектрика, однако возможно и изготовление МПЛ на одной подложке. Электроды управления могут быть выполнены как в виде сплошного электрода 5 по всей внешней поверхности подложки, так и в виде совокупности изолированных друг от друга электродов 6, распределенных по поверхности сегнетоэлектрической подложки.

Рассмотрим использование этой МПЛ в качестве управляемого фазовращателя. Характеристики управляемого температурой фазовращателя на основе сверхпроводящей МПЛ проанализированы как для низкотемпературных (Nb, NbN), так и для высокотемпературных (Y-Ba-Cu-O) сверхпроводников.

Для фазовращателя, выполненного на пленке Nb, при рабочей температуре T₀ 0,95T_c (T_c 9^oK критическая температура для Nb) увеличение температуры на 0,3^oK позволяет обеспечить в оптимальном режиме погонный фазовый сдвиг Δϕ₁ ≃ 22 рад/м и отношение фазового сдвига к вносимым потерям k₁ 2,4 рад/дБ, что при реально достижимой длине МПЛ из Nb, равной 15 см, соответствует фазовому сдвигу Δϕ ≃ 2π рад при вносимых потерях L 1,3 дБ. Требуемый для обеспечения этих параметров интервал изменения температуры 0,3K может быть получен при использовании танталата калия в качестве управляемого слоя сегнетоэлектрика.

Для фазовращателя, выполненного на пленке Y-Ba-Cu-O, при рабочей температуре T₀ 0,98T_c (T_c 80^oK) увеличение температуры на 0,8^oK обеспечивает Dv₁ ≃ 156 рад/м и k₁ 2 рад/дБ, что при длине МПЛ равной 2 см позволяет получить Δϕ ≃ π и L 1,5 дБ. Требуемое в данном случае изменение температуры можно получить при использовании сегнетоэлектрических материалов Ca_0,83 Pb_0,17 NbO₇ Pb_0,025 Sr_0,975 TiO₃.

Формула изобретения

1. Микрополосковая линия с управляемой дисперсионной характеристикой, состоящая из сверхпроводящих электродов, разделенных слоем диэлектрика, и одного или нескольких источников тепловой энергии, размещенных со стороны по крайней мере одного из электродов, отличающаяся тем, что источник тепловой энергии выполнен в виде слоя сегнетоэлектрика, обладающего электрокалорическим эффектом в диапазоне рабочих температур микрополосковой линии, причем упомянутый слой сегнетоэлектрика использован в качестве подложки для сверхпроводящего электрода.

2. Линия по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый слой сегнетоэлектрика дополнительно снабжен электродом управления.

3. Линия по п.2, отличающаяся тем, что электрод управления выполнен в виде совокупности изолированных друг от друга и разнесенных по поверхности слоя сегнетоэлектрика проводящих покрытий.

4. Линия по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена теплоизолирующим корпусом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3