Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка физических основ построения сверхпроводниковых электронных устройств для широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
широкополосные приемные системы, прямая оцифровка сигналов, сверхпроводниковые ацп, активные электрически малые сверхпроводниковые антенны, макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках, сверхпроводниковые фильтры, низкотемпературные сверхпроводники, высокотемпературные сверхпроводники, тонкопленочная технология, сверхпроводящие квантовые решетки, квантовые ячейки, высокая линейность, большой динамический диапазон.

Цель проекта:
Целью выполняемых научных исследований является получение значимых научных результатов и технологических решений, позволяющих научно-исследовательским организациям развивать новые технологии (мирового уровня) приема, обработки и защиты информации на основе широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов. Появление таких новых технологий будет сопровождаться выводом на рынок новой продукции и новых видов информационных услуг через: 1) существенное расширение одновременного приема контента различного типа с параллельной обработкой принимаемых сигналов; 2) развития технологий удаленного доступа к вычислительным центрам; 3) развитие облачных технологий хранения и обработки информации; 4) развитие новых технологий защиты информации посредством программно-определяемой связи, в рамках которой частота и тип кодировки радиосигнала устанавливается динамически в широкой полосе частот, условно, от 0 до 10 ГГц.

Основные планируемые результаты проекта:
Основной задачей научных исследований является разработка физических основ построения сверхпроводниковых электронных устройств для широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов осуществляемой с использованием сверхпроводниковых АЦП, Такими устройствами являются:
1) широкополосные устройства активного типа с высокой линейностью характеристик (до 100 дБ) и большим динамическим диапазоном (до 100 дБ), в том числе активные электрически малые антенны;
2) широкополосные интерфейсы для оптимального мало-возмущающего сопряжения активных сверхпроводниковых антенн с последующими элементами приемных систем, в том числе, сверхпроводниковыми АЦП.
В задачи проекта входит также исследование возможностей реализации и интеграции этих устройств (пассивного и активного типов) на основе высокотемпературных сверхпроводников (что позволит использовать азотный уровень охлаждения).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разработка технологии приема большого числа сигналов от различных источников с последующей параллельной обработке сигналов крайне востребована в настоящее время, и результаты исследования смогут найти широкое применение в разных системах беспроводной связи:
- в базовых станциях беспроводной связи, работающих с большим количеством источников сигналов разного уровня, для увеличения их производительности и «пропускной» способности;
- в системах беспроводной связи для одновременного приема контента различного типа и назначения;
- в системах, реализующих технологии удаленного доступа к вычислительным центрам;
- в базовых станциях систем, реализующих облачные технологии хранения и обработки информации;
- в системах, реализующих новые технологии защиты информации посредством программно-определяемой связи, в рамках которой частота и тип кодировки радиосигнала устанавливается динамически в широкой полосе частот, условно, от 0 до 10 ГГц;
- в базовых станциях систем специального назначения.
Для разработки активных широкополосных устройств использовалась предложенная авторами данного проекта концепция сверхпроводящих квантовых решеток (Superconducting Quantum Array – SQA), как наиболее эффективный подход к решению этой задачи по сравнению с другими походами, предлагавшимися в других научных центрах мира. Осуществляя интеграцию такой сверхпроводящей квантовой решетки с широкополосной входной линией, можно создавать низко-шумящие широкополосные усилители. Более того, сверхпроводящая квантовая решетка может быть использована в качестве активной электрически малой антенны (ЭМА), которая осуществляет одновременно широкополосный прием и усиление сигналов. Активная ЭМА может быть интегрирована со сверхпроводящим трансформатором для концентрации магнитного потока принимаемого электромагнитного сигнала. В то же время, двумерная (трехмерная) сверхпроводящая квантовая решетка может быть использована непосредственно как активная ЭМА. Динамический диапазон устройств на основе таких квантовых решеток растет с увеличением числа квантовых ячеек, а линейность характеристик достигается за счет использования квантовых ячеек с высоко-линейным откликом напряжения на магнитный сигнал.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Выполняемые прикладные научные исследования являются поисковыми, направленными на разработку физических основ построения сверхпроводниковых электронных устройств для широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов.
Результаты данных исследований будут предназначены для проведения на их основе дальнейших прикладных разработок, направленных на создание широкополосных сверхпроводниковых приемных систем с прямой оцифровкой сигналов для развития на их основе новых технологий приема, обработки и защиты информации. Такие технологии будут основываться на широкополосном приеме большого числа сигналов от различных источников с последующей параллельной обработкой сигналов (цифровая фильтрация и разделение сигналов, их дальнейшая обработка, шифровка и дешифровка, запоминание) с использованием высокопроизводительной ЭВМ общего назначения при помощи соответствующих программных средств.
Создаваемая в результате выполнения данного Проекта интеллектуальная собственность будет обладать свойствами патентоспособности и лицензионных возможностей в силу того, что результаты данной НИР в дальнейшем будут использованы для целей:
- создании новых технологий приема, обработки и защиты информации, используемых в различных телекоммуникационных системах,
- улучшение потребительских свойств услуг, предоставляемых теле-коммуникационными операторами.

Текущие результаты проекта:
При выполнении работ были получены следующие существенные результаты:
Основным направлением работ была выбрана разработка физических основ построения широкополосных активных устройств с большим динамическим диапазоном линейного преобразования сигналов на основе сверхпроводящих квантовых решеток (СКР), а также оптимального мало-возмущающего интерфейса для сопряжения активных антенн на основе таких устройств с последующими элементами приемных систем.
Линейность СКР определяется линейностью откликов используемых квантовых ячеек, требуемый динамический диапазон достигается за счет общего числа квантовых ячеек, а импеданс устанавливается соотношением параллельных и последовательных электрических соединений в квантовой решетке.
Рассмотрены и проанализированы возможные реализации активных электрически малых антенн (ЭМА): (i) трансформаторные ЭМА, в которых ячейки СКР индуктивно сопряжены со сверхпроводящими трансформаторами магнитного потока, и (ii) бестрансформаторые активные ЭМА на основе СКР с несверхпроводящим электрическим соединением квантовых ячеек. Согласно полученным оценкам, при использовании бестрансформаторной конструкции ЭМА динамический диапазон может увеличиваться пропорционально линейному размеру чипа, на котором реализована ЭМА, в то время как для трансформаторной ЭМА динамический диапазон увеличивается как корень квадратный из линейного размера чипа.
Выполнено рассмотрение характеристик сверхпроводящих квантовых ячеек двух типов: (i) би-сквид и (ii) дифференциальная квантовая ячейка. Построена аналитическая теория би-сквида. Выполнен анализ линейности отклика напряжения дифференциальной ячейки в области многих параметров, показано, что линейность отклика такой ячейки может достигать значения 100 дБ.
Выполнен анализ влияния нагрузки на линейность выходного сигнала дифференциальной квантовой ячейки и СКР на основе таких ячеек. Разработаны общие подходы к техническому решению интерфейса сопряжения активных устройств на основе СКР с последующими элементами приемных систем, в том числе, с устройствами оцифровки сигналов. Наиболее оптимальное и мало-возмущающее сопряжение достигается с использованием сверхпроводникового трансформатора импедансов, интегрированного с широкополосным фильтром.
Разработана методика трехмерного численного моделирования сверхпроводниковых тонкопленочных микро и нано структур в поле электромагнитной волны в условиях, когда существуют три сильно отличающиеся характерных масштаба (размер области моделирования Z (больше иди порядка длины падающей электромагнитной волны λ=3-30 см); размер тонкопленочного объекта D =10-100 мкм; и толщина пленок d=100-300 нм). Выполненное моделирование позволило:
- оптимизировать топологию квантовых ячеек;
- проанализировать формирование выходного сигнала под действием магнитной компоненты падающей электромагнитной волны;
- изучить влияние электрической компоненты волны, связанное с появлением индуцированных поверхностных зарядов;
- изучить размерный эффект и его влияние на линейность выходного сигнала;
- рассчитать диаграмму направленности активной приемной электрически малой антенны.
Разработаны топологии сверхпроводящих квантовых ячеек, сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) и прототипов активных электрически малых антенн (ЭМА), предназначенные для их реализации с использование многослойной тонкопленочной ниобиевой технологии с плотностью критического тока джозефсоновских переходов 4,5 кА/см2.
Изготовлены экспериментальные образцы сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) и прототипов активных электрически малых антенн на основе СКР на кремниевых подложках размером 5 х 5 мм2 с использованием многослойной тонкопленочной ниобиевой технологии. Сверхпроводниковые интегральные схемы сформированы.
Выполнено экспериментальное исследование сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) и прототипов активных электрически малых антенн (ЭМА), созданных с использованием ниобиевой тонкопленочной технологии. Изучены вольт-амперные характеристики (ВАХ) и характеристики отклика выходного напряжения на магнитный сигнал. Получены отклики с размахом до 60 мВ и крутизной преобразования магнитного поля в напряжение 6,5 мВ/мкА. Это дает оценку чувствительности антенны на уровне 3·10-14 Т/Гц1/2. Достигнута линейность преобразования на уровне 70 дБ.
Китайским Партнером были получены следующие результаты:
- Разработаны алгоритмы численных расчетов фильтров и согласующих элементов на основе тонких пленок Высокотемпературных Сверх-Проводников (ВТСП).
- Разработана технология, выполнена оптимизация технологических режимов формирования пленочных ВТСП структур на основе монокристаллических пленок Y(1)Ba(2)Cu(3)O(7-x) на высокодобротных подложках MgO с характеристиками, сравнимыми с теми, которые достигаются на более дорогостоящих подложках LaAlO(3).
- Рассчитан полосовой фильтр, состоящий из 12 резонаторов на основе тонких пленок ВТСП, с центральной частотой 1,455 ГГц для использования в широкополосных приемных системах. Разработаны топологии фильтров, согласующих элементов и трансформаторов волнового импеданса.
- С использованием разработанной ВТСП пленочной технологии изготовлены широкополосные согласующие трансформаторы импеданса и полосовые фильтры.
- Выполнено экспериментальное изучение характеристик согласующих трансформаторов и полосовых фильтров.