Твердотельный усилитель

(51) 5 Н ЕНИЯ ЗОБРЕ ЕТЕЛЬСТВУ ИСАН,1, ,, у1 К АВТОР емных радиоэлектро честве предварите усилителя СВЧ, Уст несущий элемент с установленный в си диненную с эходно щими линиями. применение в каче мента тонкой сверхп щиной не более гл поля в сверхпровод лектрическое основ е бюро при нушко 330-5, 1956, 330 - 5, 1956, ТЕЛЬ усилителямоводников иходных приГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Специальное конструкторсПолтавском заводе "Знамя"(57) Изобретение относится кСВЧ с применением сверхпрможет быть использовано во в Изобретение относится к усилителямСВЧ с использованием сверхпроводников иможет быть использовано во входных приемных радиоэлектронных устройствах в качестве предварительного малошумящегоусилителя СВЧ.Известны конструкции твердотельныхусилителей, в которых электроны и дырки,дрейфующие в полупроводниковом стержне или пленке под воздействием приложен- .ного внешнего электрического поля,взаимодействуют с синхронно-бегущим позамедляющей системе полем усиливаемогосигнала СВЧ.Недостатком такого усилителя являетсянебольшой коэффициент усиления и сравнительно большой коэффициент шума ( 7+10 дБ), что неприемлемо для высокочувствительных приемных устройств,Известен твердотельный усилитель, который представляет собой аналог вакуумной лампы бегущей волны (ЛБВ) и содержиттоконесущий полупроводниковый стержзнь(или пластину) с контактами на концах даясоздания дрейфа зарядов, расположенныйв замедляющей системе, которая электриче 2нных устройствах в кального малошумящего ройство содержит токо-, койтактами на концах, стему замедления, соей и выходной передаюНовымявляется стве токонесущего элероводя щей пленки толубины проникновения ник, нанесенной на дизание. 2 з.п.ф-лы, 4 ил. 1ски 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 вышечастота соударений Р носителей тока с примесями, тем больше носителей тока выходитиз сихронизм с бегущей волной, тем меньшестановится коэффициент усиления и тембольше коэффициент шума усилителя,Целью изобретения является повышение коэффициента. усиления и получениепредельно низкого коэффициента шума усилителя за счетисключения соударений носителей тока с неоднородностями втокопроводящем элементе усилителя,Указанная цель достигается тем, что визвестной конструкции твердотельного усилителя, содержащего токонесущий элементс контактами на концах, расположенный взамедляющей системе, которая электрически соединена с входной и выходной линиями передачи, токонесущий элементизготавливается из сверхпроводящей плен-,10 15 20 25 30 35 40 45 5 С 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 свыходной линией 8 передачи и нагрузкой 9,Средняя часть спирали 5 и диэлектрическийслой 4 покрыты резистивным слоем 10,Усилитель (фиг, 1) работает следующимобразом. Источник Е внешней электрической цепи, электрически соединенный через переменный резистор й 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 соотношениемЕ 2 и е 1 Ь 2 и е 1 и й где Че - скорость движения электронныхпар;= -- ток, текущий через пленку 1;Е:и - концентрация сверхпроводящих электронов в пленке 1;е - заряд электрона;т, п - ширина и толщина пленки 1 соответственно;Е - ЗДС источника питания;Я - 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 Чеи фаэовой скорости распространения волныпо проводника 6 Чф, т,е, Че и Чф.Усиленная электромагнитная волна через выходную передающую линию усилителя 9 направляется в нагрузку 10, Пленочныйпоглотитель СВЧ-энергии 11 предотвращает самовозбуждение усилителя, 5Изменяя ток 1, текущий через сверхпроводящую пленку 1, в пределах от 0 до критического значения 1 с (участок ОАвольтамперной характеристики пленки 1 нафиг. 2) с помощью переменного резистора. 10Я, можно изменять в широких пределах скорость дрейфа электронных пар Ч в пленке1 и тем самым выбирать оптимальный режим работы усилителя. При увеличении тока1 пленки 1 больше критического значения с, 15вольтамперная характеристика пленки терпит разрыв (участок АВ на фиг. 2) и пленка 1скачкообразно переходит в нормальное резистивное состояние (участок ВС на фиг. 2).Оптимальная толщина сверхпроводящей пленки Ь усилителя не должна превышать глубины проникновенияэлектромагнитного поля в сверхпроводникА, так как в противном случае до электронных пар, находящихся глубже, поле электромагнитной волны, распространяющейсяпо проводнику 6, не проникает и они дрей-фуют в пленке 1 с постоянной скоростью, неучаствуя в группировке пар и усилении, приводя к ненужным потерям мощности источника на резисторе В,Усилитель, изображенный на фиг. 3 и 4,работает следующим образомИсточник Е, электрически связанный сосверхпроводящей пленкой 1 через переменный резистор В и контакты 2, создает вней движение сверхпроводящих электронных пар, направленное от входной переда"ющей линии 6 к выходной линии 8,Сигнал СВЧ, подлежащий усилению, 40подается от источника 7 через входную передающую линию 6 на вход спирали 5, Электромагнитное поле сигнала СВЧ проникаетчерез диэлектрик 4 в пленку 1 и; двигаясьсинхронно 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 криогенных температур,Расчет показал, что коэффициент усиления предлагаемого усилителя больше коэффициента усилителя-прототипа на 16 дБ при прочих равных условиях и имеет температуру шума а 15 К. Формула изобретения1. Твердотельный усилитель, содержа.щий токонесущий элемент с двумя контактами на концах и замедляющую систему,которая электрически соединена с входнойи выходной линиями передачи и отделенадиэлектрическим слоем от токонесущегоэлемента, о т л и ча ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения коэффициента усиленияи снижения коэффициента шума, токонесущий элемент выполнен в виде тонкой сверхпроводящей пленки, нанесенной на.диэлектрическое основание и толщиной неболее глубины проникновения поля в сверхпроводник.2.Усилитель по п.1, отл ича ю,щийс я тем, что диэлектрическое основание выполнено в виде цилиндра, при этом системазамедления 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 видезигзагообразного проводника,1755339 едактор Е а Заказ 2897 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Составитель В, Онушко ехред М,Моргенталорректор И. Ш