ИСТИНА

Проект посвящен исследованию возможности высокоэффективного применения электрически малых антенн на основе сверхпроводящих квантовых решеток – сверхпроводящих квантовых антенн активного типа, в развитии ультрасовременных телекоммуникационных систем. Использование макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках позволило в настоящее время реализовать новые цифровые технологии с крайне малым энерговыделением на основе быстрой одноквантовой логики, оперирующей одиночными квантами магнитного потока в качестве носителей логической информации. Такие новые цифровые технологии дают возможность преодоления фундаментальных ограничений, в которые упирается развитие современной полупроводниковой электроники и, следовательно, развитие информационно-телекоммуникационных технологий. Данные пределы устанавливает, с одной стороны, тепловыделение в полупроводниковых чипах, ограничивающее миниатюризацию логических элементов, степень интеграции и плотность элементов (и, следовательно, скорость передачи сигналов между ними). С другой стороны, существуют фундаментальные ограничения на размеры составных частей логических элементов, связанные с физикой работы полупроводниковых приборов, а именно: размер, полупроводникового элемента не может быть меньше длины свободного пробега электрона и радиуса экранирования Дебая в полупроводнике, порядка десяти нанометров; в противном случае имеет место квантовый (не классический) характер поведения таких элементов. Это ставит на повестку дня создание принципиально новых технологий передачи, приема, обработки, хранения и защиты информации, базирующихся на иных фундаментальных физических принципах и явлениях, таких как макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках, способных обеспечить высокую энергоэффективность и быстродействие систем нового поколения. Развитие сверхпроводниковой электроники предлагает не только новые технологии обработки цифровых сигналов, но и принципиально новые технологии высокочастотных аналоговых устройств. В основе таких устройств лежит использование специальных многоэлементных джозефсоновских структур, получивших название сверхпроводящих квантовых решеток. Такие квантовые решетки позволяют создавать уникальные электрически малые антенны (ЭМА) активного типа, обладающие высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном и сверхширокой частотной полосой принимаемых сигналов (от нескольких герц до десятков гигагерц). Такая антенна, размещенная на чипе размером, не превышающим 5x5 кв. мм, создает выходной сигнал, соответствующий намного большим по размеру стандартным пассивным антеннам, и заменяет целый набор диапазонных антенн, необходимых для перекрытия всей полосы принимаемых сигналов. Использования сверхпроводниковых квантовых антенн, уже сейчас открывает широкие возможности для создания новых высокоэффективных и экономически выгодных телекоммуникационных технологий. Кроме того, в дальнейшем прогресс в области сверхпроводниковых цифровых устройств и аналого-цифровых преобразователей позволит создавать полностью сверхпроводниковые широкополосные устройства с прямой оцифровкой сигналов.

The project is aimed to the research of the possibility of highly effective application of electrically small antennas, which is based on superconducting quantum arrays, - active superconducting quantum antennas for the development of ultramodern telecommunication systems. The use of macroscopic quantum effects in superconductors has now made it possible to realize new digital technologies with extremely low power consumption based on rapid single-flux quantum logic, which operates single quanta of magnetic flux as carriers of logical information. Such new digital technologies provide an opportunity to overcome fundamental limitations, which are limited the development of modern semiconductor electronics and, consequently, the development of information and telecommunication technologies. These limits, on the one hand, are determined by heat generation in semiconductor chips, limiting the miniaturization of logical elements, integration level and density of elements (and, consequently, the speed of signal transmission between them). On the other hand, there are fundamental limitations on the components of logic elements sizes related to the physics of semiconductor devices: the size of a semiconductor element can not be less than the mean free path of an electron and the Debye screening radius in a semiconductor (ten nanometers). Otherwise, the quantum (not classical) behavior of such elements takes place. This puts on the agenda the creation of fundamentally new technologies for the transmission, receiving, processing, storage and protection of information based on other fundamental physical principles and phenomena, such as macroscopic quantum effects in superconductors capable to provide high energy efficiency and performance of next-generation systems. The development of superconductor electronics offers not only new technologies for processing digital signals, but also fundamentally new technologies for high-frequency analog devices. Using of special multi-element Josephson structures called superconducting quantum arrays is at the basic of such devices. Such quantum arrays make it possible to create unique active electric small antennas (ESA), which have high sensitivity, large dynamic range and an ultra-wide frequency bandwidth of received signals (from several Hz to tens of gigahertz). Such antenna placed on a chip with a size not exceeding 5x5 square millimeters generates an output signal, which is larger than the signal of standard passive antennas, and replaces the whole set of band antennas necessary to cover the entire band of received signals. Using of superconducting quantum antennas opens wide opportunities for the creation of new highly efficient and profitable telecommunication technologies. In addition, further progress in the field of superconductor digital devices and analog-to-digital converters will allow the production of fully superconducting broadband devices with signal direct digitization.

В результате выполнения проекта будет выполнен анализ наиболее эффективных применений сверхпроводящих электрически малых антенн (ЭМА) активного типа, позволяющих получить как технологический, так и экономический эффекты в развитии современных телекоммуникационных систем различного назначения. Применение сверхпроводящих активных ЭМА в телекоммуникационных системах, позволяют решить ряд ключевых проблем, таких как расширение функциональных возможностей современных телекоммуникационных систем (в том числе спутниковых систем), удешевление связи за счет уменьшения числа приемных устройств, связь с удаленными регионами. Полученные результаты позволят в дальнейшем перейти к выработке рекомендаций по реализации телекоммуникационных устройств на основе сверхпроводящих активных электрически малых антенн и послужат основой для выполнения ПНИЭР и ОТР по созданию прототипов ультрасовременных телекоммуникационных систем.

Руководителем работ были осуществлены теоретические разработки физических основ использования макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках, в том числе развита концепция сверхпроводниковых квантовых решеток и ее базисных элементов – дифференциальных квантовых ячеек. Теоретические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями, а также опубликованными результатами других независимых исследований, в том числе результатами публикаций. Разработаны и применены алгоритмы и методы многопараметрического анализа и оптимизации многоэлементных джозефсоновских устройств с высокой линейностью характеристик до 100 дБ. Рассмотрена задача анализа влияния нагрузки на линейность характеристик квантовых ячеек, а также достижимой степени и условий компенсации этого воздействия. Изучены размерные эффекты в активных сверхпроводящих электрически малых антеннах и их влияние на линейность выходного сигнала антенны за счет фазового сдвига входных сигналов в плечах дифференциальных квантовых ячеек и нарушения симметрии распределения магнитного потока внутри квантовых ячеек. Реализован и исследован прототип активной электрически малой антенны бестрансформаторного типа.

Выполненный проект был направлен на разработку принципов применения активных электрически малых антенн – сверхпроводящих квантовых антенн. Подобные антенны характеризуются уникальной чувствительностью и позволяют решить проблемы создания ультрасовременных телекоммуникационных систем. Применение сверхпроводящих активных ЭМА в телекоммуникационных системах, позволяет решить ряд ключевых проблем, таких как расширение функциональных возможностей современных телекоммуникационных систем (в том числе спутниковых), удешевление связи за счет уменьшения числа приемных устройств, связь с удаленными регионами. Были проведены следующие работы: Сравнительный анализ различных квантовых ячеек (би-сквид, дифференциальная квантовая ячейка) для реализации на их основе активных электрически малых антенн на основе сверхпроводящих квантовых решеток. Анализ требований взаимного соответствия между технологическими характеристиками используемых тонкопленочных технологий изготовления сверхпроводниковых интегральных схем и достижимыми характеристиками электрически малых антенн на основе сверхпроводящих квантовых решеток с различными типами квантовых ячеек. - Изучение нагрузочной способности активных электрически малых антенн на основе сверхпроводящих квантовых решеток. Анализ влияния нагрузки на характеристики антенны. Анализ способов оптимального сопряжения антенны с последующими элементами приемной системы. Анализ чувствительности и шумовой температуры различных типов активных электрически малых антенн на основе сверхпроводящих квантовых решеток. Сравнительный анализ характеристик активных электрически малых антенн трансформаторного и бестрансформаторного типов, разработка оптимальной стратегии использования. Разработка алгоритмов управления активной электрически малой антенной (ЭМА) на основе различных типов квантовых ячеек, содержащих: задание и подержание токового и магнитного смещений; компенсацию магнитного поля земли и других источников; защиту от перегрузки (механизм восстановления рабочих параметров); процедуру инициализации. Анализ конструктивных и технологических аспектов, способных обеспечить дальнейшее повышение интегральной эффективности электрически малых антенн на основе сверхпроводящих квантовых решеток и приемных систем. Разработка рекомендаций по использованию активных электрически малых антенн для практического применения, в том числе для телекоммуникационных систем связи с удаленными регионами и объектами, позиционируемыми в космическом пространстве. К основным полученным результатам можно отнести следующие: Квантовые ячейки обладают следующими характеристиками: высокой линейностью преобразования магнитного сигнала в напряжение, низкими шумовыми характеристиками, которые приводят к высокой чувствительности таких устройств. Для различных применений и технологий изготовления каждый из предложенных вариантов ячейки имеет свои преимущества и недостатки. Несомненным плюсом дифференциальных ячеек является возможность изменения в процессе эксплуатации параметров, влияющих на линейность. Тем не менее, дифференциальные ячейки требуют относительно сложной технологии изготовления, в то время как большой запас по разбросу технологических параметров би-сквида позволяет производить их с применением менее сложных методов производства, что дает возможность снизить стоимость конечного устройства. Активные ЭМА как трансформаторного, так и бестрансформаторного типов обеспечивают достаточно высокую производительность, хотя они могут иметь существенно разные характеристики, такие как чувствительность, амплитуда выходного сигнала и импеданс. Бестрансформаторная антенна способна интегрировать большее количество квантовых ячеек и, следовательно, обеспечивать более высокую амплитуду выходного напряжения, чем трансформаторная. В то же время свойства бестрансформаторной антенны являются зависимыми от некоторых размерных эффектов, что ограничивает достижение максимальной линейности в определенных направлениях. Антенны трансформаторного типа свободны от любых размерных эффектов и, несмотря на меньшее количество основных ячеек, имеют большую чувствительность благодаря большему сигналу, приложенному к ячейкам. Построены алгоритмы управления активными электрически малыми антеннами на основе как дифференциальных квантовых ячеек, так и би-сквидов. Алгоритмы включают в себя инициализацию (калибровку), выход на рабочий режим, учет внешней нагрузки и магнитного поля других источников. Рассмотрены аспекты повышения дальнейшей интегральной эффективности активных электрически малых антенн и даны рекомендации по их использованию для практического применения. Наиболее перспективным предполагается применение подобных антенн в системах прямой оцифровки сигналов, что позволяет, в том числе, обеспечить связь с удаленными регионами и объектами, расположенными в космическом пространстве. Полученные результаты позволят создать теоретические основы для выработки рекомендаций по реализации телекоммуникационных устройств на основе сверхпроводящих активных электрически малых антенн и послужат основой для выполнения ПНИЭР и ОТР по реализации прототипов ультрасовременных телекоммуникационных систем. Все завяленные в плане работ результаты были получены в полном объеме, что позволяет говорить об успешном завершении проекта.