КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-72-10016
НазваниеРазвитие физических основ построения широкополосных сверхпроводящих активных антенн
РуководительКолотинский Николай Васильевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2019 - 06.2022 | , продлен на 07.2022 - 06.2024. Карточка проекта продления (ссылка) |
Конкурс№41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-401 - Вакуумная и плазменная электроника, СВЧ-электроника
Ключевые словаСверхпроводимость, эффект Джозефсона, активные электрически малые антенны, широкополосные системы, сквиды, сверхпроводящие антенны, сверхпроводящие квантовые решетки.
Код ГРНТИ47.39.33
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на развитие теоретических и экспериментальных физических основ построения высоколинейных широкополосных активных антенн, предназначенных для новейших приемных систем, осуществляющих прямую оцифровку широкополосных сигналов с последующей цифровой фильтрацией и обработкой информационного контента различного типа.
Современное развитие информационно-телекоммуникационных технологий ограничено предельными возможностями, достигнутыми используемой полупроводниковой элементной базой. Такое состояние отрасли ставит на повестку дня вопрос о создании принципиально новых технологий представления информации, передачи, приема, обработки, хранения и защиты информации, базирующихся на законах квантовой физики и оперирующих логическими состояниями с использованием квантовых носителей информации.
Использование макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках позволяет реализовать новые цифровые технологии с крайне малым энергопотреблением и тепловыделением на основе быстрой одноквантовой логики, оперирующей в качестве носителей логической информации одиночными квантами магнитного потока – флаксонами. Такие новые цифровые технологии дают возможность преодоления фундаментальных ограничений, в которые упирается развитие современной полупроводниковой электроники и, следовательно, развитие информационно-телекоммуникационных технологий.
В частности, прогресс в области сверхпроводниковой электроники привел к созданию широкополосных аналого-цифровых преобразователей, способных обеспечить большой динамический диапазон высоко-линейного преобразования сигналов. Таким образом, появились новые возможности развития информационных и телекоммуникационных систем, основанных на использовании широкополосных приемных устройств с прямой оцифровкой сигналов. Подобные системы позволяют осуществлять одновременно широкополосный прием большого числа сигналов от различных источников и их последующую параллельную цифровую обработку.
Такие приемные системы представляют из себя ультрасовременные интеллектуальные телекоммуникационные системы, характеризующиеся высокой пропускной способностью и уникальными характеристиками чувствительности, получаемыми за счет использования макроскопических квантовых эффектов.
Для полноценного применения широкополосных систем с прямой оцифровкой сигналов необходима разработка входного антенного тракта, не ухудшающего интегральные характеристики всего устройства, что может быть реализовано на основе сверхпроводящих антенн активного типа.
Задача построения активных широкополосных сверхпроводящих антенн, необходимых для развития указанных новых технологий, остается пока нерешенной. Данный проект предусматривает решение этой проблемы, основанное на получении принципиально новых теоретических и экспериментальных научных результатов.
Ожидаемые результаты
Основной научной задачей данного проекта является дальнейшее развитие физических основ построения широкополосных активных сверхпроводящих приемных антенн.
В рамках выполнения данного проекта будут разработаны и впервые экспериментально протестированы прототипы активных сверхпроводящих устройств на основе единичных ячеек оптимизированных би-сквидов, а также прототипы сверхпроводящих антенных систем активного типа с концентраторами/трансформаторами магнитного потока.
Предлагаемая концепция активных сверхпроводящих антенн, в отличие от мировых аналогов, характеризуется широкой полосой пропускания с одновременным высоко линейным откликом напряжения на внешний сигнал, что делает ее идеальным кандидатом для входного тракта ультрасовременных телекоммуникационных систем с прямой оцифровкой принимаемых широкополосных сигналов, а ожидаемые результаты – превосходящими мировой уровень исследования по данной проблеме.
Полученные в рамках выполнения данного проекта результаты позволят сформулировать принципы построения сверхпроводниковых телекоммуникационных систем, обеспечивающих решение вопросов качественной и надежной связи с удаленными регионами (в том числе Арктики и Антарктики), а также с объектами в космическом пространстве.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на развитие теоретических и экспериментальных физических основ построения высоколинейных широкополосных активных антенн, предназначенных для новейших приемных систем, осуществляющих прямую оцифровку широкополосных сигналов с последующей цифровой фильтрацией и обработкой информационного контента различного типа.
Основной научной задачей данного проекта является дальнейшее развитие физических основ построения широкополосных активных сверхпроводящих приемных антенн. В рамках выполнения данного проекта разрабатываются и впервые экспериментально тестируются прототипы активных сверхпроводящих устройств на основе единичных ячеек оптимизированных би-сквидов, а также прототипы сверхпроводящих антенных систем активного типа с концентраторами/трансформаторами магнитного потока.
Работы, выполненные в отчетном периоде, посвящены оптимизации параметров базовых ячеек таких антенн (би-сквидов и дифференциальных ячеек), изготовляемых с использованием тонкопленочной ниобиевой технологии, разработке топологии и изготовлению прототипов ячеек.
Были выполнены следующие работы:
– Расчет карты взаимно-оптимизированных параметров базовых ячеек для достижения оптимальных характеристик.
– Выбор технологических параметров изготовления прототипа с использованием ниобиевой технологии.
– Разработка послойной топологии прототипов базовых ячеек.
– Изготовление прототипов базовых ячеек (НИР сторонней организации).
– Разработка оборудования для проведения измерения характеристик прототипов базовых ячеек.
В результате выполнения работ в отчетный период были получены следующие результаты:
– Рассчитаны карты взаимно-оптимизированных параметров для би-сквидов, связывающие между собой основные параметры би-сквидов (индуктивности всех колец и критические токи).
– Оценено соотношение между количеством переходов и индуктивностями в плече дифференциальной квантовой ячейки, выполняющей роль карты параметров для дифференциальных ячеек.
– Набор данных карт позволил выбрать конкретные технологические параметры для проектирования прототипов базовых ячеек на основе би-сквидов и дифференциальных квантовых ячеек.
– Разработаны топологии 16 чипов, содержащих оптимизированные би-сквиды, дифференциальные квантовые ячейки и тестовые структуры. Всего было разработано более 30 структур.
– На основании разработанных топологий изготовлены прототипы базовых ячеек с использованием тонкопленочной ниобиевой технологии (НИР сторонней организации).
– Разработана и частично изготовлена экспериментально-измерительная система для проведения исследования изготовленных прототипов.
К основным выводам можно отнести следующие:
– Разработанные карты взаимно-оптимизированных параметров для базовых ячеек сверхпроводящих активных электрически малых антенн обеспечивают полный набор информации для создания прототипов таких ячеек.
– Тонкопленочные ниобиевые технологии полностью применимы для реализации прототипов базовых ячеек, а в дальнейшем и самих сверхпроводящих активных электрически малых антенн.
– Изготовленные с использованием тонкопленочной ниобиевой технологии по разработанной топологии прототипы базовых ячеек полностью пригодны к проведению экспериментальных исследований.
– Разработанная экспериментально-измерительная система позволяет получить полный набор параметров исследуемых прототипов. Данная система не уступает аналогам, используемым в ведущих мировых лабораториях сверхпроводниковой электроники.
Полученные выводы свидетельствуют об успешном выполнении текущего этапа проекта в части проведенных работ.
Информация о проекте также опубликована в сети Интернет по адресу: http://affp.phys.msu.ru/19-72-10016.
Публикации
1. Колотинский Н.,Корнев В., Муханов О. Bi-SQUID: Design for Applications Superconductor Science and Technology, vol. 33, no. 11, Art. ID 113001 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/1361-6668/aba541
2. Базулин Д.,Колтинский Н., Корнев В. Design issues of superconducting quantum antennas based on bi-SQUIDs and differential quantum cells 3rd International School on Quantum Technologies, - (год публикации - 2020)
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект направлен на развитие теоретических и экспериментальных физических основ построения высоколинейных широкополосных активных антенн, предназначенных для новейших приемных систем, осуществляющих прямую оцифровку широкополосных сигналов с последующей цифровой фильтрацией и обработкой информационного контента различного типа. В рамках выполнения данного проекта разрабатываются и впервые экспериментально тестируются прототипы активных сверхпроводящих устройств на основе единичных ячеек оптимизированных би-сквидов, а также прототипы сверхпроводящих антенных систем активного типа с концентраторами/трансформаторами магнитного потока.
Работы, выполненные в отчетном периоде, посвящены измерению характеристик прототипов базовых ячеек таких антенн (би-сквидов и дифференциальных ячеек), дополнительной оптимизации параметров базовых ячеек, разработке и изготовлению прототипов одноэлементых активных сверхпроводящих антенн и измерению их характеристик.
Были выполнены следующие работы:
– измерения характеристик прототипов базовых ячеек ;
– расчеты, направленные на выполнение дополнительной оптимизации разработанных базовых ячеек многоэлементных структур;
– Расчет цепей трансформаторов магнитного потока для прототипов одноэлементных активных сверхпроводящих антенн;
– разработка топологии прототипа одноэлементной активной сверхпроводящей антенны.
– изготовление прототипа одноэлементной активной сверхпроводящей антенны (НИР сторонней организации);
– измерения характеристик прототипов одноэлементной активной сверхпроводящей антенны.
В результате выполнения работ в отчетный период были получены следующие результаты:
– разработана, сконструирована и изготовлена экспериментально-измерительная установка для исследования прототипов сверхпроводящих электрически малых антенн;
– проведено экспериментальное исследование прототипов базовых ячеек на основе би-сквидов и дифференциальных квантовых ячеек;
– проведены расчеты по дополнительной (итерационной) оптимизации базовых ячеек на основе дифференциальных квантовых ячеек и би-сквидов;
– выполнен расчет цепей трансформаторов магнитного потока для прототипов одноэлементных активных сверхпроводящих антенн;
– разработаны топологии прототипов одноэлементных активных сверхпроводящих антенн на основе би-сквидов и дифференциальных квантовых ячеек;
– на основе разработанных топологий изготовлены прототипы одноэлементных активных сверхпроводящих антенн с использованием тонкопленочной ниобиевой технологии (НИР сторонней организации);
– проведено предварительно тестирование чипов, содержащих прототипы (НИР сторонней организации);
– проведено экспериментальное исследование прототипов одноэлементных активных сверхпроводящих антенн.
К основным выводам можно отнести следующие:
– Изготовленная экспериментально-измерительная система позволяет получать полный набор параметров исследуемых прототипов.
– Были получены вольт-амперные характеристики и величины значений критических токов, соответствующие ожидаемым, что позволяет сделать заключение о корректном проектировании топологий.
– В рамках дополнительной оптимизации параметров базовых ячеек были рассчитаны параметры шунтирующих резисторов, минимально допустимые величины критического тока базовых переходов би-сквидов. Также были уточнены ограничения на количество переходов в дифференциальной квантовой ячейке.
– В рамках задачи расчета цепей трансформаторов магнитного потока для одноэлементных активных сверхпроводящих антенн был выбран метод задания внешнего магнитного потока посредством сверхпроводящей линии, проходящей под контуром единичного элемента.
– Прототипы одноэлементных активных сверхпроводящих антенн, изготовленные по разработанной топологии с использованием тонкопленочной ниобиевой технологии, пригодны к экспериментальным исследованиям.
– Полученные при экспериментальном исследовании характеристики прототипов одноэлементных электрически малых антенн соответствуют теоретическим ожиданиям, что позволяет утверждать о наличии возможности дальнейшего проектирования и изготовления электрически малых антенн на основе цепочек и решеток базовых ячеек.
Разработанные прототипы одноэлементных электрически малых антенн представляют из себя ультрасовременные телекоммуникационные системы, характеризующиеся высокой пропускной способностью и уникальными характеристиками чувствительности, получаемыми за счет использования макроскопических квантовых эффектов. Применение таких систем, наряду с решением других высокотехнологичных задач, позволит реализовать качественную и надежную связи с удаленными регионами, а также с объектами в космическом пространстве.
Полученные выводы свидетельствуют об успешном завершении текущего этапа проекта и, в силу итерационного характера проекта, предполагают успешное выполнение работ последующего (завершающего) этапа.
Информация о проекте также опубликована в сети Интернет по адресу: http://affp.phys.msu.ru/19-72-10016.
Публикации
1. Колотинский Н.В., Базулин Д.Е., Корнев В.К. Active Superconducting Electrically Small Antennas: design issues of basic cells IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 31, no. 5, Art. ID 1600204 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1109/TASC.2021.3055756
2. Колотинский Н.В., Корнев В.К. К вопросу о выборе числа элементов параллельной цепочки джозефсоновских переходов Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия, 2021. № 3. С. 22 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3103/S002713492103005X
3. Колотинский Н.В., Базулин Д.Е., Корнев В.К. Control line issues of Active Superconducting Electrically Small Antennas 2021 IEEE 14th Workshop on Low Temperature Electronics (WOLTE), pp. 1-3 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1109/WOLTE49037.2021.9555443
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект направлен на развитие теоретических и экспериментальных физических основ построения высоколинейных широкополосных активных антенн, предназначенных для новейших приемных систем, осуществляющих прямую оцифровку широкополосных сигналов с последующей цифровой фильтрацией и обработкой информационного контента различного типа.
Основной научной задачей данного проекта является дальнейшее развитие физических основ построения широкополосных активных сверхпроводящих приемных антенн.
За отчетный период были реализованы задачи по оптимизации параметров активных электрически малых антенн, разработке и изготовлению прототипов активных сверхпроводящих антенн, измерению их характеристик, а также по разработке рекомендаций на основе выполненного проекта для дальнейшего проведения научно-исследовательских работ с целью создания современных телекоммуникационных систем.
Были выполнены следующие работы:
- расчеты, направленные на дальнейшую оптимизации разработанных прототипов активных сверхпроводящих антенн;
- разработка новых вариантов послойной топологии прототипов оптимизированных схем активных сверхпроводящих антенн;
- изготовление прототипов оптимизированных схем активных сверхпроводящих антенн. (НИР сторонней организации);
- измерение характеристик изготовленных прототипов оптимизированных схем активных сверхпроводящих антенн;
- разработка рекомендаций для дальнейшего проведения научно-исследовательских работ по созданию современных телекоммуникационных систем.
В результате выполнения работ в отчетный период были получены следующие результаты:
- проведены расчеты, направленные на дальнейшую оптимизацию разработанных прототипов активных сверхпроводящих антенн;
- разработаны новые варианты топологий прототипов активных сверхпроводящих антенн на основе би-сквидов и дифференциальных квантовых ячеек;
- на основе разработанных топологий изготовлены прототипы активных сверхпроводящих антенн с использованием тонкопленочной ниобиевой технологии (НИР сторонней организации);
- проведено экспериментальное исследование прототипов активных сверхпроводящих антенн;
- разработаны рекомендации для дальнейшего проведения научно-исследовательских работ по созданию современных телекоммуникационных систем;
- сформулированы выводы по результатам выполнения проекта.
К основным выводам можно отнести следующие:
- в рамках дальнейшей оптимизации параметров прототипов активных сверхпроводящих антенн были рассчитаны параметры переходов и индуктивностей связи для измененной плотности критического тока;
- разработаны топологии прототипов активных сверхпроводящих антенн;
- на основе разработанной топологии прототипов активных сверхпроводящих антенн есть практическая возможность создания экспериментальных образцов;
- прототипы активных сверхпроводящих антенн, изготовленные по разработанной топологии с использованием тонкопленочной ниобиевой технологии, пригодны к экспериментальным исследованиям;
- полученные при экспериментальном исследовании характеристики прототипов электрически малых антенн соответствуют теоретическим ожиданиям;
- разработанные рекомендации для дальнейшего развития современных телекоммуникационных систем, в первую очередь по применению джозефсоновских параметрических усилителей бегущей волны, создают основу последующих научно-исследовательских работ.
Все заявленные в плане работ результаты получены в полном объеме, что позволяет констатировать успешное завершение этапа проекта.
Информация о проекте также опубликована в сети Интернет по адресу: http://affp.phys.msu.ru/19-72-10016.
Публикации
1. Колотинский Н.В., Базулин Д.Е., Корнев В.К. Towards receiving wide-band superconductor antenna unit technology Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol. 12157, Art. ID 121570S (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1117/12.2623659
2. Колотинский Н.В., Корнев В.К. К вопросу реализации широкополосных приемных систем Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия, 2022 (год публикации - 2022)
3. Юсупов Р..А., Филипенко Л.В., Базулин Д.Е., Колотинский Н.В., Тарасов М., Голдобин Э., Кошелец В.П., Корнев В.К. Flux-pumped Josephson Travelling-Wave Parametric Amplifiers Based on Bi-SQUID Cells IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 32, issue 4, Art. Id 1700105 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1109/TASC.2021.3131134
4. Колотинский Н.В., Базулин Д.Е., Корнев В.К. Towards receiving wide-band superconductor antenna unit technology Proceedings of International Confernce "Micro- and Nanoelectronics - 2021" (ICMNE-2021): Book of abstracts, O3-02, p. 123 (год публикации - 2021)
Возможность практического использования результатов
Построение приемных устройств на основе предложенных электрически малых антенн активного типа, реализуемых с использованием сверхпроводящих квантовых решеток позволяет достичь необходимое широкое значение величины динамического диапазона линейного преобразования.
Это делает возможным создание новых типов устройств, в которых будут существенно расширены возможности телекоммуникационных технологий, в том числе за счет применения сверхпроводниковых широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой принимаемых сигналов и последующим цифровым формированием поддиапазонов с программируемыми расположением и шириной выделяемых частотных полос.
Применение таких систем делает возможным реализацию задачи по созданию качественной и надежной связи с удаленными регионами, а также с объектами в космическом пространстве.