Развитие физических основ построения широкополосных сверхпроводящих активных антенн

Отчетный период 1 июля 2019 года — 30 июня 2020 года

Отчетный период 1 июля 2019 года — 30 июня 2020 года

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.

Отчетный период 1 июля 2020 года — 30 июня 2021 года

Отчетный период 1 июля 2020 года — 30 июня 2021 года

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.

Отчетный период 1 июля 2021 года — 30 июня 2022 года

Отчетный период 1 июля 2021 года — 30 июня 2022 года

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.

Отчетный период 1 июля 2022 года — 30 июня 2023 года

Отчетный период 1 июля 2022 года — 30 июня 2023 года (продление)

Основной целью проекта является разработка и экспериментальное исследование прототипа активной сверхпроводящей антенны, оптимизированной для применения в высокочастотных полях. Работы текущего этапа заключались в предварительном исследовании прототипов активной сверхпроводящей антенны с целью выработки физических основ для создания топологии прототипа, оптимизированного для применения в высокочастотных полях.

При выполнении работ в отчетный период были получены следующие результаты:

• расширены функциональные возможности экспериментально-измерительной установки для проведения исследований при воздействии высокочастотных полей за счет перехода на использование аппаратно-программного комплекса для исследования характеристик сверхпроводниковых интегральных приемных структур;
• измерены характеристики прототипов активных сверхпроводящих антенн Проекта 2019 при воздействии высокочастотных полей;
• произведен анализ выполненных исследований активных сверхпроводящих антенн при воздействии высокочастотных полей с целью выработки дальнейших рекомендаций;
• проведены расчеты, направленные на оптимизацию цепей согласования активных антенн с последующими устройствами;
• разработаны оптимизированные элементы топологии.

К основным выводам можно отнести следующие:

• применение аппаратно-программного комплекса для исследования характеристик сверхпроводниковых интегральных приемных структур позволило получить полный набор параметров исследуемых прототипов при воздействии высокочастотных полей;
• временная зависимость напряжения на би-сквиде при пропускании синусоидального сигнала соответствует теоретическим ожиданиям, что позволяет утверждать о возможности применения таких структур в качестве активных антенн;
• построение цепей трансформатора магнитного потока для дифференциальных квантовых ячеек следует выполнять на базе усовершенствованной топологии с меньшими характерными значениями величины тока; - результаты анализа временных зависимостей для прототипа анализа на основе би-сквидов позволил оценить отклонения индуктивных параметров при изготовлении, что было учтено при разработке оптимизированных топологий;
• рассчитан трансформатор импеданса для сопряжения антенны с последующими цепями, полученные S-параметры позволяют говорить об его эффективности (малые потери);
• вновь разработанные оптимизированные элементы топологии станут основой для создания оптимизированной топологии прототипа электрически малой антенны, предназначенного для исследования в высокочастотных полях.

Все заявленные в плане работ результаты получены в полном объеме, что позволяет констатировать успешное завершение этапа проекта.

Отчетный период 1 июля 2023 года — 30 июня 2024 года

Отчетный период 1 июля 2023 года — 30 июня 2024 года (продление)

В отчетном периоде осуществлены работы по теоретической разработке и созданию прототипа высоколинейной широкополосной сверхпроводящей активной электрически малой антенны (ЭМА), оптимизированной для исследований в высокочастотном диапазоне. Также рассмотрены вопросы применения разработанных активных электрически малых сверхпроводящих антенн в различных телекоммуникационных системах и устройствах.

При выполнении работ в отчетный период были получены следующие результаты:

• разработаны модифицированные ключевые элементы топологии прототипа оптимизированной активной сверхпроводящей антенны;
• \разработана усовершенствованная топология прототипа оптимизированной активной сверхпроводящей антенны;
• на основе разработанной усовершенствованной топологии изготовлены прототипы оптимизированной активной сверхпроводящей антенны с использованием тонкопленочной ниобиевой технологии (НИР сторонней организации);
• проведено предварительное тестирование чипов, содержащих прототипы (НИР сторонней организации);
• проведено экспериментальное исследование прототипа оптимизированной активной сверхпроводящей антенны;
• разработаны рекомендации по практическому применению разработанных активных электрически малых сверхпроводящих антенн в различных телекоммуникационных системах и устройствах;
• сформулированы интегрированные выводы по результатам выполнения проекта.

Основные выводы за отчетный период:

• Созданы модифицированные ключевые элементы топологии прототипа оптимизированной активной электрически малой сверхпроводящей антенны.
• Разработанная усовершенствованная топология прототипа оптимизированной активной сверхпроводящей антенны позволяет создавать на ее основе экспериментальные образцы.
• Прототипы активных сверхпроводящих антенн, изготовленные по разработанной усовершенствованной топологии с использованием тонкопленочной ниобиевой технологии, пригодны к экспериментальным исследованиям. Предварительное тестирование продемонстрировало высокое качество изготовленных структур: значения критических токов тестовых структур близко к расчетному.
• Измеренные экспериментальные характеристики прототипов оптимизированных активных малых антенн демонстрируют результаты, соответствующие ожидаемым теоретическим значениям. Это доказывает, что характеристики разработанных антенн заведомо не хуже характеристик сверхпроводящих антенн, основанных на иных концепциях.
• Разработанные рекомендации по практическому применению активных электрически малых антенн формируют базис для создания на их основе ультрасовременных широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигнала.
• Рассмотрены вопросы реализации широкополосных джозефсоновских параметрических усилителей бегущей волны на основе би-сквидов в качестве дополнительного механизма улучшения интегральных характеристик устройств на основе активной антенны.
• Разработанная концепция квази-однослойной топологии активной электрически малой антенны делает возможной реализацию подобной антенны с использованием высокотемпературных сверхпроводников, повысив при этом рабочие температуры разработанного устройства.

Все заявленные в плане работ результаты получены в полном объеме, что позволяет констатировать успешное завершение этапа проекта.