Микроэлектронные СВЧ-компоненты на основе высокотемпературных сверхпроводников
Окончание, начало в № 6’2001
Фазовращатели
Находят широкое применение в различных СВЧ-устройствах. Перестраиваемые фазовращатели разрабатываются на основе сегнетоэлектриков. При изменении диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика под воздействием электрического поля происходит изменение фазы проходящего сигнала. Обычно в качестве сегнетоэлектрика используется SrTiO3, а для создания проводников — ВТСП-пленка. При 30 К фазовый сдвиг составляет 28° [15].
В магнитоперестраиваемом фазовращателе YBa2Cu3O7-X микрополосковая линия cвязана с ферритовым (ЖИГ) сердечником. Меандровая структура, длина и ширина которой составляли соответственно 2,5 и 0,5 см, на частоте 10 ГГц при 77 К обеспечивает фазовый сдвиг 700° [16].
Линии задержки
Используются при необходимости обеспечения задержки сигнала от пикосекунд до микросекунд при его минимальном ослаблении. Поэтому ВТСП-линии задержки предпочтительнее линий на традиционных металлах. В отрезке линии сверхпроводника ослабление может быть на три порядка ниже, чем в золотом проводнике той же длины и с таким же поперечным сечением. Для получения максимальной задержки в заданном объеме микрополосковые ВТСП-линии можно изготавливать в виде меандра или спирали на тонких диэлектрических подложках, а уже из них создавать многоярусную структуру. Чтобы предотвратить перекрестные искажения между различными линиями, необходимо формировать поверхность заземления (а еще лучше две, расположенные симметрично по обе стороны от проводников микрополосковой линии).
![](/images/arhiv/01_07/48_1.gif)
Рис. 14
Фирма Superconductor Technologies изготовила линию задержки на 1 нс на Tl2Ba2CaCu2OX керамике. ВТСП-пленка наносится на LaAlO3 — подложку с помощью эксимерного лазера. Рисунок линии задержки сформирован с помощью фотолитографии и жидкостного травления. Длина и ширина линии задержки составляют 13,9 см и 50 мкм соответственно. Результаты сопоставления с рабочими характеристиками эквивалентной медной линии задержки на частоте 3,29 ГГц оказались следующими: при
77 К ВТСП линия задержки обладает в 10 раз меньшими потерями [3].
Эффект от использования ВТСП-компонентов в БС 3G
Применение ВТСП элементов в ВЧ-модуле БС, как уже указывалось выше, приводит к улучшению характеристик последних. В качестве примера приведем результаты измерений, проведенных для охлаждаемого до 70 К модуля (ВТСП-фильтр плюс МШУ), спроектированного для стандарта IS-95 (СDMA, полоса частот 824…849 МГц) [12]. Для определения выигрыша задались значениями, соответствующими спецификациям IS-95: f0 = 830 МГц, скорость передачи по радиоканалу (чиповая скорость) 1,2288 Мбит/с, скорость передачи данных 9,6 кБит/с, шумовая температура фона 150 К. При вышеперечисленных допущениях эквивалентная
шумовая температура ВТСП-модуля равна 258 К, а модуля в традиционном исполнении —
395 К [12]. Это означает, что излучаемая мощность АС CDMA может быть уменьшена на 35 % при том же ОСШ.
На рис. 14 показано поразительное улучшение качества работы ВТСП-резонаторов, достигнутое специалистами американской фирмы SuperConductor Technologies Inc. (Santa Barbara) [13].
![](/images/arhiv/01_07/48_2.gif)
Рис. 15
![](/images/arhiv/01_07/48_3.gif)
Рис. 16
![](/images/arhiv/01_07/48_4.gif)
Рис. 17
Первый модуль резонатора, собранный из ВТСП-керамики, был сделан еще в 1996 г. С тех пор в результате совершенствования технологических процессов производства тонкопленочных ВТСП и подложек достигнуто улучшение характеристик изделия (рис. 15).
График был получен для двухдюймового микрополоскового резонатора TBCCO на MgO подложке при температуре 77 К и f0 = 850 МГц [13].
На основе данных резонаторов был изготовлен промышленно выпускаемый ВТСП-фильтр, который является ключевым узлом БС третьего поколения. Радиочастотный блок БС включает в себя 12 сверхпроводящих полосовых фильтров преселектора и 6 МШУ. Каждый фильтр состоит из 10 дисковых резонаторов. Спад характеристики АЧХ на границе полосы пропускания составляет 60 МГц/дБ (рис. 16).
Применение БС на основе технологии ВТСП позволяет [13]:
- увеличить дальность цифровой и аналоговой связи, увеличить емкость канала CDMA на линии связи от АТ к БС (Up-link);
- улучшить качество следующих параметров связи: увеличить BER на Up-link (величина 3%-го порога BER улучшается на 4,2 дБ), расширить динамический диапазон емкости канала CDMA (рис. 17), улучшить качество обслуживания (уменьшить число пропущенных вызовов на 40%, уменьшить возникновение сбоев телефонных разговоров);
- уменьшить мощность, излучаемую АС на величину от 1 до 6 дБ (типовое значение 3 дБ или от 30 %);
- развертывать меньшее число БС для охвата равной территории;
- улучшить радиопокрытие в зданиях;
- увеличить скорость передачи данных на
20 % (рис. 17).
Увеличение производительности БС (трафик/зона охвата) при использовании РЧ ВТСП-узла составляет 101 % (рис. 17).
Согласно модели Хата (Hata model) максимальная скорость передачи данных уменьшается при наличии отражений сигнала в точке приема (n — число отражений). На рис. 18 представлена зависимость скорости передачи данных от расстояния при использовании ВТСП-фильтра (SuperFilter) в БС 3G (синяя линия) и в БС традиционного исполнения (красная линия).
![](/images/arhiv/01_07/48_5.gif)
Рис. 18
Заключение
Учитывая интерес производителей телекоммуникационного оборудования и операторов СС именно к системам связи третьего поколения (система 3G), целесообразно использовать ВТСП-узлы, спроектированные для работы в данном диапазоне частот: 1927,5…2157,5 МГц (центральные частоты) с полосой 5 МГц [1].
Создание компактного, надежного и недорогого криокулера (рефрижератора) позволит широко использовать технологию ВТСП в макро-, микро- и пико-БС.
Мобильная отрасль по своей капитализации и рыночной силе становится одной из главных движущих сил промышленно-технологического прогресса в XXI веке. Кроме того, мобильная связь является крайне перспективной областью практического применения ВТСП. Экономика мобильной отрасли развивается по своим законам, и российская отрасль мобильной связи по ряду важнейших экономических показателей становится одним из лидеров национального телекоммуникационного бизнеса.
Значительно возрастает и социальная роль мобильной связи, причем в каждом возрастном сегменте и каждом секторе услуг она будет способна предложить массовым потребителям уникальные и адаптируемые к персональным потребностям жизненно важные услуги. Особенно после 2010 г., когда в России масштаб и качество услуг мобильной связи станут действительно решающими факторами общественной жизни и социального благосостояния миллионов россиян.
Литература
- Перспективы внедрения систем мобильной связи третьего поколения в России. Национальная ассоциация операторов сетей связи третьего поколения 3G. ИТЦ «Мобильные телекоммуникации», 2001.
- An HTS Transceiver For Third Generation Mobile Communications. R. B. Greed, D. C. Voyce and D. Jedamzik. IEEETransactions on Applied Superconductivity, vol. 9, No 2, June 1999, 4002–4005.
- Гусева Л. Высокотемпературные сверхпроводники. — «Электроника: Наука, Технология, Бизнес», 2/1999.
- Planar HTS Structures for Hight-Power applications in Communication Systems. S. Kolesov, H. Chaloupka, A. Baumfalk, T. Kaiser. Journal of superconductivity.
Vol. 10. No. 3, 1997.
- Narrow-Band 2GHz Superconducting Filter, IEICE TRANS. ELECTRON., VOL. E82-C. NO. 7 JULY 1999,1177–1181.
- Transmit Filters for Wireless Basestations. Alfredo C. Anderson, Hui Wu, Andrew Barfknecht, IEEE Transactions on Applied Superconductivity,vol. 9, No 2, June 1999, 4006–4009.
- Карманенко С. Ф., Семенов А. А. СВЧ полосовой фильтр на основе пленочной структуры сверхпроводник/феррит (YBCO/YIG). — Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. 3, 12–17.
- Vendik O. G., Vendik I. B. and Kaparkov D. I. Empirical model of the microwave properties of high-temperature superconductors.
IEEE Trans. Microwave Theor. Technolol. 46,
469–478.
- Vendik I. , Vendik O., Pleskachev V. , Svishchev A. Design of Tunable Ferroelectrics Filters with a Constant Fractional Band With, Wordenweber, 0-7803-6540-2/01/ 2001/ IEEE.
- Высоцкий Ф.Б., Алексеев В.И., Пачин В.Н. и др.; Под ред. Б.Ф. Высоцкого. Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах. Справочное пособие. — М.: Радио и связь,
1984. — 216 с., ил.
- Edward R.S., Kurt F.R., «Dual 5 MHz PCS Receiver Front End», 2001 IEEE MTT-S.
- Ehata K., Kusunoki M., etc. Miniaturized cooling Systems for HTS Antennas, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 11, No 1, March 2001, 111–114.
- Ueno Y., Sakakibara N., Yamada T. Hight-Temperature Superconducting Receiving filter subsysem for Mobile Telecommunication Base Station, IEICE TRANS. ELECTRON., Vol. E82-C. No. 7, JULY, 1999.
- Hammond Bob STI Update, and Other HTS Commercialization in the USA, CTO, Superconductor Technologies Inc. Workshop on HTSHFF, Capri, May, 26, 2000.
- Integrated Ferroelectrics. 1994,v. 4. p.121–129.
- IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1995, vol.5, p. 2083–2086.
Василий Емельянов
stsve@freemail.ru
|