ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Продление: https://istina.msu.ru/projects/479784955/ 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.
The project aims to develop the theoretical and experimental physical basis for the construction of high-linear wideband active antennas designed for the novel receiving systems that directly digitize broadband signals with subsequent digital filtering and processing of various types of information content. The modern development of information and telecommunication technologies is restricted by the limiting capacities achieved by the used semiconductor element base. This state of the industry puts on the agenda the issue of creating fundamentally new technologies for information representation, transmission, reception, processing, storage and protection based on the quantum physics laws and operating with logical states by using quantum information carriers. The use of macroscopic quantum effects in superconductors makes it possible to implement new digital technologies with extremely low power consumption and heat dissipation based on rapid single flux quantum logic, which operates with single magnetic fluxes (fluxons) as logical information carriers. Such new digital technologies make it possible to overcome the fundamental constraints, against which the development of modern semiconductor electronics and, consequently, the development of information and telecommunication technologies rest. In particular progress in the field of superconducting electronics has led to the creation of broadband analog-to-digital converters capable of providing a large dynamic range of high-linear signal conversion. Thus, there are new opportunities for the development of information and telecommunication systems based on the using of broadband receivers with direct digitization of signals. Such systems provide simultaneous broadband reception of a large number of signals from various sources and their subsequent parallel digital processing. Such receiving systems are ultra-modern intellectual telecommunications systems characterized by high bandwidth and unique sensitivity characteristics obtained through the use of macroscopic quantum effects. For the full use of broadband systems with direct signal digitization, it is necessary to develop an input antenna path that does not degrade the integral characteristics of the entire device, which can be implemented on the basis of active-type superconducting antennas. The objective of building active broadband superconducting antennas, which are necessary for the development of these new technologies, remains unresolved. This project provides a solution to this problem, based on obtaining fundamentally new theoretical and experimental scientific results.
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.
Научным коллективом 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 и би-сквидов. 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. При выполнении работ в рамках проекта РНФ “Разработка принципов применения сверхпроводящих квантовых антенн” были получены результаты анализа наиболее эффективных применений подобных антенн. Для изготовления прототипов сверхпроводящих антенн будет применятся ниобиевая многослойная технология изготовления высококачественных туннельных переходов Nb-AlOx-Nb, разработанная в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Данная технология применялась при проведении целого ряда фундаментальных физических исследований и экспериментов.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 8 августа 2019 г.-30 июня 2020 г. | Развитие физических основ построения широкополосных сверхпроводящих активных антенн (2019-2020) |
Результаты этапа: 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. | ||
2 | 1 июля 2020 г.-30 июня 2021 г. | Развитие физических основ построения широкополосных сверхпроводящих активных антенн (2020-2021) |
Результаты этапа: 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. | ||
3 | 1 июля 2021 г.-30 июня 2022 г. | Развитие физических основ построения широкополосных сверхпроводящих активных антенн (2021-2022) |
Результаты этапа: 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. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".