RU2450435C1

RU2450435C1 - Frequency stabilisation system for tunable cryogenerator

Info

Publication number: RU2450435C1
Application number: RU2011107825/08A
Authority: RU
Inventors: Андрей Вячеславович Худченко (RU); Андрей Вячеславович Худченко; Константин Владимирович Калашников (RU); Константин Владимирович Калашников; Валерий Павлович Кошелец (RU); Валерий Павлович Кошелец
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-05-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device contains tunable cryogenerator, phase detector, loop LCR low pass filter, reference frequency synthesizer in range of 10-30 GHz, at that phase detector is integrated at one integrated circuit with tunable cryogenerator and loop LCR filter is either integrated in the same integrated circuit or located nearby.

EFFECT: enhancement of synchronisation band for frequency stabilisation due reduction of signal delay time in loop of frequency stabilisation and reduction of heat generation in this system.

13 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к системам стабилизации частоты (ССЧ) и может быть использовано для стабилизации частоты перестраиваемого генератора (ПГ) путем фазовой синхронизации к высокостабильному опорному синтезатору.The invention relates to frequency stabilization systems (FSS) and can be used to stabilize the frequency of a tunable generator (GH) by phase synchronization to a highly stable reference synthesizer.

Известен аналог предлагаемого технического решения - ССЧ для терагерцового квантового каскадного лазера [1]. Квантовый каскадный лазер (ККЛ) является криогенным перестраиваемым генератором (КПГ) терагерцового излучения частоты порядка 2.7536 ТГц. ССЧ для ККЛ используется для устранения флуктуации частоты генерации, а также для уменьшения фазовых шумов. Синхронизация сигнала ККЛ к внешнему СВЧ-сигналу происходит следующим образом - на смесительный элемент, представляющий собой болометр на холодных электронах, подаются излучение лазера и сигнал опорного синтезатора, с помощью умножителей повышенный до частоты 2.7535 ТГц. Сигнал промежуточной частоты (ПЧ) порядка 1 ГГц усиливается и понижается до 100 МГц. Затем сигнал ПЧ подается на электронный блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Блок ФАПЧ сравнивает фазу сигнала ПЧ с фазой опорного сигнала и вырабатывает сигнал ошибки, который подается на квантовый каскадный лазер, изменяя его мгновенную частоту.A known analogue of the proposed technical solution is the frequency response for a terahertz quantum cascade laser [1]. A quantum cascade laser (QCL) is a cryogenic tunable generator (CNG) of terahertz radiation with a frequency of about 2.7536 THz. SSH for QCL is used to eliminate fluctuations in the generation frequency, as well as to reduce phase noise. The QCL signal is synchronized to an external microwave signal as follows - a laser element and a reference synthesizer signal are applied to the mixing element, which is a cold electron bolometer, using multipliers increased to a frequency of 2.7535 THz. An intermediate frequency (IF) signal of the order of 1 GHz is amplified and reduced to 100 MHz. Then the IF signal is fed to the electronic phase locked loop (PLL). The PLL compares the phase of the IF signal with the phase of the reference signal and generates an error signal, which is applied to the quantum cascade laser, changing its instantaneous frequency.

Недостатком аналога является низкая эффективность фазовой синхронизации, а именно узкая полоса синхронизации (менее 1 МГц) и малый процент синхронизированной мощности излучения лазера (около 13%). Полоса синхронизации ограничена временной задержкой сигнала в ССЧ, обусловленной физической длиной петли обратной связи. Значительная длина петли является следствием того, что квантовый каскадный лазер и болометр находятся в разных криообъемах, а блок ФАПЧ находится вне криостатов при комнатной температуре.The disadvantage of the analogue is the low efficiency of phase synchronization, namely a narrow synchronization band (less than 1 MHz) and a small percentage of synchronized laser radiation power (about 13%). The synchronization band is limited by the time delay of the signal in the MSS, due to the physical length of the feedback loop. The considerable loop length is a consequence of the fact that the quantum cascade laser and the bolometer are in different cryovolumes, and the PLL block is outside the cryostats at room temperature.

Прототипом предлагаемого технического решения служит широкополосная система фазовой автоподстройки частоты для криогенного генератора (патент РФ №2319300) [2]. Данное устройство используется для стабилизации частоты генератора на основе длинного джозефсоновского перехода (ДДП) и является широкополосной системой ФАПЧ, имеющей полосу синхронизации около 20 МГц. Блок-схема устройства-прототипа показана на Фиг.1. Оно содержит ДДП 1, гармонический смеситель 2, петлевой LC-фильтр нижних частот 3 (до 100 МГц), опорный синтезатор диапазона частот 18-21 ГГц 4, два НЕМТ усилителя диапазона 0.1-1 ГГц 5 и 6; криогенный фазовый детектор 7, основанный на туннельном переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС-переход) [3], опорный синтезатор частоты 400 МГц 8; спектроанализатор 9 для наблюдения пониженного по частоте спектра ДДП; блоки питания элементов системы. Из представленной схемы видно, что все элементы петли ФАПЧ (1, 2, 3, 5, 6, 7 и соединительные провода) расположены внутри криостата 11, обозначенного двойной пунктирной линией.The prototype of the proposed technical solution is a broadband phase locked loop for a cryogenic generator (RF patent No. 2319300) [2]. This device is used to stabilize the frequency of the generator based on the long Josephson junction (DFD) and is a wide-band PLL system with a synchronization band of about 20 MHz. A block diagram of a prototype device is shown in FIG. It contains DDP 1, a harmonic mixer 2, a loopback LC low-pass filter 3 (up to 100 MHz), a reference synthesizer of the frequency range 18-21 GHz 4, two HEMT amplifiers in the range 0.1-1 GHz 5 and 6; cryogenic phase detector 7, based on the tunneling junction superconductor-insulator-superconductor (SIS junction) [3], a reference frequency synthesizer 400 MHz 8; a spectrum analyzer 9 for observing a lower frequency spectrum of the DDP; power supplies of system elements. From the presented diagram it can be seen that all elements of the PLL loop (1, 2, 3, 5, 6, 7 and connecting wires) are located inside the cryostat 11, indicated by a double dashed line.

Устройство-прототип работает следующим образом: сигнал ДДП 1, который с помощью гармонического смесителя 2 и синтезатора 4 понижен по частоте с сотен гигагерц до промежуточной частоты диапазона 0.1-1 ГГц, поступает на НЕМТ усилитель 5, а затем на НЕМТ усилитель 6. Коэффициент усиления усилителя 6 варьируется от 0 до 20 дБ в зависимости от управляющего напряжения. Это позволяет регулировать мощность сигнала и общий коэффициент усиления в петле. Усиленный сигнал и опорный сигнал синтезатора приходят на криогенный фазовый детектор. В зависимости от рассогласования фаз входных сигналов на детекторе вырабатывается выходной сигнал. Этот сигнал идет через фильтр нижних частот, основная функция которого - предотвратить проникновение сигнала промежуточной частоты диапазона 0.1-1 ГГц с детектора на ДДП. Выходной сигнал фазового детектора создает корректирующее напряжение на ДДП, которое меняет мгновенную частоту и фазу генератора [4].The prototype device works as follows: the signal DDP 1, which with the help of a harmonic mixer 2 and synthesizer 4 is reduced in frequency from hundreds of gigahertz to an intermediate frequency of the range 0.1-1 GHz, is fed to HEMT amplifier 5, and then to HEMT amplifier 6. Gain amplifier 6 varies from 0 to 20 dB depending on the control voltage. This allows you to adjust the signal power and the overall gain in the loop. The amplified signal and the synthesizer reference signal arrive at a cryogenic phase detector. Depending on the phase mismatch of the input signals, an output signal is generated at the detector. This signal goes through a low-pass filter, the main function of which is to prevent the penetration of an intermediate frequency signal in the range of 0.1-1 GHz from the detector to the DDP. The output signal of the phase detector creates a corrective voltage on the DCF, which changes the instantaneous frequency and phase of the generator [4].

Основным недостатком прототипа является необходимость использования НЕМТ усилителей в петле обратной связи, которые имеют значительное тепловыделение (до 50 мВт), что увеличивает физическую длину петли обратной связи и не позволяет разместить всю систему ФАПЧ предельно компактно. Длина петли системы-прототипа, равная 1.6 м, является причиной дополнительной задержки сигнала обратной связи, тем самым ограничивая ширину полосы синхронизации (20 МГц). Спектр генерации ДДП, синхронизированного устройством-прототипом, представлен на Фиг.2. Наличие НЕМТ усилителей также приводит к появлению дополнительных фазовых шумов в системе ФАПЧ.The main disadvantage of the prototype is the need to use NEMT amplifiers in the feedback loop, which have significant heat dissipation (up to 50 mW), which increases the physical length of the feedback loop and does not allow the entire PLL system to be placed extremely compact. The loop length of the prototype system, equal to 1.6 m, is the reason for the additional delay of the feedback signal, thereby limiting the synchronization bandwidth (20 MHz). The generation spectrum of the DDP synchronized by the prototype device is shown in FIG. 2. The presence of HEMT amplifiers also leads to the appearance of additional phase noise in the PLL system.

Цель предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности синхронизации криогенного генератора путем расширения полосы синхронизации ССЧ за счет уменьшения времени задержки сигнала в петле ССЧ и снижения тепловыделения данной системы.The purpose of the invention is to increase the synchronization efficiency of the cryogenic generator by expanding the frequency band of the MSS by reducing the signal delay time in the MSS loop and reducing the heat generation of this system.

Поставленная цель достигается функциональным объединением фазового детектора и гармонического смесителя в одном СИС-переходе. Кроме того, из петли синхронизации исключены НЕМТ усилители, имеющие большое тепловыделение. Эти изменения позволяют разместить все элементы системы стабилизации на одной микросхеме с КПГ либо в непосредственной близости от нее. Компактное расположение элементов системы стабилизации позволяет в несколько раз, по сравнению с устройством-прототипом, сократить длину петли обратной связи и существенно увеличить ширину полосы синхронизации.This goal is achieved by the functional combination of a phase detector and a harmonic mixer in one SIS junction. In addition, HEMT amplifiers having large heat generation are excluded from the synchronization loop. These changes allow you to place all the elements of the stabilization system on the same chip with CNG or in close proximity to it. The compact arrangement of the elements of the stabilization system allows several times, compared with the prototype device, to reduce the length of the feedback loop and significantly increase the width of the synchronization band.

Принципиально новым в представленном техническом решении, по сравнению с известным, является то, чтоFundamentally new in the presented technical solution, in comparison with the known one, is that

- фазовый детектор функционально объединен с гармоническим смесителем в едином элементе, основанном на туннельном СИС-переходе;- a phase detector is functionally combined with a harmonic mixer in a single element based on a tunneling SIS junction;

- все элементы петли системы синхронизации частоты либо интегрированы на одной микросхеме с КПГ, либо размещены в непосредственной близости от нее;- all elements of the loop of the frequency synchronization system are either integrated on the same chip with the CNG, or are located in close proximity to it;

- все элементы петли системы выполнены из пассивных элементов, не вызывающих тепловыделение, влияющее на работу КПГ;- all elements of the loop of the system are made of passive elements that do not cause heat generation, affecting the operation of CNG;

- техническое решение обладает уникальной совокупностью признаков: ССЧ является криогенной и интегрированной с КПГ.- the technical solution has a unique combination of features: SCS is cryogenic and integrated with CNG.

Перечень фигур и графических изображенийList of figures and graphic images

Фиг.1. Схема устройства-прототипа. 1 - генератор диапазона 100-700 ГГц (ДДП), 2 - гармонический СИС-смеситель, 3 - петлевой LC-фильтр нижних частот до 100 МГц (задержка 2 нс), 4 - опорный синтезатор диапазона 19-20 ГГц, 5 - охлаждаемый НЕМТ усилитель (30 дБ), 6 - охлаждаемый НЕМТ усилитель (20 дБ), 7 - криогенный фазовый детектор на СИС-переходе, 8 - опорный синтезатор диапазона 0.1-1 ГГц, 9 - спектроанализатор, 10 - микрочип, 11 - криостат.Figure 1. Scheme of the prototype device. 1 - a generator of the range 100-700 GHz (DDP), 2 - a harmonic SIS mixer, 3 - a loopback LC filter of low frequencies up to 100 MHz (2 ns delay), 4 - a reference synthesizer of the range 19-20 GHz, 5 - a cooled NEMT an amplifier (30 dB), 6 - a cooled NEMT amplifier (20 dB), 7 - a cryogenic phase detector at the SIS junction, 8 - a reference synthesizer in the range of 0.1-1 GHz, 9 - a spectrum analyzer, 10 - a microchip, 11 - a cryostat.

Фиг.2. Пониженные по частоте спектры ДДП, синхронизированные устройством-прототипом. 1 - автономная линия излучения ДДП шириной 5.5 МГц; 2 - ДДП синхронизирован устройством-прототипом (синхронизировано 70% мощности излучения ДДП).Figure 2. Frequency-lowerered DDP spectra synchronized by the prototype device. 1 - autonomous line of emission of a traffic police with a width of 5.5 MHz; 2 - DDP is synchronized by the prototype device (70% of the DDP radiation power is synchronized).

Фиг.3. Схема предлагаемого технического решения. 1 - КПГ (является ДДП в лабораторном макете), 2 - криогенный гармонический фазовый детектор (КГФД), 3 - петлевой RLC-фильтр нижних частот, 4 - опорный синтезатор диапазона 18-28 ГГц, 5 - микрочип, 6 - криостат.Figure 3. Scheme of the proposed technical solution. 1 - CNG (is the DDP in the laboratory layout), 2 - cryogenic harmonic phase detector (CGFD), 3 - loop RLC low-pass filter, 4 - reference synthesizer of the range 18-28 GHz, 5 - microchip, 6 - cryostat.

Фиг.4. Зависимость мощности выходного сигнала фазового детектора от напряжения смещения и мощности сигнала опорного синтезатора. В кружке крестом показана рабочая точка фазового детектора.Figure 4. The dependence of the power of the output signal of the phase detector on the bias voltage and the signal power of the reference synthesizer. The cross shows the operating point of the phase detector in a circle.

Фиг.5. Спектры генерации ДДП, пониженные по частоте. 1 - автономная линия генерации ДДП, 2 - линия генерации ДДП, синхронизированная предлагаемым техническим решением.Figure 5. Frequency spectra of the generation of DDPs. 1 - autonomous line of generation of road accident, 2 - line of generation of road accident, synchronized by the proposed technical solution.

Предлагаемое техническое решение содержит следующие основные элементы (Фиг.3): криогенный гармонический фазовый детектор (КГФД) 2, выполнений на туннельном СИС-переходе; петлевой RLC-фильтр нижних частот 3; опорный синтезатор 4, работающий в диапазоне частот 18-28 ГГц. При этом вход КГФД 2 соединен с выходом КПГ 1 и выходом опорного синтезатора 4, а выход КГФД 2 через петлевой RLC-фильтр нижних частот 3 соединен со входом КПГ 1. Из представленной схемы видно, что все элементы петли системы стабилизации частоты (2, 3 и структуры для их электрического соединения) могут быть расположены на одной микросхеме 5 с КПГ либо в непосредственной близости от нее внутри криостата 6, обозначенного двойной пунктирной линией.The proposed technical solution contains the following main elements (Figure 3): cryogenic harmonic phase detector (KGFD) 2, performances on the tunnel SIS junction; loopback RLC-filter 3; reference synthesizer 4, operating in the frequency range 18-28 GHz. In this case, the input of KGFD 2 is connected to the output of the CNG 1 and the output of the reference synthesizer 4, and the output of the KGFD 2 through the loop RLC low-pass filter 3 is connected to the input of the CNG 1. From the presented diagram it is seen that all elements of the loop of the frequency stabilization system (2, 3 and structures for their electrical connection) can be located on the same chip 5 with CNG or in close proximity to it inside the cryostat 6, indicated by a double dashed line.

Предлагаемое устройство работает следующим образом: часть сигнала КПГ 1 подается на КГФД 2, который представляет собой смеситель на основе туннельного СИС-перехода. КГФД выполняет две функции: во-первых, на нем, как на нелинейном элементе, происходит генерация гармоники частоты, кратной частоте опорного синтезатора 4. Во-вторых, на КГФД происходит сравнение фазы сигнала КПГ с фазой этой гармоники. Выходной сигнал, пропорциональный разности фаз данных сигналов, проходит через фильтр нижних частот 3 и служит сигналом обратной связи для стабилизации частоты КПГ. Основная функция фильтра нижних частот - предотвратить проникновение сигналов комбинационных частот с детектора на КПГ. Выходной сигнал фазового детектора корректирует мгновенную частоту КПГ, синхронизируя его с определенной гармоникой опорного синтезатора.The proposed device operates as follows: part of the CNG signal 1 is fed to the GFD 2, which is a mixer based on the tunnel SIS junction. QGFD performs two functions: firstly, on it, as on a nonlinear element, a frequency harmonic is generated that is a multiple of the frequency of the reference synthesizer 4. Secondly, on QGFD, the phase of the CNG signal is compared with the phase of this harmonic. The output signal, proportional to the phase difference of these signals, passes through a low-pass filter 3 and serves as a feedback signal to stabilize the CNG frequency. The main function of the low-pass filter is to prevent the penetration of Raman signals from the detector to the CNG. The output signal of the phase detector corrects the instantaneous frequency of the CNG, synchronizing it with a certain harmonic of the reference synthesizer.

Рассмотрим физические принципы, определяющие работу ССЧ. Основным элементом системы является криогенный гармонический фазовый детектор, основанный на туннельном СИС-переходе. СИС-переход представляет из себя нелинейный элемент, поэтому при приложении к нему двух периодических сигналов V₁=V_f1cos(2πf₁t) и V₂=V_f2cos(2πf₂t) на переходе возникают сигналы всех комбинационных частот f_ПЧ=lf₁+mf₂. Здесь V_f1 и V_f2 - амплитуды напряжения на переходе, f₁ и f₂ - частоты сигналов на переходе, t - время, l и m - целые числа. На интересующей нас промежуточной частоте f_ПЧ=f₁-m·f₂, f₁≈m·f₂ выходной сигнал определяется выражением:Consider the physical principles that determine the operation of the HSS. The main element of the system is a cryogenic harmonic phase detector based on a tunneling SIS junction. The SIS transition is a nonlinear element; therefore, when two periodic signals V ₁ = V _f1 cos (2πf ₁ t) and V ₂ = V _f2 cos (2πf ₂ t) are applied to it, signals of all combination frequencies f _IF = lf ₁ + mf ₂ . Here V _f1 and V _f2 are the amplitudes of the voltage at the junction, f ₁ and f ₂ are the frequencies of the signals at the junction, t is the time, l and m are integers. At the intermediate frequency of interest to us, f _IF = f ₁ -m · f ₂ , f ₁ ≈m · f _{2, the} output signal is determined by the expression:

I(t)=I_ПЧsin(2π(f₁-nf₂)t+φ), где I_ПЧ - амплитуда сигнала ПЧ, φ - постоянный сдвиг фаз. Отсюда видно, что гармонический смеситель работает как синусоидальный фазовый детектор.I (t) = I _IF sin (2π (f ₁ -nf ₂ ) t + φ), where I _IF is the amplitude of the IF signal, φ is a constant phase shift. This shows that the harmonic mixer works as a sinusoidal phase detector.

Амплитуда выходного сигнала фазового детектора определяет эффективность работы системы стабилизации частоты. Иными словами, для увеличения доли синхронизированной мощности сигнала КПГ необходимо максимизировать амплитуду выходного сигнала фазового детектора. Этот сигнал сложным образом зависит от напряжения смещения фазового детектора и параметров приложенных сигналов [5]:The amplitude of the output signal of the phase detector determines the efficiency of the frequency stabilization system. In other words, to increase the fraction of synchronized power of the CNG signal, it is necessary to maximize the amplitude of the output signal of the phase detector. This signal in a complex way depends on the bias voltage of the phase detector and the parameters of the applied signals [5]:

,

где

, J_j(x) - функция Бесселя порядка j, I_dc(V) - зависимость квазичастичного туннельного тока от постоянного напряжения на переходе (для расчета используется экспериментальная зависимость), I_KK(V) - функция, полученная с помощью преобразования Крамерса-Кронига от функции I_dc, e - заряд электрона, h - постоянная Планка, V - постоянное напряжение смещения на переходе, n и k - индексы суммирования, суммирование ведется по всем целым n и k. Характерная зависимость мощности выходного сигнала КГФД от напряжения смещения и мощности сигнала опорного синтезатора показана на Фиг.4, где также указана рабочая точка КГФД с максимальной мощностью выходного сигнала.Where

, J _j (x) is the Bessel function of order j, I _dc (V) is the dependence of the quasiparticle tunneling current on the DC voltage at the junction (the experimental dependence is used for calculation), I _KK (V) is the function obtained using the Kramers-Kronig transform of the function I _dc , e is the electron charge, h is the Planck constant, V is the constant bias voltage at the junction, n and k are the summation indices, the summation is over all integers n and k. A typical dependence of the output power of the QGFD on the bias voltage and the signal power of the reference synthesizer is shown in FIG. 4, which also shows the operating point of the GGFD with the maximum output power.

В предложенном техническом решении устранена проблема минимальной допустимой длины кабелей. Это достигается тем, что количество элементов петли уменьшено за счет функционального объединения гармонического смесителя и фазового детектора в одном элементе. При этом из петли синхронизации исключены НЕМТ усилители, имевшие большое тепловыделение. Все это позволяет разместить все элементы петли предельно компактно, в частности интегрировать на одном чипе с генератором. Реализовать представленную схему позволило то, что в качестве криогенного гармонического фазового детектора впервые предложен и апробирован смеситель, основанный на туннельном СИС-переходе. Изолятор в СИС-переходе может быть выполнен из AlO_x, при этом один электрод выполняется из Nb, а второй из Nb, NbN либо NbTiN. Также изолятор в СИС-переходе может быть выполнен из AlN или MgO, при этом оба сверхпроводника могут быть выполнены из Nb, либо один из них выполнен из Nb, второй - из NbN или NbTiN; либо оба сверхпроводника выполнены из NbN; либо один из них выполнен из NbN, второй - из NbTiN; либо оба сверхпроводника выполнены из NbTiN.The proposed technical solution eliminated the problem of the minimum allowable cable length. This is achieved by the fact that the number of loop elements is reduced due to the functional combination of a harmonic mixer and a phase detector in one element. At the same time, HEMT amplifiers that had a large heat release were excluded from the synchronization loop. All this allows you to place all the elements of the loop extremely compact, in particular integrate on the same chip with the generator. To realize the presented scheme, it was allowed that, as a cryogenic harmonic phase detector, a mixer based on a SIS tunnel junction was first proposed and tested. The insulator in the SIS junction can be made of AlO _x , with one electrode made of Nb, and the second of Nb, NbN or NbTiN. Also, the insulator in the SIS junction can be made of AlN or MgO, while both superconductors can be made of Nb, or one of them is made of Nb, the second of NbN or NbTiN; either both superconductors are made of NbN; either one of them is made of NbN, the second of NbTiN; either both superconductors are made of NbTiN.

Используемый в лабораторном макете СИС-переход выполнен в виде джозефсоновского туннельного перехода Nb-AlO_x-Nb, изготовленного литографическим способом на кремниевой подложке. Выбор именно такого туннельного перехода обусловлен отлаженностью методики создания переходов с изолятором на основе оксида алюминия.The SIS junction used in the laboratory mock-up is made in the form of a Josephson tunnel junction Nb-AlO _x -Nb, made by a lithographic method on a silicon substrate. The choice of just such a tunnel junction is due to a well-established technique for creating junctions with an aluminum oxide insulator.

В качестве КПГ в лабораторном макете, так же как и в устройстве-прототипе, используется ДДП.As CNG in the laboratory layout, as well as in the prototype device, DDP is used.

Лабораторный макет системы синхронизации частоты имеет ширину полосы синхронизации 70 МГц, что при ширине линии генерации ДДП 8 МГц позволяет синхронизировать 93% мощности его излучения (Фиг.5.), в то время как система-прототип, имеющая полосу синхронизации 20 МГц, способна синхронизировать не более 50% мощности излучения при такой же ширине автономной линии генерации. Полоса синхронизации предлагаемого устройства расширена в 3.5 раза по сравнению с устройством-прототипом.The laboratory layout of the frequency synchronization system has a synchronization bandwidth of 70 MHz, which, with a 8 MHz DDS generation line width, allows you to synchronize 93% of its radiation power (Figure 5.), while a prototype system having a 20 MHz synchronization band can synchronize no more than 50% of the radiation power with the same width of the autonomous generation line. The synchronization band of the proposed device is expanded 3.5 times in comparison with the prototype device.

Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения заключается в значительном расширении полосы синхронизации и, соответственно, в повышении эффективности синхронизации КПГ.Thus, the technical result of the invention is to significantly expand the synchronization band and, accordingly, to increase the efficiency of synchronization of CNG.

Источники информацииInformation sources

1. Р.Khosropanah, A.Baryshev, W.Zhang, W.Jellema, J.N.Hovenier, J.R.Gao, T.M.Klapwijk, D.G.Paveliev, B.S.Williams, S.Kumar, Q. Hu, J.L.Reno, B.Klein and J.L.Hesler, "Phase locking of a 2.7 THz quantum cascade laser to a microwave reference", Optics Letters, Vol.34, No.19, p.2958, 2009.1. R. Khosropanah, A. Baryshev, W. Zhang, W. Jellema, JN Hovenier, JRGao, TMKlapwijk, DGPaveliev, BSWilliams, S. Kumar, Q. Hu, JLReno, B. Klein and JLHesler , "Phase locking of a 2.7 THz quantum cascade laser to a microwave reference", Optics Letters, Vol. 34, No.19, p. 2958, 2009.

2. «Широкополосная система фазовой автоподстройки частоты для криогенного генератора», авторы: Кошелец В.П., Худченко А.В., Дмитриев П.Н. Патент на изобретение №2319300, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской федерации 10 марта 2008 года.2. “Broadband phase-locked loop system for a cryogenic generator”, authors: Koshelets VP, Khudchenko AV, Dmitriev PN Patent for invention No. 2319300, registered in the State Register of Inventions of the Russian Federation on March 10, 2008.

3. Лихарев К.К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. - M.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985.3. Likharev K.K. Introduction to the dynamics of Josephson junctions. - M .: Nauka, Main Edition of Physics and Mathematics, 1985.

4. A.V.Khudchenko, V.P.Koshelets, P.N.Dmitriev, А.В.Ermakov, P.A.Yagoubov and O.M.Pylypenko, "Cryogenic Phase Locking Loop System for Superconducting Integrated Receiver", Superconductor Science and Technology, 22, 085012 (4 pages), 2009.4. A.V. Khudchenko, V.P. Koshelets, P.N.Dmitriev, A.V. Ermakov, P.A. Yagoubov and O.M. Pylypenko, "Cryogenic Phase Locking Loop System for Superconducting Integrated Receiver", Superconductor Science and Technology, 22, 085012 (4 pages), 2009.

5. Калашников К.В., Худченко А.В. Теоретическое описание гармонического смесителя на туннельном переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник, Нелинейный мир, т.8, №2, 2010.5. Kalashnikov K.V., Khudchenko A.V. Theoretical description of a harmonic mixer at a superconductor-insulator-superconductor tunnel junction, Nonlinear World, Vol. 8, No. 2, 2010.

Claims

1. Система стабилизации частоты перестраиваемого криогенного генератора, содержащая фазовый детектор, вход которого соединен с выходом перестраиваемого криогенного генератора, опорный синтезатор частот диапазона 10-30 ГГц, подключенный к входу фазового детектора, петлевой LCR фильтр нижних частот, при этом фазовый детектор, перестраиваемый криогенный генератор и петлевой LCR фильтр нижних частот размещены в криостате, отличающаяся тем, что фазовый детектор выполнен функционально объединенным с гармоническим смесителем, его выход соединен с перестраиваемым криогенным генератором через петлевой LCR фильтр нижних частот, при этом фазовый детектор размещен на одной микросхеме с перестраиваемым криогенным генератором, а петлевой LCR фильтр нижних частот либо интегрирован на ту же микросхему, либо размещен в непосредственной близости от нее.1. The frequency stabilization system of a tunable cryogenic generator, comprising a phase detector, the input of which is connected to the output of a tunable cryogenic generator, a reference frequency synthesizer in the range of 10-30 GHz connected to the input of a phase detector, a loop LCR low-pass filter, while the phase detector is tunable cryogenic the generator and loop LCR low-pass filter are placed in a cryostat, characterized in that the phase detector is functionally combined with a harmonic mixer, its output is connected with a tunable cryogenic generator through a loop LCR low-pass filter, while the phase detector is located on one chip with a tunable cryogenic generator, and a loop LCR low-pass filter is either integrated on the same chip or located in close proximity to it.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что перестраиваемый криогенный генератор выполнен в виде длинного джозефсоновского перехода.2. The system according to claim 1, characterized in that the tunable cryogenic generator is made in the form of a long Josephson junction.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что фазовый детектор выполнен на туннельном переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник.3. The system according to claim 1, characterized in that the phase detector is made at the tunnel junction superconductor-insulator-superconductor.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что изолятор выполнен из AlO_x.4. The system according to claim 3, characterized in that the insulator is made of AlO _x .

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что оба сверхпроводника выполнены из Nb либо один из них выполнен из NbN или NbTiN.5. The system according to claim 4, characterized in that both superconductors are made of Nb or one of them is made of NbN or NbTiN.

6. Система по п.3, отличающаяся тем, что изолятор выполнен из AlN.6. The system according to claim 3, characterized in that the insulator is made of AlN.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что оба сверхпроводника выполнены из Nb либо один из них выполнен из NbN или NbTiN.7. The system according to claim 6, characterized in that both superconductors are made of Nb or one of them is made of NbN or NbTiN.

8. Система по п.6, отличающаяся тем, что оба сверхпроводника выполнены из NbN либо один из них выполнен из NbTiN.8. The system according to claim 6, characterized in that both superconductors are made of NbN or one of them is made of NbTiN.

9. Система по п.6, отличающаяся тем, что оба сверхпроводника выполнены из NbTiN.9. The system according to claim 6, characterized in that both superconductors are made of NbTiN.

10. Система по п.3, отличающаяся тем, что изолятор выполнен из MgO.10. The system according to claim 3, characterized in that the insulator is made of MgO.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что оба сверхпроводника выполнены из Nb либо один из них выполнен из NbN или NbTiN.11. The system of claim 10, characterized in that both superconductors are made of Nb or one of them is made of NbN or NbTiN.

12. Система по п.10, отличающаяся тем, что оба сверхпроводника выполнены из NbN либо один из них выполнен из NbTiN.12. The system of claim 10, characterized in that both superconductors are made of NbN or one of them is made of NbTiN.

13. Система по п.10, отличающаяся тем, что оба сверхпроводника выполнены из NbTiN. 13. The system of claim 10, wherein both superconductors are made of NbTiN.