Застосування аналого-цифрових перетворювачів для підвищення ефективності цифрових антенних решіток

Abstract

Для підвищення ефективності цифрових антенних решіток запропоновано використовувати аналого-цифрові перетворювачі радіосигналів на базі явища надпровідності та ефекту Джозефсона. Проведено аналіз систем цифрового діаграмоутворення. Показано, що застосування запропоновано-го підходу дасть можливість здійснювати безпосереднє оброблення сигналів на несучих частотах сантиметрових і міліметрових хвиль. Такий підхід дає можливість виключити у приймальному модулі змішувачі частоти, гетеродини та фільтри проміжних частот. Для побудови надпровідного АЦП запропонована паралельна схема з реалізацією компараторів на базі надпровідникових квантових інтерферометрів. На виході такого АЦП формується цифровий код Грея. У випадку використання такої схеми зі зростанням вхідного сигналу кожний компаратор пере-ходить через декілька порогів і у разі застосування кодів Грея тільки один з вихідних бітів змінюється між послідовними числами. Тому коди Грея є менш чутливими до помилок, які виникають через невеликі розбіжності порогів компаратора. Це дає можливість зменшити ймовірність бітових помилок. В результаті проведеного аналізу показано, що для побудови компараторів доцільно використовувати генератори одноквантових імпульсів на одиничних переходах Джозефсона з безгістерезисною вольт-амперною характеристикою, що дає можливість отримати високу часову роздільну здатність. Проведено дослідження залежності часової роздільної здатності від параметрів переходу Джозефсона, а саме товщини діелектрика, відносної діелектричної проникливості та щільності критично-го струму. Показано, що роздільна здатність може становити одиниці — десяті долі пікосекунди і це дає можливість використовувати такі пристрої для оброблення сигналів на частотах в кілька сотень ГГц. Часова роздільність змінюється зі зміною щільності критичного струму переходу Джозеф-сона і товщини діелектрика і майже не залежить від відносної діелектричної проникності. Проведено оцінювання чутливості компаратора на базі одиничного переходу Джозефсона. Отримано аналітичний вираз, який дає можливість оцінити вплив параметрів еквівалентної схеми переходу Джозефсона, а саме електростатичної ємності, нелінійної провідності та критичного струму на чутливість компаратора. Проведені дослідження показали, що чутливість може становити одиниці нА, що значно перевищує чутливість аналогічних схем на базі напівпровідників.

Analog-to-digital converters of radio signals, which are based on the phenomenon of superconductivity and the Joseph-son effect, are proposed to use in order to increase the efficiency of digital antenna arrays. Digital beamforming systems were analysed. Application of the proposed approach was shown to promote processing signals directly at carrier frequencies in the SHF and EHF bands. This approach allows to exclude frequency mixers, local oscillators and intermediate frequency filters from a receiving module. A parallel scheme with comparators on superconducting quantum interferometers is proposed for constructing a superconducting ADC. A digital Gray code is formed at the output of the ADC. The proposed scheme being utilizing, when the input signal increases, each comparator passes through several thresholds, and if Gray codes are applied, only one of the output bits changes between consecutive numbers. Therefore, Gray codes are less sensitive to errors that arise due to small differences in comparator’s thresholds. This promotes reduction of the bit error probability. As an outcome the performed analysis, it was shown that generators of single-quantum pulses on single Josephson junction with a hysteresis-free current-voltage characteristic can be used for constructing comparators, that provides obtaining a high time resolution. The dependence of time resolution on Josephson junction parameters, namely dielectric thickness, relative dielectric permeability and critical current density, was investigated. The resolution was shown to be equal units — tenths of a ns, and this allows using such devices for signal processing at frequencies of several hundred GHz. The time resolution changes with changes in the critical current density of a Josephson junction and in the dielectric thickness and it is almost independent on the relative dielectric permittivity. The sensitivity of the comparator on a single Josephson junction was evaluated. An analytical expression was obtained, it can be applied to estimate how parameters of the Josephson junction equivalent circuit, namely, electrostatic capacity, nonlinear conductivity, and critical current impact on the sensitivity of the comparator. The conducted studies showed that the sensitivity can be units of nA, which exceeds significantly the sensitivity of similar circuits based on semiconductors.