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超导约瑟夫森结阵列振荡器研究

作　者: 高斌
导　师: 官伯然
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 振荡器锁相亚毫米波约瑟夫森结 QJO
分类号: TN752
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

本文系统的研究了超导约瑟夫森结阵列振荡器。首先介绍了超导约瑟夫森结阵列振荡器系统的选题背景、论文的创新之处以及研究方案。然后，阐述了约瑟夫森效应、约瑟夫森结阵列振荡器的基本原理、基本结构和关键技术, 根据原理引出超导约瑟夫森结阵列振荡器的模型，最后，根据约瑟夫森原理，对超导约瑟夫森结阵列振荡器的模型进行了模拟和分析，仿真得出了振荡器的各项参数值。该课题的研究是新方法、新技术的探讨，并取得了一些成果。本文系统研究了阵列与多种内、外部因素相互作用下的锁相振荡特性，首次提出了一种一维和二维超导约瑟夫森阵列的锁相振荡是阵列振荡器各种内、外部参数综合的理论。建立了能反映实际器件电路情况的阵列振荡器模型，对于阵列振荡器的实际电路设计具有很高的实用价值。建立了用于超导阵列振荡器时域模拟的专用软件，其软件能全面分析阵列结构的组成和各个部分的电特性对阵列振荡器锁相的影响。提出了二维阵列振荡器参数综合优化实际理论，在很大的一个三维参数空间中，二维阵列都能保持相位锁定。三维参数空间（相位保持稳定）的存在，很好的解决了结参数离散性问题。应用仿真摄动分析方法对多参数锁相振荡进行了深入研究，如果对任意某个结在短时间内施加微小电压扰动，使其相位和频率偏离。经过一段时间后，阵列能恢复到以前同步状态，就可以认为该阵列处于同相振荡的状态。超导约瑟夫森结阵列振荡器是国家自然科学基金项目，这种振荡器是一种具有广阔应用前景的高性能THz振荡源。这种器件在航空航天、天文探测、地球卫星遥感、卫星地面目标识别以及医疗诊断上均有着极为广阔的前景。超导约瑟夫森结阵列振荡器是近年来国际超导研究领域中极为活跃的研究课题之一，对这种器件开展深入的研究对于发展高新技术新型超导器件及设备、增强超导研究领域的科学技术水平和国防技术水平都具有十分重要的意义。该项研究工作的开展，对于探索超导阵列锁相机理以及实现高效准确的亚毫米波段超导约瑟夫森结阵列振荡器分析与设计，都有着十分重要的理论和实际价值。

全文目录

第一章绪论  6-13
  1.1 引言  6
  1.2 超导约瑟夫森结阵列振荡器系统的提出和发展  6-7
  1.3 超导约瑟夫森结阵列振荡器的关键技术  7-8
  1.4 本论文研究的主要内容  8-11
  1.5 本论文的创新之处  11-13
第二章阵列振荡器的物理和技术基础  13-36
  2.1 引言  13
  2.2 阵列振荡器的物理基础  13-19
    2.2.1 超导结的弱连接类型  14-15
    2.2.2 Nb约瑟夫森结的制造工艺  15-17
    2.2.3 Nb约瑟夫森结的电流电压特性  17-19
  2.3 阵列振荡器的技术基础  19-35
    2.3.1 约瑟夫森方程  19-23
    2.3.2 约瑟夫森方程的等效电路  23-25
    2.3.3 约瑟夫森效应及其物理意义  25-35
  2.4 约瑟夫森效应的典型应用  35-36
第三章约瑟夫森阵列振荡器的理论分析  36-81
  3.1 引言  36-38
  3.2 由微带线谐振腔和约瑟夫森结组成的振荡器  38-46
    3.2.1 振荡器结构  38-39
    3.2.2 相位锁定和临界电流的关系  39-40
    3.2.3 外加磁场和阵列振荡器相位锁定的关系  40-42
    3.2.4 振荡器带宽和输出功率  42-46
  3.3 长约瑟夫森结类型的阵列振荡器  46-50
    3.3.1 零场台阶模式(ZFSM)  46-47
    3.3.2 磁通量子的单向运动 ( FFM)  47
    3.3.3 长约瑟夫森结串联阵列  47-50
  3.4 二维约瑟夫森阵列振荡器  50-81
    3.4.1 约瑟夫森阵列振荡器的基本原理  50-53
    3.4.2 外部负载和阵列振荡器相位锁定关系  53-59
    3.4.3 二维阵列的内部锁相状态  59-64
    3.4.4 约瑟夫森结临界电流的不一致效应  64-70
    3.4.5 二维阵列振荡器谐振频率范围和临界电流的关系  70-75
    3.4.6 阵列振荡器的耦合电路研究  75-81
第四章准光约瑟夫森结阵列振荡器研究  81-98
  4.1 引言  81-82
  4.2 准光约瑟夫森阵列振荡器的结构  82-84
  4.3 准光阵列振荡器的传输线模式研究  84-86
  4.4 准光阵列振荡器的耦合电路和阻抗研究  86-89
    4.4.1 双极子天线  86-87
    4.4.2 开槽线天线  87-88
    4.4.3 蝶型天线  88-89
  4.5 准光阵列振荡器的偏置电路研究  89
  4.6 准光阵列振荡器的相位锁定研究  89-95
  4.7 准光阵列振荡器的功率测量研究  95-96
  4.8 准光阵列振荡器的计算机仿真算法  96-98
第五章准光约瑟夫森结阵列振荡器(QJO)的仿真模拟  98-115
  5.1 引言  98
  5.2 数值仿真摄动技术  98
  5.3 约瑟夫森行阵列的仿真模拟  98-101
  5.4 约瑟夫森列阵列的仿真模拟  101-103
  5.5 阵列振荡器参数综合优化实际理论  103
  5.6 二维准光阵列振荡器的仿真模拟  103-115
结论  115-117
致谢  117-118
参考文献  118-128
研究成果  128

超导约瑟夫森结阵列振荡器研究

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