A Nonlinear Transmission Line Model for Simulating Distributed SIS Frequency Multipliers
A Nonlinear Transmission Line Model for Simulating Distributed SIS Frequency Multipliers
复制标题
用于模拟分布式 SIS 倍频器的非线性传输线模型
DOI：
10.1109/tthz.2020.2979125
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发表时间：
2020
影响因子：
3.2
通讯作者：
Garrett J
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Garrett J
超导体/绝缘体/超导体（SIS）结具有极强的非线性电学特性，这使其成为外差混频和倍频等多种应用的理想器件。对于SIS混频器，SIS结通常具有圆形横截面，但它们也可以以微带传输线的形式制造，称为分布式SIS结（DSJ）。通过使用DSJ作为开路短截线，可以创建具有低有效输入电抗的大SIS结。这对于SIS倍频器是有益的，因为它们的输出功率与结的面积成比例。然而，模拟DSJ的行为是具有挑战性的，因为它们必须被建模为传输线，并且模型必须考虑准粒子隧穿电流，这是交流电压的非线性函数。在这篇文章中，我们提出了一个新的非线性传输线模型，以准确地描述DSJ的行为，并模拟分布式SIS倍频器（DSM）的性能。该模型进行了比较，从最近的DSM设备的实验数据和良好的协议之间的直流隧穿电流和输出功率在二次谐波。在此基础上，提出了一种改进的DSM设计，该设计比以前的设计具有更高的输出功率和更高的转换效率。
Superconductor/insulator/superconductor (SIS) jun-ctions have extremely nonlinear electrical properties, which makes them ideal for a variety of applications, including heterodyne mixing and frequency multiplication. With SIS mixers, the SIS junctions normally have circular cross sections, but they can also be fabricated in the form of microstrip transmission lines, known as distributed SIS junctions (DSJs). By using a DSJ as an open-circuit stub, it is possible to create a large SIS junction with a low effective input reactance. This is beneficial for SIS frequency multipliers because their output power is proportional to the area of the junction. It is challenging, however, to simulate the behavior of DSJs because they have to be modeled as transmission lines and the model has to take into account the quasiparticle tunneling current, which is a nonlinear function of the ac voltage. In this article, we present a new nonlinear transmission line model to accurately describe the behavior of DSJs and to simulate the performance of distributed SIS frequency multipliers (DSMs). This model is compared to experimental data from a recent DSM device and good agreement is found between the dc tunneling currents and the output powers at the second harmonic. Based on this success, an improved DSM design is proposed that has a higher output power and a higher conversion efficiency than previous designs.
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