В лаборатории квантовой криогенной электроники Новосибирского государственного технического университета НЭТИ создана серия усилителей, способных функционировать в условиях, где температура измеряется единицами кельвинов, а требования к точности выходят за рамки традиционной инженерной практики. Данные устройства применяются в радиоастрономии, системах космической связи, квантовых вычислениях, криогенной электронике. Работа выполнена в рамках программы «Приоритет-2030».
«Коллектив лаборатории объединяет специалистов в области СВЧ-электроники, криогенной физики, схемотехники и численного моделирования. Их работа — это не линейный процесс от расчета к прототипу, а постоянный диалог между экспериментом и теорией. Каждое решение проверяется в реальных условиях, каждый результат — переосмысливается, уточняется, доводится до состояния, в котором он может стать частью сложной измерительной системы. В этом смысле усилитель не просто изделие, а зафиксированный результат коллективного опыта, аккумулирующего знания в смежных областях», — отмечает руководитель лаборатории, профессор кафедры конструирования и технологии радиоэлектронных средств НГТУ НЭТИ доктор технических наук Алексей Вострецов.
Разработанные усилители обеспечивают высокое усиление при минимальном добавочном шуме в широких диапазонах частот. Их характеристики формируются не только выбором активных элементов (HEMT-транзисторы с высокой подвижностью электронов или SiGe-структуры), но и методологией проектирования. В основе подхода лежит формирование целевых частотных зависимостей импедансов, при которых усилитель работает вблизи оптимума по шуму и передаче мощности.
Практическая значимость разработок подтверждена экспериментально в ряде исследовательских лабораторий России. Усилители уже применяются в задачах регистрации сверхслабых сигналов, включая системы считывания квантовых объектов и приемные тракты с гетеродинным преобразованием, которые используются практически во всех современных системах связи и радиолокации. В этих условиях особенно важно совпадение расчетных и измеренных характеристик — именно здесь проявляется ценность выбранного подхода к проектированию.
Одной из последних разработок лаборатории является широкополосный усилитель диапазона 5 кГц — 500 МГц. Он рассчитан на работу при температуре 4 К, имеет коэффициент усиления более 30 дБ, а его шумовая температура составляет менее 5 К, потребляемая мощность — менее 6 мВт. На фоне мировых решений представленные усилители демонстрируют конкурентоспособные параметры, сочетая низкий уровень шума с умеренным энергопотреблением и гибкостью конфигураций. Это открывает возможности не только для научных исследований, но и для прикладных систем, где требуется высокая чувствительность.
«Наш коллектив рассматривает создание малошумящих криогенных усилителей как этап в более широком процессе. Ведется работа по дальнейшему снижению шумовой температуры, расширению рабочих диапазонов и созданию комплексных криогенных СВЧ-модулей, объединяющих усиление, коммутацию и фильтрацию. Такой подход позволяет перейти от отдельных компонентов к целостным решениям, формирующим архитектуру будущих измерительных систем», — резюмирует Алексей Вострецов.