Оглавление
Оглавление........................................................ 2
Список принятых сокращений и обозначений:..................................6
Введение....................................................... 7
В1. Область исследования и актуальность темы........................... 7
В2. Порядок изложения материала.........................................10
ВЗ. Основные положения, выносимые на защиту........................... 17
В4. Вопросы авторства и публикация результатов..........................18
В5. Аннотация..'. .................................................. 20
Глава 1. Обзор исследований с планарными интегральными антеннами.
21
1.1. Введение. Обзор подходов: к конструированию планарных ин тегральных антенн миллиметрового и субмиллимстрового диапазонов 21
1.2. Интегральная иммерсионная линзовая антенна................. 25
1.3..Характерные режимы работы линзы.............................. 26
1.4. Методы анализа и расчета характеристик ИИЛА ..................28
1.5. Сравнение интегральных иммерсионных линзовых антенн с рупорными для использования в приемниках субмиллиметрового диапазонов ..............•—т ••.............................. 30
Глава 2. Интегральная иммерсионная линзовая антенна с
двухвибраторным планарным облучателем.................................41
2.1*. Введение. Описание конфигурации...............................41
2.2 Оптимальный выбор параметров планарного облучателя 1............42
2.3. Двухполяризационная скрещенная двойная.щелевая антенна .......44
2.4. Экспериментальная проверка ДН ИИЛА с двойным щелевым облучателем диапазона 800-950 ГГц.............................. 45
2.5. Заключение и выводы..................................I .......45
Глава 3. Анализ устойчивости иммерсионных линзовых антенн к погрешностям изготовления..............................................49
3.1. Введение.......................................................49
3.2. Анализ устойчивости свойств планарных антенн на бесконечнотолстой подложке к погрешностям и неточностям изготовления.........50
3.2.1. Рассовмещение слоев микросхеммы............................50
3.2.2. Различие в параметрах сверхпроводниковых туннельных переходов......................................................52
3.2.3. Электромагнитное моделирование характеристик планарных антенн с нарушенной симметрией.................................53
3.3. Анализ устойчивости свойств иммерсионных линзовых антенн к погрешностям изготовления..........................................54
3.4. Метод прецизионной установки планарного облучателя в фокус иммерсионной линзы.................................................58
3.5. Анализ влияния на антенные характеристики и чувствительность приемника не идеальности настроечных цепей балансного смесителя на
сверхпроводниковых туннельных переходах.............................59
3.6. Заключение и выводы............................................62
Глава 4. Разработка стенда с квазионтическим согласованием пучков для измерения и поверки характеристик смесителей на спаренных сверхпроводниковых туннельных переходах диапазона 800-950 ГГц..........75
4.1. Введение.......................................................75
4.2. Выбор и сравнение диплексоров квазиоптических пучков:..........77
4.2.1. Описание и принцип действия тонкопленочного диплексора.....79
4.2.2. Описание и принцип действия металло-сетчатого диплексора...81
4.2.3. Сравнение топкопленочного и металло-сетчатого диплексоров.... 84
4.3. Квазиоптическое согласование смесителя с гетеродином...........86‘
3
4.4. Экспериментальные методики измерения и дальнейшего анализа характеристик смесителей- на свсрхпроводниковых туннельных переходах. ......................................................:...... ......94
4.4.1. Методы измерения и анализа вклада различных факторов в суммарную шумовую, температуру смесителя на сверхпроводниковых туннельных переходах ..................................... 94
4.4.2. Коррекция измеренной чувствительности смесителя на оп тические потери...........................................................95
4.4.3. Методы экспериментальной проверки свойств! метало-сетчатого диплексора................................................... 97
4.5. Экспериментальные результаты измерения характеристик опытных образцов смесителей на сверхпроводниковых туннельных переходах в диапазоне 800-950 ГГц............... ................................... 99'
4.5.1. Квазиоптический смеситель на спаренных сверхпроводниковых . туннельных переходах диапазона 800-950 ГГц ............................ 99
4.5.2. Волноводный смеситель на резонансном распределенном сверхпроводниковом туннельном переходе диапазона 800-950 ГГц 100
4.6. Заключение и выводы.!......-.....,...................... 100
Глава 5. Калибровка детекторов на краю перехода в сверхпроводящее состояние с помощью чернотелыюго излучателя.......................... 115
5.1. Введение. Постановка задачи ............................... 115
5.2. Метод анализа и оптимизации согласования черного тела с антенной детектора................................................................... 117
5.3. Криогенное. ЧТ, для калибровки болометров на краю , перехода в сверхпроводящее состояние диапазона-200-300 ГГц... .....................;;.:121
5.3.1. Электродинамические свойства. .......................... 121
5.3.2. Низкотемпературные термодинамические свойства ЧТ.......... 125
5.4. Заключение и выводы:........................................ 128
4
Глава 6. Анализ свойств многолучевой иммерсионной линзовой антенны..............................................................138
6.1. Введение......................................................138
6.2. Однолучевая иммерсионная линзовая антенна.....................139
6.3. Анализ свойств многолучевой иммерсионной однолинзовой антенны.
...................................................................140
6.4. Заключение....................................................145
Глава 7. Тонкопленочные ниобневые болометры включенные в ИИЛА. .....................................................................152
7.1. Введение......................................................152
7.2. Описание концепции применения.................................152
7.3. Описание принципа работы......................................154
7.3.1. Принцип работы. Электрическая вольт-ваттная чувствительность.
.................................................................154
7.3.2. Обоснование методики измерения электрической чувствительности
болометра и основных параметров..................................156
7.4. Электрические измерения параметров болометра..................157
7.5. ИИЛА-детектора на основе тонкопленочного ниобисвого болометра
диапазона 200-300 ГГц..............................................161
7.6. Заключение....................................................161
Заключение...........................................................167
Публикации по теме диссертационной работы............................169
Список цитированной литературы.......................................173
5
Список принятых сокращений и обозначений:
СВЧ - сверхвысокая частота;
ЇТЧ - промежуточная частота;
ИИЛЛ - интегральная иммерсионная линзовая антенна;
ДН - диаграмма направленности;
ДДА - двойная дипольная антенна;
ДЩА - двойная щелевая антенна;
КПД - коэффициент полезного действия;
КНД - коэффициент направленного действия;
ЧТ - черное тело;
САПР - система автоматического проектирования / система автоматизации проектных работ;
ЛОВ - лампа обратной волны;
ТП - тонкопленочный;
МС - метало-сеточный;
ИК - инфракрасный;
КИП - коэффициент использования поверхности;
ТКС — температурный коэффициент сопротивления;
СИС - сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник.
6
Введение
В1. Область исследования и актуальность темы
В настоящее время заметно возрос интерес к чувствительным приемникам терагерцового диапазона частот, в котором традиционные решения с использованием волноводов и рупорных антенн являются не только дорогостоящими, но и находятся на грани существующих технологических возможностей. К перспективным детекторам терагерцового излучения следует отнести смесители на основе сверхпроводниковых туннельных переходах типа СИС (сверхпроводник-изолятор-еверхпроводник) и смесители на болометрах с горячими электронами, которые являются наиболее чувствительными преобразователями частоты вниз в диапазонах частот 100-1000 ГГц и 1-5 ТГц соответственно, а также детекторы на эффекте высокочастотной' кинетической индуктивности и болометры на краю перехода в сверхпроводящее состояние -чувствительными прямыми детекторами. Они все шире используются для аэрономии и радиоастрономии. Возможно также использование в задачах радиовидения. Решение проблемы передачи энергии путем канализации излучения в квази-оптический тракт является неотъемлемой фазой конструирования таких смесителей и детекторов. Широкополосные интегральные иммерсионные линзовые антенны (далее по тексту — ИИЛА), состоящие из диэлектрической плоско-выпуклой линзы и планарного облучателя, помещенного в фокус линзы непосредственно на ее плоской поверхности, находят в последнее время все более широкое применение не только в лабораторных исследованиях, но и в практических приемниках субмиллиметровых волн. Объясняется это такими преимуществами линзовых антенн перед рупорными, как дешевизна, простота изготовления и отсутствие ограничений на размер кристалла микросхемы приемника.
Следует отметить, что в настоящее время разработаны только единичные экспериментальные модели радиометров с интегральными линзовыми антеннами. Синтез диаграмм направленности облучателей на основе ИИ Л А, сравнимых по коэффициенту' использования поверхности рефлектора телескопа, симметрии и коэффициенту поляризации со скалярными рупорами является непростой, задачей, что вызвано как неизбежными погрешностями1 изготовления комплексной антенной структуры, так и наличием фундаментальных ограничений волновой оптики, напрямую связанных с геометрией линзы и способом ее облучения. Исследование свойств и подходов анализа ИИЛА, а так же возможностей использования в сложных квазиоптических системах субмиллиметрового диапазона являются актуальными задачами, представляющими как научный, так и большой практический . интерес применительно к вопросам разработки высокочувствительных приемников и детекторов на новых физических принципах.
Целью данной- работы являются исследование методов электромагнитного анализа, изучение свойств и.оптимизация характеристик ИИЛА как облучателя квази-оптических систем, например, радиоастрономического телескопа, для высокочувствительных измерений в субмиллиметровом диапазоне длин волн, что включает в себя анализ устойчивости характеристик, поиск наиболее стабильной конфигурации, повышение интегральной эффективности облучения и исследование шумового вклада в систему.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях.
Предложен принцип построения многолучевого облучателя с плотным заполнением фокальной плоскости, телескопа на основе иммерсионной
8
линзовой антенны, с матрицей планарных облучателей помещенной- в фокус линзы.
Проведен анализ допусков и выявлена наиболее стабильная конфигурация ИИЛА, дано объяснение устойчивости свойств оптимальной конфигурации.
Предложена и апробирована методика построения и оптимизации характеристик криогенного чернотельного калибратора, согласованного с диаграммой направленности антенны калибруемого детектора.
Практическая значимость результатов работы заключается в следующих ниже положениях.
Предложены и апробированы методы численного анализа ИИЛА, разработаны конструкции ИИЛА на несколько частотных диапазонов (200-300 ГГц и 800-950 ГГц), разработано устройство позиционирования кристалла с интегральным планарным облучателем и микросхемой приемника в- фокус линзы. Подобные решения могут быть применены для широкого класса приемников и детекторов субмиллиметрового диапазона длин волн.
Разработана и оптимизирована квазиоптическая схема стенда измерения характеристик смесителей на сверхпроводниковых туннельных переходах диапазона 800-950 ГГц. Подобная система может быть применена как в лабораторных, так и в промышленных конфигурациях высокочувствительных приемников субмиллиметрового диапазона.
Спроектирована микросхема детектора диапазона 200-300 ГГц на
основе тонкопленочного ниобиевого болометра, включенного в планарный
облучатель иммерсионной линзовой антенны, для макетирования сложных
квазиоптических систем с ИИЛА и исследования их свойств при комнатной
температуре. Разработанный детектор имеет расчетную предельную
чувствительность (эквивалентную шумовую мощность) на уровне
9
10*9... Ю’10 Вт/ГцЬ2, что сравнимо с чувствительностью оптоакустического преобразователя (ячейки Голея) и позволяет использовать детектор в широком спектре задач, включая лабораторные исследования, медицинскую диагностику и безопасность.
Спроектированный, изготовленный' и» апробированый чернотельный калибратор с диапазоном яркостных температур 3-20 К и диапазоном частот 200-300 ГГц может быть использован для калибровки различных типов низкотемпературных высокочувствительных детекторов включенных в ШЛА.
В2. Порядок изложения материала
Во Введении дана общая характеристика диссертации и ее структуры, сформулирована цель работы, обоснованы актуальность и научная новизна, определена практическая значимость работы.
Глава 1 представляет собой краткий обзор по приемным устройствам с планарными интегральными антеннами. В ней проанализированы подходы к синтезу узкой ДН, необходимой для облучения рефлектора телескопа, с помощью планарных антенн и конструкций на их основе. В качестве одной из возможностей создания высоконаправленной антенны описана конфигурация интегральной иммерсионной линзовой антенны, которая состоит из диэлектрической плоско-выпуклой линзы и планарного облучателя, помещенного в фокус линзы непосредственно на ее плоской поверхности. Описана концепция и принцип действия ИИЛА. Проведено сравнение с другими подходами, такими как многоэлементные антенные решетки, планарные антенны на тонких мембранах и заполненные диэлектриком параболические отражатели с планарным облучателем. Выявлены преимущества ИИЛА,.заключающиеся в простоте изготовления,
10
эксплуатации, а так же высоком качестве ДМ, и устойчивости к погрешностям изготовления. Так же проведено сравнение ИИЛА с гофрированными рупорными антеннами в контексте использования в качестве облучателей рефлекторных радиотелескопов.
Отдельное место в главе 1 занимает описание численных методов моделирования и анализа свойств ИИЛА. Основная трудность расчетов заключается в больших размерах структуры по сравнению с длиной волны, что приводит к нехватке оперативной памяти и затрудняет применение коммерческих электромагнитных пакетов САПР для моделирования свойств структуры как единого целого. В связи с этим для анализа ИИЛА был применен метод расчета основанный на комбинации подходов геометрической и физической оптики. Решение задачи дифракции на линзе сводилось к вычислению интеграла Кирхгофа-Гюйгенса. Распределение токов по поверхности линзы в свою очередь находилось по заданному распределению токов планарного облучателя. Такой подход дает решение с разумной точностью и не противоречит.результатам, получаемым с помощью других методов.
Глава 2 повещена выбору, параметров структуры ИИЛА и возможностям настройки антенны. Рассмотрены различные типы планарных облучателей: двойная щелевая антенна и двойная дипольная антенна с контррефлектором, . - для каждого из которых определена оптимальная конфигурация. Детально описано решение проблемы двухполяризационного приема излучения с помощью скрещенной двойной щелевой антенны в качестве планарного облучателя иммерсионной линзы. Приведены примеры опытных образцов микросхем смесителей на сверхпроводниковых туннельных переходах и детекторов (болометров), миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов включенных в планарные антенны. Рассмотрены способы согласования импеданса чувствительных элементов с
антенной для описанных устройств. Приведены экспериментально
11
измеренные ДН ИИЛА с включенным в нее СИС-смесителем в диапазоне 800-950 ГГц, подтвердившие применимость численного метода анализа и показавшие необходимость детального изучения влияния погрешностей изготовления антенны на ее характеристики.
Глава 3 посвящена анализу устойчивости свойств иммерсионных линзовых антенн к погрешностям изготовления. Часто конструкция приемников основывается на симметрии планарной структуры, в том числе симметрии возбуждения элементов планарного облучателя (например, щелей в двойной щелевой антенне) и точности установки кристалла микросхемы с планарной антенной в фокус линзы. В данной главе определены возможные причины деградации диаграммы направленности для ИИЛА с двухвибраторным планарным облучателем: нарушение симметрии
возбуждения вибраторов вызванное рассовмещением слоев во время фотолитографического процесса, неточность установки чипа с планарной антенной структурой в фокус линзы, неточность нанесения просветляющего покрытия.
Приведены данные численного.анализа двух наиболее перспективных конструкций СИС смесителей: с двойной щелевой антенной и двойной диполыюй с контр-рефлектором - для применения' в составе спектральных приемников диапазона 700-1000 ГГц. Продемонстрировано, что двойная дипольная антенна с контр-рефлектором более устойчива к неизбежным неточностям изготовления, в силу эффективно большего числа элементов.
Проведено сравнение двух характерных конфигураций иммерсионной-линзы: синтезированного эллипсоида и апланатической - с точки зрения устойчивости- к погрешностям изготовления. Продемонстрировано; что, несмотря« на больший КИП рефлектора телескопа, характеристики апланатической линзы более подвержены воздействию неточностей изготовления и асимметрии возбуждения структуры, которые приводят к появлению остаточных дифракционных максимумов внутри главного
лепестка. Вместе с тем, синтезированная эллипсоидальная линза благодаря формированию ДМ за счет дифракции на своей апертуре менее подвержена к нарушению формы и симметрии главного лепестка. Основной эффект ослабления эффективности согласования с телескопом связан с неточность позиционирования планарного облучателя в фокус линзы. Наклон ДН вызванный недостаточной точностью установки планарного облучателя иммерсионной линзы, возможно, компенсировать, за счет механической юстировки системы, введением дополнительных регулировочных винтов, обеспечивающих компенсирующий наклон ДН. Описана методика прецизионного позиционирования' планарного облучателя» в фокус иммерсионной линзы с микронной точностью.
Так же проведен анализ влияния' на антенные характеристики и . чувствительность приемника не идеальности настроечных цепей балансного смесителя на сверхпроводниковых туннельных переходах. Выявлено, что наибольший эффект ослабления согласования ДН антенны смесителя с телескопом связан с частотной зависимостью фазового набега в линии задержки тракта ПЧ. Однако, абсолютное ослабление КИП телескопа оказалось <10% во всем диапазоне ПЧ, что подтвердило применимость предложенной концепции балансного смесителя на сверхпроводниковых туннельных переходах.
В главе 4 рассмотрены подходы к построению квазиоптического стенда измерения предельной (шумовой) чувствительности смесителей на сверхпроводниковых туннельных переходах методом двух нагрузок в диапазоне 800-950 ГГц (см. рис. 2). Проведенное сравнение двух типов квазиоптических диплексеров* субмиллиметрового диапазона позволило выбрать для удобства проведения грубых измерений приемников, когда требуется большой динамический диапазон мощности сигнала гетеродина -метало-сеточный диплексер, а для уточнения характеристик наилучших
образцов - тонкопленочный диплексер из пленки полиимида толщиной 25 мкм.
Центральное место в данной* главе занимает описание подхода и результатов оптимизации согласования квазиоптических пучков для эффективного использования мощности сигнала гетеродина. Методика заключалась в моделировании ДН каждой антенны эквивалентным гауссовым пучком, (основной гауссовой модой), дальнейший расчет преобразования гауссова пучка квази-оптическими фокусирующими элементами сводился к математической операции матричного перемножения. Простота вычислений и достаточная точность метода для расчета согласования смесителя с гетеродином делают его эффективным инструментом анализа. Подход моделирования ДН рупорных антенн гауссовым пучком, был расширен на еще один класс облучателей квазиоптических систем - ИИЛА, для которых нормированная свертка с основной гауссовой модой (коэффициент связи) достигает 0,8> что является точность выбранного приближения. Результаты расчета и итоговые оптимальные квазиоптическис схемы, согласования представлены для двух конфигураций стенда: для измерения квазиоптических смесителей с ИИЛА и для измерения волноводных смесителей с диагональной рупорной антенной.
Детально исследованы. свойства материалов элементов квазиоптической системы стенда в субмиллиметровом диапазоне длин волн, с применением Фурье-спектрометрических измерений. Данный анализ позволил корректно, учесть вклад квазиоптической системы стенда в шумовую температуру смесителя и скорректировать экспериментальные результаты.
Экспериментально измеренные характеристики опытных образцов смесителей в диапазоне 800-950 ГГц так же приведены в данной главе. Измеренная шумовая. температура в 300 К смесителей на
14
сверхпроводииковых туннельных переходах сравнима с лучшими мировыми аналогами.
Глава 5 посвящена калибровке детекторов на краю перехода в
сверхпроводящее состояние с помощью чернотсльного излучателя. В данной
главе описаны результаты исследования, основной задачей которого являлась
разработка излучателя на основе черного тела (далее по тексту - ЧТ) для
калибровки высокочувствительных сверхпроводииковых приемников и
детекторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн,
например, болометров на краю перехода в сверхпроводящее состояние.
Рабочая температура подобных детекторов может лежать в пределах 0,1 -
1 К, а чувствительность (эквивалентная шумовая мощность) - достигать
значений ~10'18 Вт/Гц1/?'. Однако такие детекторы могут обладать достаточно
низкой мощностью насыщения, что требует применения1 калиброванных
излучателей с яркостными температурами.в диапазоне 3 - 20 К.
Для расчета согласования антенны калибруемого детектора с чернотельным
излучателем был предложен гибридный, подход, основанный на методе
статистических весов при обратной трассировке лучей с учетом ДН антенны
детектора. Выбранные в результате анализа параметры конструкции ЧТ
позволили получить характерное время равномерного прогрева менее 1 с при
коэффициенте черноты не менее 0,99. Разработанная конструкция
криогенного чернотельного излучателя (см. рис. 3), представляет собой
медный конус, являющийся одновременно механическим каркасом-
подложкой и теплопроводом. На внутреннюю поверхность конуса нанесен
слой поглотителя толщиной 1,5 мм. ЧТ, закрепленное на теплоизолирующем
подвесе из синтетических нитей, снабжено тепловым шунтом на ступень
криостата 3 К. Тепловой шунт выполнен в виде огрезка медной проволоки,
имеющего расчетную теплопроводность. Изменение температуры черного
тела достигается за счет разогрева медного конуса-подложки с помощью
электронагревателя, представляющего собой проволочный резистор из
15
манганина и закрепленный на внешней поверхности ЧТ. Температура черного тела измеряется термометром, выполненным на основе диода с высокой зависимостью крутизны вольт-амперной характеристики от температуры в диапазоне 2-25 К.
Глава 6 посвящена описанию многолучевой интегральной иммерсионной линзовой антенны для создания матричного радиометра. Детально исследованы свойства предложенной конфигурации многолучевой ИИЛА, состоящей из одной иммерсионной линзы с матрицей планарных облучателей, помещенных в ее фокус. Продемонстрирована возможность достижения увеличенного на 25% фактора заполнения фокальной плоскости телескопа для многолучевой' ИИЛА по сравнению с решеткой рупорных антенн. Выведенное из критерия допустимых аберраций крайних элементов антенной решетки ограничение на минимальный диаметр иммерсионной линзы показало применимость рассмотренного типа антенн в качестве облучателя телескопов с малым размером фокальной области.
В главе 7 описаны результаты исследования тонкопленочных ниобиевых болометров работающих при комнатной температуре и возможность их интеграции в планарную структуру двойного- щелевого облучателя ИИЛА диапазона 200-300 ГГц. Приведена схема измерения вольт-ваттной чувствительности и шумов опытных образов болометров. Полученные экспериментальные значения вольт-ваттной чувствительности совместно с температурным коэффициентом сопротивления позволили оценить эквивалентную шумовую мощность болометра (предельную чувствительность), которая составила - Ю'10Вт/Гц1/2, что сравнимо с чувствительностью оптоакустичсского преобразоватсля (ячейки Голея).
Предложенная топология микросхемы детектора на основе ииобиевого болометра интегрированного в двойной щелевой облучатель ИИЛА диапазона 200-300 ГГц описана в завершении главы 7.
16
- Киев+380960830922