Иммерсионные линзовые антенны и квазиоптические системы на их основе для высокочувствительных приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн

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 интегральных антенн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов 21.

1.2. Интегральная иммерсионная’линзовая антенна.25,.

1.3&bdquo-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. 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. .".-.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.!.45 2.

Глава 3. Анализ устойчивости иммерсионных линзовых антенн к погрешностям изготовления.49.

3.1.

Введение

49.

3.2. Анализ устойчивости свойств планарных антенн на бесконечно-толстой 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.541.

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 квазиоптическим 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 тонкопленочного и металло-сетчатого диплексоров. 84.

4.3. Квазиоптическое согласование смесителя с гетеродином.86*.

4:4: Экспериментальные методики измерения и дальнейшего анализа характеристик смесителей на сверхпроводниковых туннельных переходах. .':.:. 94.

4.4.1. Методы измерения и анализа вклада различных факторов в суммарную шумовую температуру смесителяна сверхпроводниковых туннельных переходах.94?

4.4.2. Коррекция измеренной чувствительности смесителя* на оптические потери.95.

4.4.3. Методы экспериментальной проверки свойства метало-сетчатош 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 смесительна резонансном, распределенном. сверхпроводниковом туннельном переходе диапазона 800−950 ГГц.100.

4.6.

Заключение

и выводы.^. 100.

Глава 5: Калибровка детекторов на краю переходав сверхпроводящее состояние с помощью чернотельного 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 краюперехода в сверхпроводящее состояние диапазона 200−300 ГГц.-., 121.

5.3.Г.Электродинамические свойства.. 121.

5.3.2. Низкотемпературные термодинамические свойства ЧГ!.125.

5.4., Заключение и выводы:. 128.

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.

6.4.

Заключение

145.

Глава 7. Тонкопленочные ниобиевые 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 ниобиевого болометра диапазона 200−300 ГГц.161.

7.6.

Заключение

161.

Заключение

167.

Публикации по теме диссертационной работы.169.

Список цитированной литературы.173.

Список принятых сокращений и обозначений:

СВЧ — сверхвысокая частотаПЧ — промежуточная частота;

ИИЛА — 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 работЛОВ — лампа обратной волныТП — тонкопленочныйМС — метало-сеточныйИК — инфракрасный;

КИП — коэффициент использования поверхностиТКС — температурный коэффициент сопротивленияСИС — сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник.

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-сверхпроводник) 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 состояниечувствительными 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 ИИЛА, сравнимых по коэффициенту использования поверхности" рефлектора телескопа, симметрии и коэффициенту поляризации со скалярными рупорами является непростой, задачей, что вызвано как неизбежными погрешностями' 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 системнапример, 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 линзовой антенны, с матрицей планарных облучателей помещенной^ 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/Гцш, 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 ИИЛА.

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.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Предложенный принцип построения многолучевого^ облучателя ^ радиоастрономических телескоповмиллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе: иммерсионной линзы с матрицей планарных антенны типа «двойная: щель», помещеннойв, фокус такой линзы, позволил увеличить фактор заполнения фокальной плоскостителескопа на 25% по сравнению, с, матрицей рупорных антенн.

2. Экспериментально выявлена, необходимость детального. учета погрешностей изготовления на* характеристики ИИЛА и систем: на их основе.

3. Проведен анализ допусков и влияния погрешностей изготовления на характеристики^ иммерсионной: линзовой антенны. Сравнение эллиптическойи апланатической конфигураций иммерсионных линз показало, что эллиптическая конфигурация ИИЛА более устойчива к погрешностям изготовления. Сравнение различных топологий! планарных облучателей, а: именно двойной: дипольной с контр-рефлектором и двойной щелевойпродемонстрировало,', что прш примерно одинаковых эффектах влияния погрешностей изготовления на Д11 облучателя, более устойчивыми характеристиками обладает двойная дипольная антенна;

4. Разработана методика расчета. и оптимизации согласования чернотельного излучателя с ДН антенны калибруемого детектора в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн.

5. Спроектирован, изготовлен и апробирован чернотельный излучатель с диапазоном яркостных температур 3−20 К на диапазон часто т 200 300 Щ? цпредназначенный для-:калибровки. болометров нашраюшерехода в сверхпроводящее состояние, интегрированных? в планарный-облучатель иммерсионной линзы.. .. .

6. Разработан стенд измерения шумовой температуры СИС смесителей диапазона 800−950 ГГц для смесителей двух конфигураций: с диагональной рупорной антенной (волноводной) и с ИИЛА (квазиоптической).

7. Проведено сравнение различных типов диплесеров квазиоптических пучков субмиллиметрового диапазона частот.

8. Измерена шумовая температура смесителя выполненного по квазиоптической технологии (включенного в ИИЛА) в 400 К на частоте 890 ГГц, что сравнимо с лучшими достигнутыми значениями для волноводных смесителей.

9. Разработан детектор на основе тонкопленочного ниобиевого болометра включенного в ИИЛА, работающий при комнатной температуре и предназначенный для • электродинамического замещения низкотемпературных болометров терагерцового диапазона для тестирования и настройки квазиоптической системы радиометра. Приведенная в единичному току смещения чувствительность детектора составила ~104 В / Вт А, что является рекордным для данного класса болометров. Оцененная предельная шумовая мощность составила ~Ю" 10Вт/Гц½, что сравнимо с чувствительностью оптоакустического преобразователя.

Публикации по теме диссертационной работы.

Al] ShitovS. V., NoguchiT., Matsunaga Т., Tamura Т., Uvarov А. У. Cohnl.A., HasegawaT. A SIS mixer for ALMA band 10: development concept // Proc. of 16th International* Symposium1 on Space Terahertz Technology, Gothenburg, Sweden. 2005. Pp. 165−168. [A2] Shitov S. V., Uzawa^Y., NoguchiT., Shan.W. L., Matsunaga, Т., TamuraT., Endo A., Koryukin 0. V., Uvarov A. V., Cohn I. A. Development of a SIS receiver for ALMA Band-10 // Proc. 4th ESA Workshop on Millimetre Wave Technology and Applications, MilliLab, Espoo, Finland. Feb. 15−17 2006. ESA WPP-258. Pp. 465. [A3] ShitovS. V., Koryukin О: V., UzawaY., NoguchiT., Uvarov A. V. Cohnl.A. Development of BalancedSIS Mixers for ALMA Band-10 // Proceedings of 17th International Symposium on Space Terahertz Technology, Paris. 2006. Pp. 90−93. [A4] Vystavkin A. N., Shitov S. V., Kovalenko A. G., Pestriakov A. V., Cohn I. A., Uvarov A. V. Arrays of TES direct detectors for supersensitive imaging radiometers of 1.0 — 0.2 mm waveband region // 7th International Workshop on Low Temperature Electronics (WOLTE-7), Noordwijk, The Netherlands. ESA Proceedings WPP-264. 2006. [A5] Uvarov A. V. Shitov S. V., Koryukin О. V., Bukovski MI A., Takeda M., Wang Z., Krough M., Uzawa Y., Noguchi T. Tolerance analysis of THz-range lens-antenna and. balanced SIS mixer // Proceedings of 18th International Symposium on Space Terahertz Technology, California Institute of Technology, Pasadena, USA. 2007. Pp. 60−65. [A6]* Уваров А. В., Шитов С. В., Выставкин А. Н.,.

Банков С. Е. Интегральные линзовые антенны субмиллиметрового диапазона длин волн в дифракционном пределе: допуски при t проектировании // Труды XI Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». Звенигород. 21 — 26 мая, 2007. С. 42−44.

А7] Shitov S. V., Koryukin О. V., Uvarov A. V. Bukovski M: A., Uzawa Y., Noguchi Т., TakedaM., WangZ., Krough M., Vystavkin A. N.. Study on SIS mixers for «ALMA» Band-10 // Proceedings of 6th International Kharkov Symposium on Physics, andEngineering of Microwaves, Millimeter and. Submillimeter Waves (MSMW'07). Kharkov. Ula-aine. June 25−30 2007. report W-12. Pp. 219−221:

A8]> Vystavkin A.N.,: Shitov S. V., Kovalenko A. G, Pestryakoy A. V., Gohn I! A*., UvarovA. V., Koryukin 07V., Vdovin V. E., Perminov V. G., Trofimov V. N., Chernikov A. N., Mingaliev M. G., Yakopov G. V., Zabolotny V, F. An array • radiometer for 0.13−0.38 THz based on superconductingbolometers for BTA // Proceedingsof* 6Ih International Kharkov Symposium on? PhysicsandEngineering of Microwaves,, Millimeter, and> SubmillimeterWay^ Kharkov. Ukraine. 2007. report: W-4.

Pp. 195−197. , — [A?]- Shitov S. V-,. Koryukin 07V., Uzawa Y.,. Noguchi Т., Uvarov A. V. Bukovski M. A., Gohn I. A., Design: of BalancedMixers for AEMA, Band-10 // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2007: V. 17. No. 2. Pp. 3477 350. 7 7 •. .'7'-' [A 10] Uvarov A. V" Shitov SV., Uzawa Y., Vystavkin A'. N. Tolerance Analysis, of THz-range Integrated Lens Antennas // Proceedings of 2007 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2007): Niigata. Japan, report POS2−3. 2007. .¦ V. ¦." .7. ¦ [All} Uvarov A. V.,. Shitov S. V., Bankov S. E., 7 Zabolotny V. F., Koryukin О. V. and Vystavkin A. N. Integrated Immersion-Lens Antennas for Millimeter andSubmillimeter Wave Array Detectors // Proceedings of 6th International Conference., on Antenna Theory andl Techniques (IGATT'07) — Sevastopol, the Crimea, Ukraine: 2007. Pp.-379−381. [A 12] Выставкин A. H., Шитов С. В., Банков С. Е-, Коваленко А. Г., Пестряков А. В., Кон И. А-, Уваров А. В7 Вдовин ВФ., Перминов В. Г.,.

Трофимов В. П., Черников А. Н-, Мингалиев М. Г., Якопов Г. В.,.

Заболотный В. Ф. Высокочувствительный матричный радиометр диапазона частот ~ 0,13 — 0,3 В ТГц на сверхпроводниковых болометрах для телескопа БТА // Известия ВУЗов, Радиофизика. 2007. Том L. № 1011. С. 941−947.

А13], Уваров А. В., Шитов С. В., Многолучевая" иммерсионная линзовая антенна для высокочувствительного матричного радиометра миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн // Труды 50-ой научной конференции МФТИ. 2007. Часть 5. С. 152−154.

А 14] Vystavkin A.N., Shitov S.V., Bankov S.E., Kovalenko A.G., Pestryakov A.V., KonLA., Uvarov A.V., VdovinV.F., ' Perminov V.G., Trofimov V.N., Chernikov A.N., Mingaliev M.G., Yakopov G.V., Zabolotniy V.F., High-sensitivity 0:13 — 0.38-THz matrix radiometer based on superconducting bolometers for, the BTA telescope // Radiophysics and Quantum Electronics. 2007. T. 50.№ 10−11. C. 852−857.

A 15] Vystavkin A. N., Kovalenko A. G., Shitov S. V., Pestryakov A. V., Bankov S. E., Zabolotny V. F.: FroIova E. V., Cohn I. A., Koryukin О. V., Kuzmin A. A, Zubovich A. A., Uvarov A. V., Il’in A. S., Trofimov V. N., Chernikov A. N., ydovin.V. F., Perminov V. G., Bol’shakov O. S., Mingaliev M.G., Yakopov G. V. «Development of high-sensitive 1.2 mm imaging radiometer with two-polarization antenna-coupled TES-bolometer array^ for ground-based 6-m optical telescope // Proc. SPIE 7020, 702 024. 2008.

A 16] Bukovski M. A., Shitov S. V., Uvarov A. V" Koryukin О. V., Uzawa Y. SIS mixers for ALMA band-10: comparison of epitaxial and hybrid circuits // Proceedings of 19th International Symposium on Space Terahertz Technology. Groningen. The Netherlands. 2008. P: 540−543.

A 17] Shitov S. V., InataniJ., Shan W.-L., TakedaM., Uvarov A. V. Uzawa Y., Vystavkin A. N. Measurement of emissivity of the ALMA antenna panel at 840 GHz using NbN-based heterodyne SIS receiver // Proceedings of.

19th International Symposium on Space Terahertz Technology. Groningen. The Netherlands. 2008. P. 263−266.

A18] Уваров А. В., Шитов С. В., Выставкин А. Н., Многолучевая иммерсионная линзовая антенна для высокочувствительного матричного радиометра миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн // Нелинейный мир. 2008. Т. 6. № 4. С. 253−253.

А19] Выставкин А. Н., Коваленко А. Г., Щитов С. В., Корюкин О. В., Кон И. А., Кузьмин А. А., Уваров А. В. Ильин А. С.

Сверхпроводниковые наноболометры-сенсоры на горячих электронах для сверхчувствительных матричных радиометров терагерцового диапазона частот // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55. № 6. С. 757−763.

А20] Уваров А. В., Шитов С. В., Выставкин А. Н. Анализ свойств многолучевой иммерсионной линзовой антенны для высокочувствительного радиометра субмиллиметрового диапазона длин волн на основе болометров на краю перехода в сверхпроводящее состояние//Успехи современной радиоэлектроники. 2010. № 8. С. 43−50.

А21] Уваров А. В., Шитов С. В., Выставкин А. Н. Анализ и конструирование криогенного квазиоптического чернотельного калибратора миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн // Метрология. 2010. № 9. С. 3−14.

Заключение

.