На правах рукописи

УДК 537.86+621.396.67

Уваров Андрей Владимирович

Иммерсионные линзовые антенны и квазиоптические

системы на их основе для высокочувствительных

приемников миллиметрового и субмиллиметрового

диапазонов длин волн

Специальность 01.04.03 – Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, г. Москва.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН Шитов Сергей Витальевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, декан факультета Информационных систем и компьютерных технологий Российского нового университета Крюковский Андрей Сергеевич кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН Соболев Александр Сергеевич

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН

Защита состоится «» декабря 2010 г. В ч. мин. На заседании Диссертационного совета Д 212.156.06 при Московском физико-техническом институте (государственном университете) по адресу: 117393 г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32, корп. В-2.

Отзывы можно направлять по адресу: 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ, Диссертационный совет Д 212.156.06.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ (ГУ).

Автореферат разослан «» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.156. кандидат технических наук, доцент _ Н. П. Чубинский -2

Общая характеристика работы

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-изоляторсверхпроводник) 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 наземной 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, 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 высокочувствительных приемников и детекторов на новых физических принципах.

Цель диссертационной работы электромагнитного анализа, изучение свойств и оптимизация характеристик 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 Предложен принцип построения многолучевого облучателя с плотным заполнением фокальной плоскости телескопа на основе иммерсионной линзовой антенны, с матрицей планарных облучателей помещенной в фокус линзы.

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 Предложены и апробированы методы численного анализа ИИЛА, разработаны конструкции ИИЛА на несколько частотных диапазонов (200ГГц и 800-950 ГГц), разработано устройство позиционирования приемника в фокус линзы. Подобные решения могут быть применены для широкого класса приемников и детекторов субмиллиметрового диапазона длин волн.

измерения характеристик смесителей на сверхпроводниковых туннельных переходах диапазона 800-950 ГГц. Подобная система может быть применена 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 10-9…10-10 Вт/Гц1/2, что сравнимо с чувствительностью оптоакустического преобразователя (ячейки Голея) и позволяет использовать детектор в широком спектре задач, включая лабораторные исследования, медицинскую диагностику и безопасность.

калибратор с диапазоном яркостных температур 3-20 K и диапазоном частот 200-300 ГГц может быть использован для калибровки различных типов низкотемпературных высокочувствительных детекторов включенных в ИИЛА.

Положения, выносимые на защиту:

1. Впервые теоретически продемонстрирован и обоснован способ радиоастрономического телескопа за счет использования в качестве иммерсионной однолинзовой антенны.

2. Показано, что свойства ИИЛА, ДН которой сформирована за счет эффекта дифракции на апертуре линзы, наиболее устойчивы к погрешностям изготовления системы «планарный облучатель – линза».

3. Предложена и апробирована методика проектирования криогенного чернотельного излучателя, полностью согласованного с диаграммой субмиллиметрового диапазонов длин волн в диапазоне яркостных температур 3-20 K 4. Экспериментально продемонстрировано, что чувствительность (включенных в ИИЛА) сравнима с чувствительностью волноводных смесителей, а их различие определяется оптическими свойствами ИИЛА, которые могут, аналогично волноводным структурам, быть чувствительности.

охлаждаемого радиометра при комнатной температуре. Для реализации продемонстрировавший лучшие характеристики в своем классе и сравнимую с оптоакустическим преобразователем чувствительность Личный вклад автора Вошедшие в диссертацию оригинальные результаты, представленные в главах 3 и 6, получены автором лично.

Расчет и оптимизация квазиоптической системы стенда измерения характеристик смесителей на сверхпроводниковых туннельных переходах, описанные в главе 4 были проведены автором лично. Экспериментальные субмиллиметровом диапазоне, а так же измеренные характеристики смесителей получены совместно с Корюкиным О. В.

Выбор метода расчета, анализ свойств и оптимизация согласования черного тела с антенной калибруемого детектора проводились автором лично, а изготовление – совместно с Корюкиным О. В.; совместно с Кон И. А. проводились низкотемпературные измерения и экспериментальное изучение свойств опытного образца в температурном диапазоне 3-20 К.

болометра, описанного в главе 7, была предложена и разработана автором лично. Схема измерения электрических свойств образцов пленок болометра разработаны, а экспериментальные результаты измерения электрических характеристик этих образцов были получены совместно с Кузминым А. А.

Опытные образцы болометров были изготовлены Кузминым А. А.

Основные положения и результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: 16th International Symposium on Space Terahertz Technology, Gothenburg, Sweden, pp. 165-168, 1May, 2005; Semi-Annual Meeting of the Astronomical Society of Japan, Sapporo, Japan, 6-8 October, 2005; 6th Workshop on Submillimeter-Wave Receiver Technologies in Eastern Asia, Purple Mountain Observatory, NAOC, CAS, Nanjing, China, 8-10 Dec., 2005; 4th ESA Workshop on Millimetre Wave Technology and Applications, MilliLab, Espoo, Finland, Feb. 15-17, 2006; 17th International Symposium on Space Terahertz Technology, Paris, Report P1-18, 10May, 2006; 7th International Workshop on Low Temperature Electronics (WOLTE-7), Noordwijk, The Netherlands, 21-23 June 2006; Applied Superconductivity Conference (ASC-2006), Seattle, USA, August September 01, 2006; Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород, 12-15 марта 2007 г.; 18th International Symposium on Space Terahertz Technology, California Institute of Technology, Pasadena, USA, March 21-23, 2007; XI Всероссийской школысеминара «Физика и применение микроволн», Звенигород, 21 - 26 мая г.; 6th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'07), Kharkov, Ukraine, June 25-30, 2007; 2007 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2007), Niigata, Japan, August 20-24, 2007; Joint 32-nd International Conf. on Infrared and Millimetre Waves and 15 -th International Conference on Terahertz Electronics, Cardiff, UK, 2-7 September, 2007; 6th International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT'07), Sevastopol, the Crimea, Ukraine, 17-21 September, 2007; конкурс молодых ученых им. И. В. Анисимкина, Москва, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, 2007; 50-ая научная конференция МФТИ, 2007; Eighth International Workshop on Low Temperature Electronics, Jena/Gabelbach, Germany, June 22-25, 2008;

19th International Symposium on Space Terahertz Technology, Groningen, The Netherlands, April 28-30, 2008;

конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», 30-31 марта, 1 апреля 2009г., МГОУ, Москва; III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва, ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г; 7th Intern. Kharkov Symp. on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter waves (MSMW’10) and Workshop on Terahertz Technology (TERATECH’10), Kharkov, Ukraine, June 21-26, 2010.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа, 6 из них – в журналах и изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, и 15 – в сборниках трудов отечественных и зарубежных конференций.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка цитируемой литературы, в ней 185 страниц текста, 70 рисунков и 13 таблиц.

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 (см. рис. 1), 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, эксплуатации, а так же высоком качестве ДН, 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 распределению токов планарного облучателя. Такой подход дает решение с разумной точностью и не противоречит результатам, получаемым с помощью других методов.

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 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 двухвибраторным планарным облучателем: нарушение симметрии возбуждения вибраторов вызванное рассовмещением слоев во время фотолитографического процесса, неточность установки чипа с планарной покрытия.

Приведены данные численного анализа двух наиболее перспективных конструкций СИС смесителей: с двойной щелевой антенной и двойной дипольной 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 ДН 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 задержки тракта ПЧ. Однако, абсолютное ослабление КИП телескопа