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

Уваров, Андрей Владимирович

Иммерсионные линзовые антенны и квазиоптические системы на их основе для высокочувствительных приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Уваров, Андрей Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Иммерсионные линзовые антенны и квазиоптические системы на их основе для высокочувствительных приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн»

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

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

1 8 ЛЕИ 20/0

Москва-2010

004617386

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котелышкова 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 « ¿У » декабря 2010 г. В __чУ_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 212.156.06 кандидат технических наук, доцент

С'Л

Н. П. Чубинский

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-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 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, 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.

Цель диссертационной работы

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

Предложен принцип построения многолучевого облучателя с плотным заполнением фокальной плоскости телескопа на основе иммерсионной 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

Предложены и апробированы методы численного анализа ИИЛА, разработаны конструкции ИИЛА на несколько частотных диапазонов (200300 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 10"9...10"10 Вт/Гц"2, 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

-5-

низкотемпературных высокочувствительных детекторов включенных в ИИЛА.

Положения, выносимые на защиту:

1. Впервые теоретически продемонстрирован и обоснован способ увеличения фактора заполнения фокальной плоскости радиоастрономического телескопа за счет использования в качестве облучателя системы на основе многолучевой интегральной 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 направленности ИИЛА, для калибровки сверхчувствительных низкотемпературных детекторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн в диапазоне яркостных температур 3-20 К

4. Экспериментально продемонстрировано, что чувствительность смесителей выполненных по квазиоптической технологии (включенных в ИИЛА) сравнима с чувствительностью волноводных смесителей, а их различие определяется оптическими свойствами ИИЛА, которые могут, аналогично волноводным структурам, быть оптимизированы для достижения фундаментального предела чувствительности.

5. Предложен метод электродинамического замещения низкотемпературных болометров терагерцового диапазона болометрами на основе пленки ниобия, работающими при комнатной температуре, с целью настройки квазиоптической системы охлаждаемого радиометра при комнатной температуре. Для реализации

-6-

подхода разработан детектор диапазона 200-300 ГГц продемонстрировавший лучшие характеристики в своем классе и сравнимую с оптоакустическим преобразователем чувствительность ~ 10"10Вт/Гц1/2.

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 результаты, относящиеся к измерению свойств материалов в 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.

Микросхема детектора на основе тонкопленочного ниобиевого болометра, описанного в главе 7, была предложена и разработана автором лично. Схема измерения электрических свойств образцов пленок болометра была предложена, топологии опытных образцов болометров были разработаны, а экспериментальные результаты измерения электрических характеристик этих образцов были получены совместно с Кузминым А. А. Опытные образцы болометров были изготовлены Кузминым А. А.

Апробация результатов

Основные положения и результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: 16th International

-7-

Symposium on Space Terahertz Technology, Gothenburg, Sweden, pp. 165-168,14 May, 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 Pl-18, 1012 May, 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 27 -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 школы-семинара «Физика и применение микроволн», Звенигород, 21 - 26 мая 2007 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; 19Ih International Symposium on Space Terahertz Technology, Groningen, The Netherlands, April 28-30, 2008; Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», 30-31 марта, 1 апреля

2009г., МГОУ, Москва; III Всероссийская конференция «Радиолокация и

-8-

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 и 70 рисунков и 13 таблиц.

Краткое содержание работы

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

-10-

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 сверхпроводииковых 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

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

- 11-

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 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

- 12-

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 квазиоптические схемы согласования представлены для двух

- 13-

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 сверхпроводниковых туннельных переходах сравнима с лучшими мировыми аналогами.

Глава 5 посвящена калибровке детекторов на краю перехода в сверхпроводящее состояние с помощью чернотельного излучателя. В данной главе описаны результаты исследования, основной задачей которого являлась разработка излучателя на основе черного тела (далее по тексту - ЧТ) для калибровки высокочувствительных сверхпроводниковых 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/Гц"2. Однако такие детекторы могут обладать достаточно низкой мощностью насыщения, что требует применения калиброванных излучателей с яркостными температурами в диапазоне 3 - 20 К.

Рис. 1. Типичная конфигурация иммерсионной линзовой антенны. В фокус диэлектрической линзы с просветляющим покрытием помещена микросхема с планарным облучателем типа «двойная щель» и настроечными цепями. Рисунок схематический, соотношения между размерами линзы и размерами планарного облучателя не соблюдены из соображений наглядности.

Рис. 2. Конфигурация квазиоптического стенда измерения шумовой температуры смесителей на сверхпроводниковых туннельных переходах диапазона 800-950 ГГц. Цифрами на рисунке обозначены: 1 - гетеродин на основе ЛОВ ОВ-82, 2 - квазиоптический аттенюатор на основе метало-сеточного поляризатора, 3 - полиэтиленовая линза с фокальным расстоянием 120 мм, 4 - диплексер, 5 - криостат, 6 - квазиоптическая система криостата, включающая в себя вакуумное окно и два инфракрасных фильтра закрепленных на азотной и гелиевой ступенях криостата, 7 — смеситель с иммерсионной линзовой антенной, 8 - обтюратора обеспечивающий периодическое переключение антенны смесителя между горячей (9) и холодной (10) нагрузками. Основная поляризация (поляризация антенны гетеродина и смесителя) - вертикальная (перпендикулярна плоскости рисунка).

а)

б)

Рис. 3. а) Схема расположения черного тела и калибруемого детектора с иммерсионной линзовой антенной в криостате. Цифрами на рисунке обозначены: 1 - коническое черное тело, 2 - иммерсионная линзовая антенна детектора закрепленная на ступени 0,3 К криостата, 3 - детектор -чувствительный элемент (болометр на краю перехода в сверхпроводящее состояние) включенный в планарную антенну, помещенную в фокус линзы, 4 - теплоизолирующий подвес из синтетического волокна Кеу1аг для тепловой изоляции ЧТ от 3 К ступени криостата, 5 - радиационный экран 3 К ступени криостата, 6 - нагреватель ЧТ, 7 - тепловой шунт на ступень 3 К криостата с рассчитанной теплопроводностью, 8 - инфракрасный фильтр, для снижения потока излучения ИК диапазона на ступень 0,3 К криостата. б) Фотография опытного образца ЧТ.

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 отрезка медной проволоки, имеющего расчетную теплопроводность. Изменение температуры черного тела достигается за счет разогрева медного конуса-подложки с помощью электронагревателя, представляющего собой проволочный резистор из 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.

-17-

Полученные экспериментальные значения вольт-ваттной чувствительности совместно с температурным коэффициентом сопротивления позволили оценить эквивалентную шумовую мощность болометра (предельную чувствительность), которая составила ~ Ю"10 Вт/Гц1'2, что сравнимо с чувствительностью оптоакустического преобразователя (ячейки Голея).

Предложенная топология микросхемы детектора на основе ниобиевого болометра интегрированного в двойной щелевой облучатель ИИЛА диапазона 200-300 ГГц описана в завершении главы 7.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы:

1. Предложенный принцип построения многолучевого облучателя радиоастрономических телескопов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе иммерсионной линзы с матрицей планарных антенны типа «двойная щель», помещенной в фокус такой линзы, позволил увеличить фактор заполнения фокальной плоскости телескопа 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 эллиптической и 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 щелевой продемонстрировало, что при примерно одинаковых эффектах влияния погрешностей изготовления на ДН 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 частот 200300 ГГц, предназначенный для калибровки болометров на краю перехода 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/Гц1/2, что сравнимо с чувствительностью оптоакустического преобразователя.

Публикации автора по теме диссертации

1. ShitovS. V., NoguchiT., MatsunagaT., TamuraT., Uvarov A. V., Cohnl.A., HasegawaT. A SIS mixer for ALMA band 10: development concept // Proc. of 16th International Symposium on Space Terahertz Technology, Gothenburg, Sweden. 2005. Pp. 165-168.

2. Shitov S. V., Uzawa Y„ Noguchi Т., Shan W. L., Matsunaga Т., Tamura Т., Endo A., Koryukin О. 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.

3. ShitovS. V., Koryukin О. V., Uzawa Y., NoguchiT., Uvarov A. V., Cohnl.A. Development of Balanced SIS Mixers for ALMA Band-10 // Proceedings of 17th International Symposium on Space Terahertz Technology, Paris. 2006. Pp. 90-93.

4. 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.

5. Uvarov A. V., Shitov S. V., Koryukin О. V., Bukovski M. A., TakedaM., 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.

6. Уваров А. В.. Шитов С. В., Выставкин А. Н., Банков С. Е. Интегральные линзовые антенны субмиллиметрового диапазона длин волн в дифракционном пределе: допуски при проектировании // Труды XI Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». Звенигород. 21 - 26 мая 2007. С. 42-44.

7. Shitov S. V., Koryukin О. V., Uvarov А. У.. Bukovski М. A., Uzawa Y., Noguchi Т., Takeda М., Wang Z., Krough M., Vystavkin A. N. Study on SIS mixers for "ALMA" Band-10 // Proceedings of 6th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves,

Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'07). Kharkov. Ukraine. June 25-30 2007. report W-12. Pp. 219-221.

8. Vystavkin A. N., ShitovS.V., Kovalenko A. G., Pestryakov A. V., Cohn I. A., Uvarov A. V., Koiyukin О. V., Vdovin V. F., 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 superconducting bolometers for BTA // Proceedings of 6th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'07). Kharkov. Ukraine. 2007. report W-4. Pp. 195-197.

9. Shitov S. V., Koryukin О. V., Uzawa Y., Noguchi Т., Uvarov A. V.. Bukovski M. A., Cohn I. A. Design of Balanced Mixers for ALMA Band-10 // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2007. V. 17. No. 2. Pp. 347-350.

10.Uvarov A. V.. Shitov S. V.,Uzawa Y., Vystavkin A. N. Tolerance Analysis of THz-range Integrated Lens Antennas // Proceedings of2007 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2007). Niigata. Japan, report POS2-3. 2007.

11 .Uvarov A. V., Shitov S. V., Bankov S. E., Zabolotny V. F., Koryukin О. V. and Vystavkin A. N. Integrated Immersion Lens Antennas for Millimeter and Submillimeter Wave Array Detectors // Proceedings of 6th International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT'07). Sevastopol, the Crimea, Ukraine. 2007. Pp. 379-381.

12.Выставкин A. H., Шитов С. В., Банков С. E., Коваленко А. Г., Пестряков А. В., Кон И. А., Уваров А. В., ВдовинВ.Ф., Перминов В. Г., Трофимов В. Н., Черников А. Н., Мингапиев М. Г., Якопов Г. В., Заболотный В. Ф. Высокочувствительный матричный радиометр диапазона частот - 0,13 - 0,38 ТГц на сверхпроводниковых болометрах для телескопа БТА // Известия ВУЗов, Радиофизика. 2007. TomL. № 10-11. С. 941-947.

13.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.

14.Vystavkin A.N., ShitovS.V., BankovS.E., Kovalenko A.G., Pestryakov A.V., Коп I.A., Uvarov A.V.. Vdovin V.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.

15.Vystavkin A.N., Kovalenko A. G., ShitovS.V., Pestryakov A. V., Bankov S. E., Zabolotny V. F., Frolova 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., Vdovin 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, 702024. 2008.

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.

17.Shitov S. V., Inatani J., Shan W.-L., Takeda M„ 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.

18.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.

19.Выставкин А. Н., Коваленко А. Г., Шитов 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.

20.Уваров А. В., Шитов С. В., Выставкин А. Н. Анализ свойств многолучевой иммерсионной линзовой антенны для

высокочувствительного радиометра субмиллиметрового диапазона длин воли на основе болометров на краю перехода в сверхпроводящее состояние // Успехи современной радиоэлектроники. 2010. № 8. С. 4350.

21.Уваров Л. 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.

Уваров Андрей Владимирович

Подписано в печать 11.10.2010 г. Печать трафаретная Усл.п.л. - 1,5 Заказ № 4653 Тираж: 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Уваров, Андрей Владимирович

Оглавление.

Список принятых сокращений и обозначений: ;.

Введение.

Введение диссертация по физике, на тему "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„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 смесителя; на 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 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 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 краю; перехода 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.

140

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 частота; ПЧ - 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 работ; ЛОВ - лампа обратной волны; ТП - тонкопленочный; МС - метало-сеточный; ИК - инфракрасный;

КИП - коэффициент использования поверхности; ТКС - температурный коэффициент сопротивления; СИС - сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник.

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-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 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 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 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 линзовой антенны, с матрицей планарных облучателей помещенной^ фокус линзы.

Проведен анализ допусков и выявлена наиболее стабильная конфигурация ИИЛА, дано объяснение устойчивости свойств оптимальной^ конфигурации.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующих ниже положениях.

Предложены и апробированы методы численного анализа ИИЛА, разработаны конструкции ИИЛА на несколько частотных диапазонов (200300 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.

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.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

Основные результаты диссертационной работы:

1. Предложенный принцип построения многолучевого^ облучателя ^ радиоастрономических телескопов; миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе: иммерсионной линзы с матрицей планарных антенны типа «двойная : щель», помещенной; в, фокус такой линзы, позволил увеличить фактор заполнения фокальной плоскости; телескопа 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 эллиптической; и 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 щелевой- продемонстрировало,', 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 200300 Щ?ц; предназначенный для;:калибровки. болометров нашраюшерехода в сверхпроводящее состояние, интегрированных?в планарный;облучатель иммерсионной линзы. . . . .

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/Гц1/2, 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 Balanced- SIS 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, and; Engineering 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*., Uvarov; A. 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 superconducting- bolometers for BTA // Proceedings; of* 6Ih International Kharkov Symposium on ¡ Physics; and; Engineering of Microwaves, , Millimeter , and> Submillimeter; Way^ 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 Balanced; Mixers 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 S; V.,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 and; Submillimeter 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 В; Ф., Перминов В. Г.,

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

170

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, 702024. 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

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Уваров, Андрей Владимирович, Москва

1. Brewitt-Taylor С. R., GuntonD. J., Rees Н. D. Planar Antennas on a Dielectric Surface // Electronics Letters. 1981. Vol: 17. No. 20. Pp. 729-731.

2. Engheta N., Papas С. H., Elachi C. Interface Extinction« and Subsurface Peaking of the Radiation Pattern of a Line Source // Appl. Phys. Bl 26. 1981. Pp. 231-238.

3. Rutledge. D. Substrate-Lens Coupled Antennas for Millimeter and Submillimeter Waves // IEEE Antennas and Propagation Society Newsletter. 1985. August. Pp. 5-8.

4. Filipovic D. F., Ali-Ahmad W. Y., Rebeiz G. M. Millimeter-Wave DoubleDipole Antennas for High-Gain Integrated Reflector Illumination- // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1992. V. 40. No. 5. Pp.' 962-967.

5. KatehbL. P. В., Rebeiz G. M., Weiler Т. M., Drayton R. F., Cheng H. J., Whitaker J. F. Micromachined Circuits for Millimeter- and Sub-millimeter-Wave Applications I I IEEE Antennas and Propagation Magazine. 1993. Vol. 35. No. 5. Pp. 9-17.

6. Chattopadhyay G. Chao-Lin Kuo. Day P. Bock J; J. Zmuidzinas J. Lange A.E. Planar antenna arrays for CMB polarization detection //

7. Proceedings of Joint 32nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves and the 2007 15th International Conference on Terahertz Electronics. IRMMW-THz. 2007. Pp. 184-185.

8. LauJ. et al. Millimeter-wave antireflection coating for cryogenic silicon lenses //Applied optics. 2006. Vol. 45. No. 16. Pp. 3746- 3751.

9. ZahC., RutledgeD. B. A polystyrene cap for matching a silicon lens at millimeter wavelengths // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1985. Vol. 6. N. 9. Pp. 909-917.

10. SiegelP:H., FrerkingM.A. The dielectric-filled parabola: a new high frequency integrated receiver or transmitter front end // Digest of Antennas and Propagation Society International Symposium. 1989. Vol. 3. Pp. 1191 1194.

11. Filipovic D. F., GearhartS. S., Rebeiz G. M., Double-Slot Antennas on Extended Hemispherical and1 Elliptical Silicon Dielectric Lenses // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1993. V. 41. No. 10. Pp. 1738-1749.

12. Filipovic D. F., Gearhart S. S., Rebeiz G. M. Double-slot antennas on extended hemispherical dielectric lenses // Proc. 3rd International Symposium on Space Terahertz Technology. 1992. Pp. 382-393.

13. SkalareA., de GraauwTh., van de StadtH. A planar dipole array antenna with an elliptical lens // Microwave and Optical Tech. Lett. 1991. Vol. 4. No. 1, Pp. 9-12.

14. Dykaar.D: R., Greene B. I., Federici J. F., Leci A. F. J:, PfeifferL. N. and Kopf R'. F. Log-Periodic Antennas for Pulsed Terahertz Radiation // Applied Physics Letters. 1991. Vol. 59 (3). Pp. 262-264.

15. Van der Vorst M. J. M. Integrated lens antennas for submillimetre-waveapplications. PhD thesis. 1999. ISBN 90-386-1590-6.174

16. Boriskin A. V., Rolland A., Sauleau R., Nosich A. I. Assessment of FDTD Accuracy in the Compact Hemielliptic Dielectric Lens Antenna Analysis // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2008. V. 56. No. 3. Pp. 758764.

17. Boriskin A. V., Sauleau R. Design of Dielectric Lens Antennas for Multibeam Applications // Proceedings of 2010 Internationale Kharkov Symposium on' Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW). 2010.

18. Boriskin A. V., Sauleau R., Nosich A. I. Exact off-resonance near fields of small-size extended hemielliptic 2-D lenses illuminated by plane waves // J. Opt. Soc. Am. 2009. Vol. 26, No. 2. Pp.* 259-264.

19. Boriskin A. V., Sauleau R., Nosich A. I. Optical and Modal Features of Hemielliptic Dielectric Lenses // Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). 2010.

20. Boriskin A. V., SauleauR., Nosich A. I. Performance of Hemielliptic Dielectric Lens Antennas With Optimal'Edge Illumination // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. V. 57. No. 7. Pp. 2193-2198.

21. Boriskin A. V., Marciniak M. Near fields of elliptic dielectric lenses // Journal of Telecommunications and Information Technologies. 2003. N. 3. Pp. 125-129.

22. Boriskin A. V. et al. Resonance Lens Antenna Analysis for MM-wave

23. Applications // Proceedings of 2004 International Kharkov Symposium on175

24. Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves. 2004. Pp. 632-634.

25. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика М.: Наука. 1980. Глава X.

26. Narayanan G., Erickson N. R., and Grosslein R. M. Low Cost Direct Matchining of Terahertz Waveguide Structures // Proceedings of the Tenth International Symposium on Space Terahertz Technology. 1999. P. 516.

27. Ellison B. N., Oldfield M. L., Matheson D. N., Maddison B. J., Mann C.M., Smith A.F. Corrugated Feedhoms at Terahertz Frequencies — Preliminary Results // Fifth International Symposium on Space Terahertz Technology. Pp. 851-860.

28. Ellison B. N., Matheson D. N. Manufacture and test of a 2.5 THz corrugated feedhorn. // Proc. of International Seminar on Terahertz Electronics (Part II). 1994!

29. Kojima T., Uzawa Y., Shan W.-L., Fujii Y., Takeda M., Kroug Ml, Shitov S. Ogawa H. Characterization of waveguide components for the ALMA band 10 // Proceedings of the 19th International' Symposium on Space THz Technology. 2008. P. 529.

30. Goldsmith P. F. Quasioptical Systems: Gaussian Веапъ Quasioptical Propagation and Application. IEEE Press. 1997.

31. Cornell Caltech Atacama Telescope электронный ресурс] // Submillimeter Astrophysics Group at Cornell University [официальный сайт]. URL: http://astro.cornell.edu/~spifiweb/ccat/

32. Cornell Caltech Atacama Telescope электронный ресурс] URL: http://www.submm.org/

33. Радиотелескоп РТ-70 электронный ресурс] // Учреждение Российской академии наук Институт проблем машиноведения. Санкт-Петербург. Россия, URL: http://www.ipme.ru/ipme/labs/RT-70/source/start.html

34. Chattopadhyay G., Zmuidzinas J. A Dual-Polarized Slot Antenna for Millimeter Waves // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1998. Vol. 46. No. 5. Pp. 736-737.

35. Shitov S. V., Vystavkin A. N. An Integrated Array Antenna for a TES Imaging Radiometer: General Concept and Simulations // Proceedings of 16th International Symposium on Space Terahertz Technology. 2005. Pp. 122-125.

36. Shitov S., Jackson В., BaryshevA., Markov A., losad N., Gao J., Klapwijk T. A low-noise double-dipole antenna SIS mixer at 1 THz // Physica C. 2002. Voh 372. No. 1. Pp. 374-377.

37. Volkov A. A., Gorshunov B. P., Irisov A. A., Kozlov G. V. and Lebedev S. P. Electrodynamic properties of plane wire grids // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1982. Vol. 3. No. 1. PP. 19-43.

38. PrigentC., Abba P., CheudinM. A quasi-optical polarization rotator // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1988. Vol. 9. No. 5. PP. 477-490:

39. Larsen Т. A Survey of the Theory of Wire Grids // IRE Transactions on Microwave and Techniques. 1962. V. 10Л. 3. PP. 191- 201

40. Chambers W. G., Мок С. L. and Parker T. J. Theory of the scattering of electromagnetic waves by a regular grid" of parallel cylindrical wires with circular cross section.// J. Phys. A: Math: Gen. 1980. Vol. 13. N. 4. PP. 14331441.

41. Ermakov А. В., Shitov S. V., Baryshev A. M., Koshelets V. P., Luinge W. A data acquisition system for test and. control of superconducting integrated receivers // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2001. Vol. 11. No. 1. Pp. 840-843'.

42. Woody D. P. Measurement of Noise Contribution to SIS Heterodyne Receivers // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 1995. V. 5. No. 2.

43. W. J. Moore, Spectral response from blackbody measurements // Infrared Physics. 1981. N21, PP. 217-220.

44. Eccosorb CR-110 электронный'ресурс] // Emerson & Cuming Microwave Products [официальный , 1 сайт производителя]. URL: http://www.eccosorb.com/products/19/ECCOSORB%20CR (дата обращения: 2 Г. 10.2009).

45. Prokhorov A. V: Monte Carlo Method in Optical Radiometry. // Metrología. 1998. V. 35. № 4. PP. 465-471.

46. Андреев А. Ф. Теплопроводность промежуточного состояния сверхпроводников//ЖЭТФ. 1964. Т. .46, Вып. 5, СС. 1823-1828.

47. Shitov S. V., Yystavkin А. N. A design analysis of imaging radiometer withantenna-coupled transition-edge sensors // Nuclear Instruments and Methods in

48. Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and

49. Associated Equipment. 2006. V. 559,1. 2, PP. 503-505.179

50. Griffin M. J., Bock J. J., and Gear W. K. Relative performance of filled and feedhorn-coupled focal-plane architectures // Applied Optics. 2002. V.41, PP.6543-6554.

51. Miller A. J., Luukanen A., Grossman E. N. Micromachined antenna-coupled uncooled microbolometers for terahertz imaging arrays // Proc. of SPIE. 2004. Vol. 5411. Pp. 18-24.

52. MacDonald M. E., Grossman E. N. Niobium Microbolometers for Far-Infrared Detection // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1995. Vol. 43. N. 4. Pp. 893-896.

53. Nemarich J. Microbolometer Detectors for Passive Millimeter-Wave Imaging. Army Research Laboratory report ARL-TR-3460, March 2005.

54. CodreanuL, FumeauxC., Spencer D. F. and Boreman G. D. Microstrip antenna-coupled infrared detector // Electronic Letters. 1999. Vol. 35. No. 25. Pp. 2166-2167.

55. Richards P.L., Bolometers for Infrared and Millimeter Waves // Journal of Applied Physics. 1994. Vol. 76. No. 1. Pp. 1-24.