Субмиллиметровые сверхпроводниковые Nb СИС и NbN HEB смесители тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Чжан Вэнь

Субмиллиметровые сверхпроводниковые ГЧЬ СИС и NbN НЕВ смесители

Специальность 01.04.03 — радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2007

003055648

Работа выполнена на кафедре общей и экспериментальной физики факультета физики и информационных технологий Московского педагогического государственного университета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Гольцман Григорий Наумович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Куприянов Михаил Юрьевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Розанов Сергей Борисович

Ведущая организация:

Институт радиотехники и электроники РАН, г Москва

Защита диссертации состоится 16 апреля 2007 г в 16-30 часов на заседании Диссертационного совета К 212 154 08 при Московском педагогическом государственном университете по адресу 119435, Москва, ул Малая Пироговская, д 29, ауд №

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу 119992, Москва, ул Малая Пироговская, д 1

Автореферат разослан «_»_2007 года

Ученый секретарь Диссертационного совета

Ильин В А

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований

Освоение субмиллиметрового и терагерцового частотных диапазонов относится к наиболее актуальным задачам технических нововведений Причины этого обусловлены как практическими задачами современной наноэлектроники, радиосвязи, экологии, медицины, так и фундаментальными научными проблемами биологии, химии, физики конденсированных сред, астрофизики. По мере развития области терагерцовых технологий появилась возможность проводить астрономические измерения в терагерцовом диапазоне, где излучение Вселенной включает в себя около 40 тысяч отдельных спектральных линий элементов и молекул, при этом провести наблюдения удалось только нескольких тысяч линий [1] Характерные спектральные линии элементов и молекул, таких как С+ (1 9 ТГц), могут дать исчерпывающую информацию об областях формирования звезд Причем в этом частотном диапазоне вращательные переходы молекул некоторых газов, находящихся в атмосфере и верхней тропосфере Земли, таких как вода, кислород, хлор, соединения азота могут служить для мониторинга целостности и причин разрушения озонового слоя, глобального потепления и загрязнения атмосферы [2]

Проведение радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли затруднено сильным поглощением терагерцового излучения в атмосфере парами воды [1] Для проведения исследований с поверхности Земли на частотах выше 1 ТГц возможно использовать только так называемые окна прозрачности с относительно высоким коэффициентом пропускания [3] На сегодняшний день только начинается освоение окон прозрачности около 1 03, 1.35 и 1 5 ТГц, коэффициент пропускания атмосферы в которых не больше 40 %, например, в высокогорных областях Чили [4] Условия проведения наблюдений вынуждают создавать радиообсерватории в труднодоступных высокогорных районах (SMA, ALMA, APEX) или с базированием на самолете (SOFIA), воздушном шаре (TELIS)или искусственном спутнике (HERSHEL)

Прогресс в разработке и создании приемных элементов для терагерцового диапазона происходит быстрее, чем в других областях субмиллиметровых технологий (разработка гетеродинов) Интерес представляют не только рекордные параметры приборов, но и фундаментальные исследования природы физических процессов в используемых материалах Применение тех или иных приемников зависит

непосредственно от поставленных задач

На частотах ниже 100 ГГц чувствительность приемников не является критическим параметром отбора, потому что принимаемое электромагнитное излучение можно предварительно усилить при помощи малошумящих полупроводниковых усилителей. На более высоких частотах предварительное усиление сопряжено со значительными трудностями, поэтому чувствительность становится решающим критерием отбора приемников

Для повышения чувствительности часто используется гетеродинный приемник с высоким разрешением Одним из основных элементов такого приемника является нелинейный элемент, который смешивает сигнальное излучение малой мощности, улавливаемое антенной, с излучением большой мощности на близкой частоте, подаваемым на смеситель от местного генератора (гетеродина) На выходе смесителя образуется сигнал на разностной частоте, который после усиления малошумящим усилителем регистрируется акустическо-оптическим спектрометром

До последнего времени в терагерцовом диапазоне в качестве приемного элемента использовались диоды с барьером Шоттки, работающие в широком диапазоне температур [5] Однако существенным недостатком смесителей на диоде Шоттки является большая требуемая мощность гетеродина (порядка нескольких милливатт), что трудно достижимо в коротковолновой части субММ диапазона из-за отсутствия достаточно мощных перестраиваемых твердотельных источников излучения.

Значительный прогресс был достигнут с разработкой малошумящих смесителей на основе туннельных переходов "сверхпроводник - изолятор -сверхпроводник" (СИС) [6] Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу, с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малую мощность гетеродина

СИС переход представляет собой «сэндвич» из сверхпроводниковых пленок, разделенных пленкой диэлектрика толщиной 1-2 нм, через которую могут туннелировать как нормальные электроны - эффект Живера, так и сверхпроводящие куперовские пары - эффект Джозефсона Эффект Живера основан на нелинейности тока квазичастиц, связанной с квантовым эффектом стимулированного туннелирования нормальных электронов под действием фотонов СВЧ А эффект Джозефсона в СИС переходах проявляется в виде наличия сверхпроводящего тока, создающего избыточный шум, понижающий

г

чувствительность СИС смесителя, поэтому эффект Джозефсона всегда подавляется с помощью магнитного поля.

В 1979 году Такер развил квантовую теорию туннелирования СИС смесителей, которая предсказала их уникальные характеристики возможность преобразования частоты вниз с усилением и низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу [7] По данной теории эффективность преобразования определяется импедансом смесительного блока б,, входной и выходной проводимостями СИС перехода Сшт и и проводимостью тракта промежуточной частоты (ПЧ) Очевидно, что эффективность преобразования достигает максимума при согласованиях по выходу ((/¿0=С?£) и входу ((/.¡мрСД что приводит к необходимости определения импеданса смесительного блока с помощью вычислительного метода или экспериментального масштабированного макета

Расчет импеданса волноводного смесительного блока был проведен с помощью вольтамперных характеристик СИС смесителей под действием мощности гетеродина и без него [8] посредством решения нелинейного уравнения Однако решение нелинейного уравнения является трудоемкой вычислительной задачей К тому же точность этого решения связана с параметрами СИС перехода, которые трудно контролировать с высокой точностью в процессе изготовления При конструировании СИС смесителей также используется метод масштабирования, позволяющего непосредственно измерить импеданс смесительного блока При этом на место подключения СИС перехода припаивается коаксиальный кабель, по которому подается испытательный сигнал от анализатора цепей Моделирование позволяет оптимизировать конфигурацию настроечных элементов, положение подложки и др [9] Однако электромагнитное поле искажается за счет наличия коаксиального кабеля и исследуемого зонда В диссертационной работе смесительный блок конструировался по параметрам, рассчитанным с помощью современной дорогостоящей компьютерной программы по трехмерному моделированию электромагнитного поля

Экспериментальное исследование импеданса смесительного блока проводилось в масштабированном макете с использованием трех калиброванных нагрузок, расположенных в месте СИС перехода Данная методика позволяла экспериментально измерить импеданс смесительного блока без возмущения электромагнитного поля вблизи СИС смесителя

Одним из существенных недостатков СИС переходов является параллельно соединенная собственная емкость изолирующего слоя Сл

шунтирующая полезный сигнал (СВЧ ток квазичастиц) Это приводит к необходимости конструировать СИС смесители так, чтобы ток полезного сигнала, подводимый к СИС переходу, не шунтировался через его собственную емкость Ср а полностью преобразовывался в ток квазичастиц Эффективный способ снижения влияния собственной емкости Cj СИС перехода заключается в использовании интегральных настроечных элементов с индуктивным импедансом [10] Практически используют параллельно соединенные распределенные структуры на основе микрополосковьгх линий, которые эквивалентны цепи, состоящей из индуктивности и блокирующего конденсатора, вызывающего трудность при изготовлении СИС смесителей В другом случае, последовательно соединенная передающая линия тоже может использоваться в качестве настроечного элемента Однако использование такой схемы дает низкое значение импеданса и подразумевает применение дополнительного повышающего трансформатора В рамках диссертационного исследования предложенная нами структура на основе двух параллельно присоединенных переходов - называемая в научной литературе parallel connected twin junctions (PCTJ), разделенных микрополосковой линией, компенсирующей влияние собственной емкости без конденсатора, имеет сравнительно широкий диапазон частот и облегчает требования к технологии изготовления СИС смесителей

СИС смесители, выполненные из сверхпроводника Nb, имеют шумовую температуру, которая лишь в 3 раз превышает квантовый предел в диапазоне частот 0.1-0 6 ТГц [11] По мере приближения рабочей частоты СИС смесителей к частоте 0 66 ТГц для Nb, соответствующей сверхпроводящей щели, проявляются значительные потери в цепях настройки, так как энергии фотонов достаточно для разрушения сверхпроводящих куперовских пар, что приводит к потери части сигнала в интегральных настроечных элементах К началу диссертационного исследования несколько групп испытали конструкции СИС смесителей в частотном диапазоне 0 6-0 7 ТГц, шумовая температура которых лишь в 5 раз превышала квантовый предел при использовании сосредоточенного СИС перехода с трансформатором импеданса из микрополосковой линии или распределенного длинного СИС перехода

При дальнейшем возрастании частоты (>12 ТГц) наблюдается увеличение внутренних потерь и шумовая температура становится выше, чем у сверхпроводниковых смесителей другого типа - смесителей на эффекте электронного разогрева

Смесители на эффекте разогрева электронов в тонких сверхпроводящих пленках [12], называемые в научной литературе hot-electron bolometer (НЕВ), обладают хорошей чувствительностью наряду с достаточно широкой полосой частот преобразования, а также требуют малой мощности гетеродина при субмикронных размерах чувствительного элемента Полоса ПЧ смесителей с фононным каналом охлаждения определяется взаимным соотношением с р/с,,, времен те!С и Te.ph, где ср и скудельные фононная и электронная теплоемкости, соответственно, гис-время ухода неравновесных фононов в подложку, г^-время электрон-фононного взаимодействия Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей, изготовленных на основе пленки NbN толщиной 3 5 нм, осажденной на подложку Si, достигает 5-6 ГГц [13], что в основном удовлетворяет требованиям радиоастрономических наблюдений

В лабораторных условиях возможно применение крупногабаритного оборудования или источников с большим энергопотреблением, таких как лазеры далекого инфракрасного диапазона или лампы обратной волны Однако применение такого оборудования в реальных наблюдательных приемных системах затруднительно из-за высокого напряжения для питания J10B, составляющего выше 3 кВ при токе 30-35 мА в терагерцовом диапазоне Эти источники должны потреблять значительную мощность, которую весьма затруднительно реализовать в полетном варианте приемника на самолете или воздушном шаре и уж тем более на космическом корабле Кроме того, работа со столь высоким напряжением опасна для жизни экспериментаторов Для полетной версии приемника одним из важных параметров является его масса При использовании в качестве генераторов ЛОВ значительно возрастает масса приемника системы, поэтому в диссертационной работе проведены исследования смесителей на эффекте электронного разогрева с генераторами Ганна с умножителями частоты Такие генераторы на два порядка легче по сравнению с ЛОВ Напряжение питания для твердотельных источников не превышает 20 В

Согласование смесителя на горячих электронах с принимаемым электромагнитным излучением реализуется использованием волноводной или квазиоптической схем В первом случае подложка из тонкого кристаллического кварца со смесителем и ВЧ фильтрами располагается в короткозамкнутой волноводной секции со скалярной рупорной антенной В рамках данного исследования нас интересовали квазиоптические НЕВ смесители с фононным каналом охлаждения В этом случае чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается в

фокусе гипер-полусферической линзы, выполненной из высокоомного кремния [14] В качестве планарной антенны мы выбрали эквиугольную самокомплементарную спиральную антенну, которая относится к так называемым частотно-независимым антеннам Ее характеристики (диаграмма направленности, эффективность, поляризация) играют существенную роль при разработке приемников Теоретически планарная спиральная антенна имеет круговую поляризацию в широком диапазоне частот Однако экспериментальное исследование показало, что поляризация смесителей на горячих электронах, интегрированных в планарную спиральную антенну, является эллиптической с коэффициентом сжатия (отношение длин большой оси к малой оси) 1 5 и 3 на частотах 1 4 и 2 5 ТГц, соответственно, лишь в единственной работе [15].

Сверхпроводящие смесители на горячих электронах теоретически не имеют частотных ограничений по механизму смешения Энергетическая щель в сверхпроводящей пленке в резистивном состоянии сильно подавлена и число квазичастиц велико, поэтому поглощение излучения осуществляется почти так же, как если бы пленка находилась в нормальном состоянии Однако в работе [16] экспериментально показано, что шумовая температура NbN смесителей на горячих электронах медленно увеличивается с ростом частоты в субмиллиметровом диапазоне. Необходимо проводить дальнейшее исследование механизма преобразования, частотной зависимости импеданса НЕВ смесителей и рассогласования с планарной спиральной антенной

В настоящее время большинство исследований 1ЧЬК смесителей на горячих электронах проведено при помощи гелиевых криостатов, обладающих высокой температурной стабильностью Однако использование криостатов ограничивает применение сверхпроводящих приемников в высокогорных районах из-за транспортировки жидкого гелия [17] Более того, подготовка криостата к заливке и сам процесс заливки требует больших временных затрат, а также определенной квалификации и осторожности от персонала при работе с жидкими хладагентами Еще одним недостатком при использовании жидкого гелия является ограниченное время работы Испарение жидкого гелия в криостатах, используемых в лабораторных условиях, происходит в течение 5-6 часов Увеличение гелиевых объемов в таких криостатах приводит к значительному увеличению габаритных размеров, что делает невозможным их применение в высокогорных обсерваториях, а также на телескопах воздушного и космического базировании Также следует отметить, что криогенные установки,

работающие на жидких хладагентах, обладают взрывоопасностью, что ставит под угрозу работу обеспечивающего персонала Эта проблема может быть решена при использовании непрерывно работающей машины замкнутого цикла, поэтому в рамках диссертационной работы проводилось исследование смесителей на горячих электронах, охлаждаемых машиной замкнутого цикла, и изучалась их стабильность

Целью настоящей диссертационной работы является исследование субмиллиметровых гетеродинных приемников, таких как Nb СИС и NbN НЕВ смесители, которые для СИС смесителей сочетали бы высокую чувствительность и эффективное согласование со смесительным блоком в широком диапазоне частот, а для NbN НЕВ смесителей имели бы рекордно низкую шумовую температуру и малую мощность гетеродина

Объектом исследования являлись волноводные СИС смесители на основе туннельных переходов Nb/A10x/Nb и квазиоптические смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN толщиной 3 5 нм на кремниевой подложке

Научная новизна результатов, полученных в диссертационном исследовании, заключается в следующем

1 Впервые исследован импеданс волноводного смесительного блока в диапазоне частот 0 6-0 72 ТГц посредством компьютерного программного пакета High Frequency Structure Simulator (HFSS) по трехмерному моделированию электромагнитного поля и экспериментально измерен его импеданс по оригинальной методике трех калибровочных нагрузок при использовании масштабированного макета,

2 Исследованы волноводные СИС смесители на основе двух параллельно присоединенных сверхпроводниковых туннельных переходов Nb/A10x/Nb вблизи энергетической щели сверхпроводника Nb на частотах 0 6-0.7 ТГц и проведено измерение отклика данного СИС смесителя в детекторном режиме на Фурье-спектрометре,в диапазоне 0 4-0 8 ТГц

3 Впервые проведено исследование в машине замкнутого цикла шумовой температуры и стабильности выходной мощности шумового сигнала ПЧ NbN смесителей на горячих электронах на частотах 0 5 и 0 85 ТГц

4 Проведено исследование квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах при использовании генератора Ганна с диодными умножителями частоты на частоте 0 5 ТГц, и их характеристики сравнимы с измеренными с помощью лампы обратной волны в качестве гетеродина

5 Впервые исследована поляризация планарной спиральной антенны №>Ы смесителей на горячих электронах на частоте гетеродина 0 5 ТГц по оригинальной методике измерения шумовой температуры в зависимости от угла решетки, расположенной в сигнальном тракте

На защиту выносятся следующие положения:

1 Вычислен импеданс волноводного СИС смесительного блока для подложки с диэлектрической проницаемостью 4 45 Его величина составляет около 35 Ом в диапазоне частот 0 6-0 72 ТГц и определяется толщиной подложки и расстоянием от плоскости подложки до короткозамыкающеш поршня, и практически не зависит от положения СИС перехода внутри волновода смесительного блока

2 Измеренное значение импеданса волноводного смесительного блока составляет 50-60 Ом в диапазоне частот 0 6-0 72 ТГц, что хорошо согласуется с расчетными значениями 45-55 Ом для подложки с диэлектрической проницаемостью 3 5

3 Волноводные СИС смесители на основе двух параллельно присоединенных туннельных переходов имеют шумовую температуру менее 200 К в диапазоне частот 0 63-0 66 ТГц, при этом наименьшая шумовая температура составляет 181 К на частоте гетеродина 0 656 ТГц Полученные значения шумовой температуры в частотном диапазоне 0 6-0 7 ТГц хорошо согласуются с частотной зависимостью отклика СИС приемника в детекторном режиме, полученной с помощью Фурье-спектрометра

4 Квазиоптические смесители на горячих электронах из пленки М^ толщиной 3 5 нм на кремниевой подложке, охлаждаемые в машине замкнутого цикла до температуры 4 К, имеют двухполосную шумовую температуру 900 К на 0 5 ТГц, и 1350 К на 0 85 ТГц

5 Шумовая температура квазиоптических смесителей на горячих электронах медленно увеличивается с ростом частоты из-за рассогласования №>Ы смесителей с планарной спиральной антенной в результате неоднородного распределения высокочастотного тока в чувствительном элементе

6 Поляризация планарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 1 2 для смесителя размером 4 0 мкм х 0 32 мкм и 1 28 для смесителя размером 1 8 мкм х 0 15 мкм на частоте гетеродина 0 5 ТГц, и не зависит от рабочей точки, направления электрического поля линейно поляризованного излучения гетеродина, и

толщины делительной пластины Практическая значимость работы подтверждена применением исследуемых волноводных СИС смесителей и квазиоптических смесителей на горячих электронах субмиллиметрового диапазона в ряде международных проектов, ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (SMA, ALMA, APEX, HERSHEL, SOFIA), так и на исследование атмосферы Земли (BSMILES, TELIS)

Апробация работы:

Результаты работы были доложены на следующих научных конференциях 12, 13, 16 и 17-ом международном симпозиуме по космическим терагерцовым технологиям (США, 2001 и 2002, Швеция, 2005, и Франция, 2006), Международной конференции по прикладной сверхпроводимости (США, 2004 и 2006), 16-ой международной крымской конференции СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии (Украина, 2006), 1st and 3rd International Symposium on Ultra-fast Phenomena & Terahertz Wave (China, 2002 и 2006) Публикации:

Результаты проведённых исследований изложены в 12 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и литературы Объем работы составляет 159 страниц, включая 48 рисунков и 5 таблиц Основное содержание работы:

Во введении обосновывается актуальность, раскрывается научная новизна и цели диссертационного исследования

Глава 1 Обзор литературы и постановка задачи

В §1 1 проведен обзор по полупроводниковым смесителям на основе диодов с барьером Шоттки В §1.2 проведен обзор теоретических работ смесителей на основе туннельных переходов сверхпроводник - изолятор -сверхпроводник Обсуждаются электрофизические свойства и параметры СИС переходов Согласно квантовой теории туннелирования с участием фотонов СИС смесители имеют уникальные характеристики возможность преобразования частоты вниз с усилением, и чрезвычайно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу Эффективность преобразования достигает максимума при согласованиях по входу и выходу Для компенсации влияния собственной емкости СИС перехода используется настроечный элемент с индуктивностью из передающей линии Приведены лучшие

характеристики СИС смесителей на сегодняшний день

§1.3 посвящсн обзору теоретических работ по смесителям на горячих электронах с фононным каналом охлаждения Описана двухтемпературная модель электронного разогрева в сверхпроводниковых пленках, осажденных на диэлектрическую подложку В рамках этой модели частотная зависимость сигнала на промежуточной частоте определяется основным соотношением времен релаксации те!С и те.р/, Приводятся основные положения модели «нормального домена» Чувствительность смесителя на горячих электронах ограничивается его собственными шумами шум Джонсона и термодинамический шум Показано, что для смесителя на горячих электронах с фононным каналом охлаждения шумовая полоса шире, чем полоса преобразования Приведены лучшие характеристики смесителей, полученные на момент начала диссертационного исследования

§1 4 посвящен теоретическому анализу схем согласования волноводных СИС смесителей и квазиоптических смесителей на горячих электронах с высокочастотным излучением В §15 обосновывается выбор объекта исследования и формулируется задача диссертационной работы

Глава 2 Методики исследования характеристик СИС и НЕВ приемников

Данная глава посвящена описанию методик исследования характеристик волноводных смесителей на основе СИС переходов №>/А10х/1ЧЬ и квазиоптических смесителей на горячих электронах из тонких пленок толщиной 3 5 нм В §2 1 описана методика моделирования волноводного СИС смесительного блока посредством программного пакета ГО^Б §2 2 посвящен методике измерения импеданса волноводного СИС смесительного блока по оригинальной методике трех калибровочных нагрузок с использованием масштабированного макета В §2 3 описана установка для исследования шумовых характеристик волноводных СИС смесителей в диапазоне 0 6-0 7 ТГц и квазиоптических ЫЬЫ смесителей на горячих электронах на частотах 0 5, 0 76, 0 85, 1 6, 2 5 и 3 8 ТГц В §2 4 приведена методика исследования поляризации планарной спиральной антенны ЫЪЫ смесителей на горячих электронах на частоте гетеродина 0 5 ТГц Глава 3 Характеристики волноводных N5 СИС смесителей Данная глава посвящена результатам расчета и измерения импеданса волноводного СИС смесительного блока и шумовой температуры смесителей на основе СИС переходов в диапазоне частот 0 6-0 7 ТГц

В §3 1 приведены результаты расчетов импеданса волноводного СИС смесительного блока и влияние геометрических параметров на его импеданс

в диапазоне частот 0 6-0 72 ТГц для подложки с диэлектрической проницаемостью 4 45 посредством программного пакета №88 Продемонстрировано, что при использовании сосредоточенного генератора вместо СИС перехода импеданс волноводного СИС смесительного блока составил около 35 Ом в этом диапазоне частот, который был согласован с СИС переходом Величина импеданса волноводного СИС смесительного блока определяется толщиной подложки и расстоянием от плоскости подложки структуры до короткозамыкающего поршня, и практически не зависит от положения СИС перехода внутри волновода смесительного блока

§3 2 посвящен экспериментальному исследованию импеданса волноводного СИС смесительного блока для подложки с диэлектрической проницаемостью 3 5 по оригинальной методике трех калибровочных нагрузок с помощью масштабированного макета Учитывая масштабированную инвариантность уравнений Максвелла, пропорциональное увеличение геометрических размеров исследуемого смесительного блока в 100 раз позволяет проводить измерения его импеданса на пропорционально низких частотах 6 0-7 2 ГГц Измеренный импеданс данного смесительного блока составил 50-60 Ом в этом диапазоне частот с погрешностью меньше 7 Ом по сравнению с измеренным импедансом для различных нагрузочных резисторов, помещенных в месте СИС перехода Полученные результаты хорошо согласуются с расчетными значениями 45-55 Ом данного смесительного блока посредством программного пакета Ш^Б

В §3 3 представлены результаты измерения шумовой температуры волноводных СИС смесителей в диапазоне частот 0 6-0 7 ТГц СИС смесители состоят из двух параллельно соединенных туннельных переходов размером 1.2 мкм х 12 мкм, разделенных интегральной настроечной микрополосковой линией длиной 5 5 мкм с индуктивностью для компенсации собственной емкости переходов Измерения двухполосной шумовой температуры СИС смесителей проводились на промежуточной частоте в диапазоне 4-6 ГТц, и в качестве делителя луча использовалась решетка с диаметром проволоки 10 мкм и периодом 20 мкм из-за малой выходной мощности твердотельного источника гетеродина На рис.1 представлена зависимость шумовой температуры волноводных СИС смесителей от частоты гетеродина Как видно из рисунка, что значение шумовой температуры приемника заметно уменьшалось при угле решетки 10° между проволокой и горизонталью благодаря уменьшению оптических потерь по сравнению с 20 Полученные данные демонстрируют широкий рабочий диапазон частот шумовая температура менее 200 К в диапазоне 0 63-0 66 ТГц, также

рекордное значение шумовой температуры-181 К на частоте гетеродина 0 656 ТГц, что составляет 5 квантовых пределов (5И//кв)

Частота, ГТц

Рисунок 1 Зависимость двухполосной шумовой температуры волноводных СИС смесителей от частоты гетеродина в диапазоне частот 0 6-0 7 ТГц при угле решетки 20 градусов от горизонтали, а также шумовая температура СИ С смесителя Mixer В при угле решетки 10 градусов

Для исследования рабочего диапазона частот волноводного СИС смесителя было проведено измерение отклика именно этого смесителя в детекторном режиме на Фурье-спекгрометре в диапазоне 0 4-0 8 ТГц Полученная частотная зависимость отклика хорошо согласовывалась с результатами шумовой температуры при различных частотах гетеродина в диапазоне 0 6-07 ТГц

В §3 4 сформулированы основные выводы данной главы

Глава 4 Характеристики квазиоптических NbN НЕВ смесителей

Данная глава посвящена исследованию характеристик квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах, охлаждаемых как при помощи машины замкнутого цикла, так и гелиевого криостата на частотах гетеродина от 0 5 ТГц до 2 5 ТГц

В §41 рассматриваются влияние машины замкнутого цикла на вольтамперные характеристики и выходную мощность шумового сигнала ПЧ NbN смесителей на горячих электронах Вольтамперные характеристики NbN

смесителя на горячих электронах, охлаждаемого в машине замкнутого цикла и в гелиевом криостате выглядят одинаковыми при температуре 4.2 К При температуре, близкой к критической температуре NbN смесителя, при записи ВАХ с помощью графопостроителя величина тока изменяется с частотой 1 Гц, соответствующей движению поршня машины замкнутого цикла При достижении температуры 4 2 К изменение тока на ВАХ уменьшается NbN смесители на горячих электронах могут работать вне нестабильной области на ВАХ или при использовании машины замкнутого цикла с температурным стабилизатором, уменьшающим колебание до 0 01 К

Флуктуация выходной мощности шумового сигнала ПЧ NbN смесителя на горячих электронах составляет менее 1% из-за нестабильности температуры машины замкнутого цикла Получаемая ступенька в зависимости выходной мощности шумового сигнала ПЧ от времени при размещении теплой и холодной нагрузок в оптимальной по шумовой температуре рабочей точке продемонстрировала достаточно хорошую стабильность NbN смесителя, удовлетворяющую требованиям радиоастрономических наблюдений

Таким образом, использование машины замкнутого цикла для охлаждения NbN смесителя на горячих электронах выглядит весьма привлекательным, особенно при длительных радиоастрономических наблюдениях в высокогорных районах

В §4 2 представлены результаты измерения шумовой температуры квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах, охлаждаемых в машине замкнутого цикла, на частотах гетеродина 0 5 и 0 85 ТГц

На рисунке 2 представлены вольтамперные характеристики NbN смесителя с размером чувствительного элемента 1 8 мкм х 0 15 мкм при различных уровнях мощности гетеродина на частоте 0 5 ТГц На этом же рисунке показана экспериментальная зависимость шумовой температуры приемника от положения рабочей точки Оптимальная чувствительность достигается при значении напряжения смещения 0 6-0 8 мВ и токе смещения 22-27 мкА. Была также измерена шумовая температура данного смесителя на частоте гетеродина 0 85 ТГц Лучшие значения шумовой температуры приемника составили 900 К на частоте 0 5 ТГц, и 1350 К на частое 0 85 ТГц

Шумовая температура приемника определяется не только потерями внутри NbN смесителя на горячих электронах но и потерями в квазиоптических компонентах Большая часть потерь в квазиоптических компонентах приходится на кремниевую линзу, их можно уменьшить

посредством использования просветляющего покрытия Собственная шумовая температура смесителя на горячих электронах с учетом вклада, вносимого квазиоптическими компонентами составила 413 К и 529 К на частотах 0.5 ТГц и 0 85 ТГц, соответственно

Напряжение, мВ

Рисунок 2 Вольтамперные характеристики смесителя при ризничном уровне мощности излучения гетеродина на частоте 0 5 ТГц и зависимость измеренной шумовой температуры приемника от положения рабочей точки

§4 3 посвящен исследованию зависимости шумовой температуры МДО смесителей на горячих электронах с размером чувствительного элемента 4 мкм х 0.32 мкм от частоты гетеродина в диапазоне частот 0 5-2 5 ТГц На частотах 0 5 ТГц и 0 85 ТГц измерялась шумовая температура гетеродинного приемника на основе смесителя, охлаждаемого в машине замкнутого цикла В качестве гетеродинного источника использовался генератор на диоде Ганна с диодными умножителями частоты (0.5 ТГц) и лампа обратной волны (0 85 ТГц), соответственно На других частотах (0.76, 1 6 и 2 5 ТГц) проводились измерения шумовых характеристик данного ММ смесителя, охлаждаемого в гелиевом криостате, а в качестве гетеродина использовался газовый лазер с оптической накачкой На рис 3 представлена зависимость шумовой температуры МэИ смесителя с размером чувствительного элемента 4 0 мкм х 0 32 мкм от частоты гетеродина в диапазоне 0 5-25 ТГц Значения шумовой температуры КЬИ смесителя составили 800 К на 0 5 ТГц, 1200 К на

О 76 ТГц, 1100 К на 0 85 ТГц, 2000 К на частотах 1 6 и 2 5 ТГц На основании полученных результатов, можно заключить, что значения шумовой температуры для ЫЬЫ смесителя, охлаждаемого при помощи машины замкнутого цикла, близки к значениям шумовой температуры для того же смесителя, охлаждаемого в гелиевом криостате

Отметим, что для обеспечения оптимальной мощности гетеродина от используемых источников использовались входное окно и делитель луча из майлара с различной толщиной, от которой зависит коэффициент пропускания сигнала Посредством устранения влияния потерь входного окна и делителя луча были скорректированы значения шумовой температуры, которые также приведены на рис 3 Видно из рисунка, что скорректированная шумовая температура медленно растет с частотой гетеродина Распределение высокочастотного тока по ширине чувствительного элемента является неоднородным из-за влияния скин-эффекта, и как следствие, ведет к увеличению импеданса чувствительного элемента с ростом частоты, что в свою очередь, приводит к рассогласованию с планарной спиральной антенной Как видно из рисунка 3, что вычисленные потери за счет рассогласования смесителя из-за неоднородного распределения

высокочастотного тока соответствуют экспериментально полученной шумовой температуре смесителя

Частота, ТГц

Рис 3 Шумовая температура смесителя в зависимости от частоты гетеродина и вычисленные потери на рассогласовании №>К смесителя с антенной в результате неоднородного распределения высокочастотного тока

В §4 4 представлены характеристики №>Ы НЕВ смесителей по постоянному току и их результаты шумовой температуры на частотах 2.5 и 3 8 ТГц при использовании сеточного фильтра для устранения влияния прямого детектирования

В таблице 1 приведена измеренная шумовая температура квазиоптических №>К смесителей, выполненных на кремниевой подложке, из различных партий на частоте гетеродина 2 5 ТГц Исследуемые нами смесители имели размеры в плане 1 5-2 4 мкм в ширину и 0 11 -0 23 мкм в длину для лучшего согласования с трактом высокой и промежуточной частоты Двухполосная шумовая температура Тг] ЫЬЫ смесителей составляла 3000-5000 К без сеточного фильтра, а при его использовании шумовая температура Тг2 понижается примерно на 70% от Тг] На основании полученных результатов из таблицы 1, можно заключить, что применение сеточного фильтра позволяет снизить влияние прямого детектирования, и уменьшить ошибку определения шумовой температуры с устранением влияния паразитного эффекта прямого детектирования, и как следствие улучшить двухполосную шумовую температуру приемника

Номер образца Аи Мкм2 Кзоо, Ом Ц4 2К), мкА Тс/ДТс, К Тг, Ъг т,2/тг1

967_2№10 нет 1 5x0 18 101 190 10 2/1 1 2900 2500 86%

9б7_2№14 нет 1 5x0 18 89 190 10 4/1 2 5500 4200 76%

967_2№15 нет 1 5x0 18 84 204 10 5/1 3 5000 3500 70%

891_2№13 есть 2 4x0 23 100 100 7 2/1 2 4400 3300 75%

992_2№6 есть 1 5x011 80 200 9 3/0 9 4200 2700 64%

992_2№8 есть 1 5x011 68 210 9 9/1 3 4000 3200 80%

Табл 1 Шумовая температура квазиоптических смесителей на частоте гетеродина 2 5 ТГц ^/-измеренная шумовая температура без сеточного фильтра, ^-измеренная шумовая температура при использовании сеточного фильтра

В §4 5 представлено исследование поляризации планарной спиральной антенны смесителей на горячих электронах и экспериментально

полученные результаты на частоте гетеродина 0 5 ТГц

На рис 4 представлена экспериментальная зависимость шумовой температуры приемника от угла решетки, расположенной в сигнальном тракте Периодическая повторяемость на угловой зависимости шумовой температуры приемника обусловлена тем, что при повороте решетки на угол 360 градусов, плоскость поляризации излучения черного тела совершает два оборота вокруг направления распространения излучения Как видно из

рисунка 4 зависимость шумовой температуры приемника от угла решетки хорошо описывается кривой с подгоночными параметрами угла большой оси р и коэффициента сжатия а Затем суммарный коэффициент согласования рассчитывается из полученных параметров /?и а

Экспериментально показано, что поляризация планарной спиральной антенны М>И смесителей на горячих электронах не зависит от рабочей точки, направления электрического вектора линейно поляризованного излучения гетеродина, и толщины делительной пластины Поляризация планарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 1 2 для смесителя с размером чувствительного элемента 4 О мкм х 0 32 мкм и 1 28 для смесителя с размером 1 8 мкм х 0 15 мкм Одной из причин, оказывающей заметное влияние на характеристики антенны, является наличие в спиральной антенне конструктивной особенности Переходный участок между двумя ветвями в центральной части спиральной антенны отличается от экспоненциально заданных ветвей Таким образом, переходный участок оказывает влияние на поляризацию планарной спиральной антенны Другая причина заключается в том, что размер чувствительного элемента смесителей на горячих электронах влияет на поляризацию из-за рассогласования смесителя со спиральной антенной при

Угол, градусов

Рис 4 Типичная шумовая температура приемника на основе смесителя на горячих электронах и вычисленный суммарный коэффициент согласования при наличии а и /?

наличии разницы по ширине между чувствительным элементом и ветвями спиральной антенны, что приводит к переходу тока с большой амплитудой от ветви на чувствительный элемент

В §4 6 сформулированы основные выводы данной главы В заключении сформулированы основные результаты работы диссертационного исследования

1 Для диапазона частот 0 6-0 72 ТГц разработан волноводный СИС смесительный блок с диэлектрической проницаемостью подложки 4 45, и исследованы как его импеданс, так и влияние на его величину положения СИС переходов внутри волновода смесительного блока, толщины подложки СИС смесителя и расстояния от плоскости подложки до короткозамывающего поршня Импеданс волноводного СИС смесительного блока составляет около 35 Ом в диапазоне частот 0 6-0 72 ТГц и определяется толщиной подложки и расстоянием от плоскости подложки до короткозамыкающего поршня, при этом слабо зависит от положения СИС перехода в пределах волновода

2 Проведено измерение импеданса волноводного СИС смесительного блока с диэлектрической проницаемостью подложки 3 5 по оригинальной методике трех калибровочных нагрузок с использованием масштабированного макета Иимпеданс волноводного смесительного блока составляет 50-60 Ом в диапазоне частот 0 6-0 72 ТГц и хорошо согласуется с расчетным результатом 45-55 Ом именно для данного смесительного блока

3 Создана экспериментальная установка для измерения двухполосной шумовой температуры волноводных СИС смесителей в диапазоне частот О 6-0 7 ТГц и квазиоптических М)И смесителей на горячих электронах с планарной спиральной антенной на частотах гетеродина 0 5, 0.76, 0.85,1 6, 2 5 ТГц

4 Проведено измерение шумовой температуры волноводных СИС смесителей на основе двух параллельно соединенных туннельных переходов МЬ/А10х/№> В диапазоне частот 0.63-0 66 ТГц значение измеренной шумовой температуры составило менее 200 К, при этом наименьшая шумовая температура составила 181 К на частоте гетеродина 0 656 ТГц Полученные значения шумовой температуры в частотном диапазоне 0 6-0 7 ТГц хорошо согласуются с частотной зависимостью отклика СИС приемника в детекторном режиме, полученной с помощью Фурье-спектрометра

5 Проведено исследование шумовой температуры квазиоптических ЫЪЫ

смесителей на горячих электронах из пленки NbN толщиной 3 5 нм на кремниевой подложке на частотах 0 5 и 0 85 ТГц, охлаждаемых в машине замкнутого цикла Лучшая двухполосная шумовая температура приемника составила 900 К на 0 5 ТГц, и 1350 К на 0 85 ТГц

6 Исследована зависимость шумовой температуры квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах от частоты гетеродина в диапазоне 0 5-2.5 ТГц Шумовая температура приемника увеличивается с ростом частоты из-за рассогласования NbN смесителей с планарной спиральной антенной в результате неоднородного распределения высокочастотного тока в чувствительном элементе

7 Исследован эффект прямого детектирования квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах с малым объемом чувствительного элемента на частоте гетеродина 2 5 ТГц Ошибка при измерении шумовой температуры приемника снижается при использовании сеточного фильтра из-за уменьшения влияния приямого детектирования

8 Исследована поляризация планарной спиральной антенны квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах на частоте гетеродина 0 5 ТГц Поляризация планарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 1.2 для смесителя с размером 4 0 мкм х 0 32 мкм и 1 28 для смесителя с размером 1 8 мкм х 0 15 мкм, и не зависит от рабочих точек, направления электрического поля линейно поляризованного излучения гетеродина и толщины делительнои пластины

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. W. Zhang. C.-Y. Edward Tong, S.C. Shi Scaled model measurement of the embedding impedance of a 660-GHz waveguide SIS mixer with a 3-standard deembedding method //IEEE transactions, V.13, N.9, P.376-378, 0.1875 пл., 2003, (авторских 50%).

2. L. Jiang, J. Li, W. Zhang. Q. J. Yao, Z. L. Lin, S. C. Shi, Y. B. Vachtomin, S. V. Antipav, S. /, Svechnikov, В. M. Voronav and G. N. Goltsman Characterization of NbN HEB mixers cooled by a close-cycled 4-K refrigerator //IEEE transactions, V. 15, N.2, P. 511-513, 0.1875 пл., 2005, (авторских 15%).

3 SC Shi, С С Chin and W Zhanz Characterization of Nb-based superconducting microstrip lines around the gap frequency //International journal of infrared and millimetre waves, V 21, N 12, P.2007-2013, 0 435 п л , 2000, (авторских 30%).

4 S С Shi, С С Chin, MJ Wang, WL Shan, W Zhang, and T Noguchi Development of a 600-720 GHz SIS mixer for the SMART //in Proceedings of 12th Int Symp on Space THz Tech, San Diego, USA, P 215-222, 0 5 пл, 2001, (авторских 20%)

5. С С Chin, MJ Wang, W.L Shah, W Zhanv. HW Cheng, SC. Shi, and T. Noguchi A fixed tuned low noise 600-700 GHz SIS receiver //International journal of infrared and millimetre waves, V. 23, N.5, P.731-744, 0 875 пл., 2002 (авторских 15%)

6 W Zhang. W.L Shan, SC Shi Investigation of embedding impedance characteristic for a 660-GHz waveguide SIS mixer //Journal of infrared and millimeter waves, V 21,N. 6, P 465-468,0 25 п л„ 2002, (авторских 50%)

7 MJ Wang, С С Chin, WL Shan, W. Zhans. H W. Cheng, T. Noguchi, S С Shi Performance characterization of a 600-700 GHz SIS mixer /ha Proceedings of 13th int Symp on Space THz Tech, P.445-453, 0 5 п.л., 2002, (авторских 10%).

8 W Zhcrne. L Jiang, ZH Lin, QJ Yao, J Li, S С Shi, SI Svechmkov, Yu В Vachtomin, SV Antipov, BM Voronov, NS Kaurova, and GN Gol'tsman Development of a quasi-optical NbN superconducting HEB mixer // Proceedings of 16th int. Symp on Space THz Tech, P.209-213, 0.25 п л, 2005, (авторских 20%)

9 L Jiang, W Miao, W Zhans. N Li, ZH Lm, QJ Yao, SC Shi, S J Svechmkov, YB Vakhtomm, S V Antipov, В Voronov, N S Kaurova and G N Goltsman Characterization of a quasi-optical NbN superconducting HEB mixer //IEEE transactions on microwave theory and techniques. V. 54, N7, P 2944-2948, 0.25 п.л , 2006, (авторских 20%)

10 L Jiang, W Miao, W Zhans. N Li, ZH Lm, QJ Yao, SC Shi, S I Svechmkov, YB Vakhtomin, S V Antipov, В M Voronov, NS Kaurova, and GN Gol'tsman Characterization of quasi-optical NbN phonon-cooled superconducting HEB mixers //in Proceedings of 17th Int. Symp on Space THz Tech, 2006,0 25 п л , (авторских 15%)

ЛЮБ Вахтамин, С.В Антипое, С Н Масленников, KB Смирнов, С Л Поляков, В Чжан. СИ Свечников, НС Каурова, ЕВ Гришина, БМ Воронов и ГН. Галырнан Квазиоптические смесители терагерцового диапазона на эффекте разогрева электронов в тонких пленках NbN //16-я международная крымская конференция «СВЧ- техника и телекоммуникационные технологии» Материалы конференции, Севастополь, Украина, 11-15 сентября, 2006, Т2, С 688-689, 0 125 пл, (авторских 10%)

12 L Jiang, W Zhang. N Li, Z H Lin, Q J Yao, W Miao, S С Shi, S I Svechnikav, Y В Vakhtomin, S V Antipov, В M Voronov, and G N Gol'tsman Characterization of the Performance of a Quasi-Optical NbN Superconducting HEB Mixer // accepted by IEEE trans on applied superconductivity, 0 25 п л., (авторских 20%)

Литература

1 TG Phillips and J Keene Submillimeter astronomy //Proc IEEE, vol 80, no 11, pp 1662-1678, 1992

2 P H Siegel Terahertz technology //IEEE Trans. MTT, vol 50, no 3, March 2002, pp 910-928

3. S Paine, R Blundell, DC Papa et al A founer transform spectrometer for measurement of atmospheric transmission at submillimeter wavelengths //Publication of the astronomical society of the pacific, 112 108-118,2000

4 R Blundell, J Barrett, H Gibson et al Prospects for terahertz radio astronomy from northern chile //Proc Of 13 Int Symp On Space Terahertz technology, Cambridge, MA, pp 159-166, 2002

5 TW Crowe, RJ Mattauch, HP Roser et al GaAs Schottky diodes for THz mixing applications //Proc IEEE, vol 80, no 11, Nov pp. 1827-1841, 1992

6 PL Richards, TM Shen, RE Harris, FL Lloyd Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions //Appl Phys Lett, vol. 34, pp345-347, 1979

7 JR Tucker Quantum limited detection in tunnel junction mixers //IEEE J Quantum Electron, vol 15, no 11, pp 1234-1258,1979

8 A Skalare Determining embedding circuit parameters from dc measurements on quasiparticle mixers //Int J of IR and MM waves, vol 10, pp 1339-1353, 1989

9 A V Raisanen, WR McGrath, D G Crete, and PL Richards Scaled model measurements of embedding impedances for waveguide SIS mixers //Int J of Infrared and Millimeter Waves, vol 6,pp 1169-1189,1985

10 J Zmuidzmas, HG Leduc, J A Stern, SR Cypher Two-junction tuning circuits for submillimeter SIS mixers //IEEE Trans Microwave Theory and Tech , vol 42, no. 4, pp 698-706, 1994

11 J Zmuidzmas, and PL Richards Superconducting detectors and mixers for millimetre and submillimeter astrophysics IIProc IEEE, vol 92, no 10, pp 1597-1616, 2004

12 MГершензон, ГНГольцмаи, ИГГогидзе и dp Смеситель миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн на основе разогрева электронов в резистивном состоянии сверхпроводниковых пленок //СФХТ, 3, N10

(nacTb I), crp 2143-2160, 1990

13. J J A Baselmans, M Hajemus, JR Gao et al Doubling of sensitivity and bandwidth in phonon cooled hot electron bolometer mixers //Applied Physics Letters, vol 84, no 11, pp 1958-1960,2004

14 AD Semenov, H-W Huebers, J Schubert et al Frequency dependence noise temperature of the lattice cooled hot-electron terahertz mixer //Proceedings of the 11th Int Symp on Space Terahertz Technology, Ann Arbor, MI, pp 39-48, 2000

15 P Yagoubov, W-J Vreelmg, and P de Korte Characterization of an integrated lens antenna at terahertz frequencies //Proceedings of 12th International Symposium on Space Terahertz Technology, San Diego, pp 193-204, 2001

16 A D Semenov, H-W Hubers, J Schubert, et al Design and performance of the lattice-cooled hot-electron terahertz mixer //Journal of applied physics, vol. 88, no 12, pp 6758-6767, 2000

17 DP Marrone, R Blundell, E Tong et al Observations in the 1 3 and 1 5 THz atmospheric windows with the receiver lab telescope //16th International Symposium on space terahertz technology, 2-4 May, 2005, pp 64-67

Подл к печ 09 03 2007 Объем 1.5 п л Заказ № 60 Тир 100 экз

Типография МПГУ

Введение.

Глава I. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1. Полупроводниковые смесители на основе диодов с барьером Шоттки.

1.2. Смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник - изолятор -сверхпроводник.

1.3. Смесители на электронном разогреве с фононным каналом охлаждения.

1.4. Схемы согласования с высокочастотным излучением для волноводных СИС смесителей и квазиоптических НЕВ смесителей.

1.5. Выбор объекта исследования и постановка задачи.

Глава II. Методики исследования характеристик СИС и НЕВ приемников.

2.1. Методика моделирования волноводного СИС смесительного блока посредством программного пакета HFSS.

2.2 Методика измерения импеданса волноводного СИС смесительного блока с использованием масштабированного макета.

2.3. Экспериментальная установка для измерения шумовой температуры СИС и НЕВ приёмников.

2.4. Методика исследования поляризации планарной спиральной антенны NbN НЕВ смесителей.

Глава III. Характеристики волноводных Nb СИС смесителей.

3.1. Моделирование волноводного СИС смесительного блока посредством программного пакета HFSS.

3.2. Исследование импеданса волноводного СИС смесительного блока с использованием масштабированного макета.

3.3 Характеристики волноводных Nb СИС смесителей в диапазоне частот 0.6-0.7 ТГц.

3.4 Выводы.

Глава IV. Характеристики квазиоптических NbN НЕВ смесителей.

4.1 ВАХ и выходная мощность шумового сигнала ПЧ NbN НЕВ смесителей, охлаждаемых в машине замкутого цикла

4.2 Шумовая температура квазиоптических NbN НЕВ смесителей на частотах 0.5 и 0.85 ТГц, охлаждаемых в машине замкнутого цикла.

4.3 Шумовая температура квазиоптических NbN НЕВ смесителей в зависимости от частоты гетеродина в диапазоне 0.5-2.5 ТГц.

4.4 Характеристики NbN НЕВ смесителей по постоянному току и улучшение шумовой температуры при помощи сеточного фильтра.

4.5 Поляризация планарной спиральной антенны NbN НЕВ смесителей на частоте гетеродина 0.5 ТГц.

4.6 Выводы.

Освоение субмиллиметрового и терагерцовош частотных диапазонов относится к наиболее актуальным задачам технических нововведений. Причины этого обусловлены как практическими задачами современной наноэлектроники, радиосвязи, экологии, медицины, так и фундаментальными научными проблемами биологии, химии, физики конденсированных сред, астрофизики. По мере развития области терагерцовых технологий появилась возможность проводить астрономические измерения в терагерцовом диапазоне, где излучение Вселенной включает в себя около 40 тысяч отдельных спектральных линий элементов и молекул, при этом провести наблюдения удалось только нескольких тысяч линий [1]. Характерные спектральные линии элементов и молекул, таких как С+ (1.9 ТГц), могут дать исчерпывающую информацию об областях формирования звезд. Причем в этом частотном диапазоне вращательные переходы молекул некоторых газов, находящихся в атмосфере и верхней тропосфере Земли, таких как вода, кислород, хлор, соединения азота могут служить для мониторинга целостности и причин разрушения озонового слоя, глобального потепления и загрязнения атмосферы [2].

Проведение радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли затруднено сильным поглощением терагерцового излучения в атмосфере парами воды [1]. Для проведения исследований с поверхности Земли на частотах выше 1 ТГц возможно использовать только так называемые окна прозрачности с относительно высоким коэффициентом пропускания [3]. На сегодняшний день только начинается освоение окон прозрачности около 1.03, 1.35 и 1.5 ТГц, коэффициент пропускания атмосферы в которых не больше 40 %, например, в высокогорных областях Чили [4]. Условия проведения наблюдений вынуждают создавать радиообсерватории в труднодоступных высокогорных районах (SMA [5], ALMA [6], APEX [7]) или с базированием на самолете (SOFIA [8]), воздушном шаре (BSMILES [9], TELIS [10]) или 4 искусственном спутнике (HERSHEL [11]).

Прогресс в разработке и создании приемных элементов для терагерцового диапазона происходит быстрее, чем в других областях субмиллиметровых технологий (разработка гетеродинов). Интерес представляют не только рекордные параметры приборов, но и фундаментальные исследования природы физических процессов в используемых материалах. Применение тех или иных приемников зависит непосредственно от поставленных задач.

На частотах ниже 100 ГТц чувствительность приемников излучения не является критическим параметром отбора, потому что принимаемое электромагнитное излучение можно предварительно усилить при помощи малошумящих полупроводниковых усилителей [12]. На более высоких частотах предварительное усиление сопряжено со значительными трудностями, поэтому чувствительность становится решающим критерием отбора приемников.

Для повышения чувствительности часто используется гетеродинный приемник с высоким разрешением. Одним из основных элементов такого приемника является нелинейный элемент, который смешивает сигнальное излучение малой мощности, улавливаемое антенной, с излучением большой мощности на близкой частоте, подаваемым на смеситель от местного генератора (гетеродина). На выходе смесителя образуется сигнал на разностной частоте, который после усиления малошумящим усилителем регистрируется акустическо-оптическим спектрометром.

До последнего времени в терагерцовом диапазоне в качестве приемного элемента использовались диоды с барьером Шоттки, работающие в широком диапазоне температур [13]. Однако существенным недостатком смесителей на диоде Шоттки является большая требуемая мощность гетеродина (порядка нескольких милливатт), что трудно достижимо в коротковолновой части субММ диапазона из-за отсутствия достаточно мощных перестраиваемых твердотельных источников излучения.

Значительный прогресс был достигнут с разработкой малошумящих смесителей на основе туннельных переходов "сверхпроводник - изолятор -сверхпроводник" (СИС) [14]. Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу, с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малую мощность гетеродина.

СИС переход представляет собой «сэндвич» из сверхпроводниковых пленок, разделенных пленкой диэлектрика толщиной 1-2 нм, через которую могут туннелировать как нормальные электроны - эффект Живера [15], так и сверхпроводящие куперовские пары - эффект Джозефсона [16]. Эффект Живера основан на нелинейности тока квазичастиц, связанной с квантовым эффектом стимулированного туннелирования нормальных электронов под действием фотонов СВЧ. А эффект Джозефсона в СИС переходах проявляется в виде наличия сверхпроводящего тока, создающего избыточный шум, понижающий чувствительность СИС смесителя, поэтому эффект Джозефсона всегда подавляется с помощью магнитного поля [17].

В 1979 году Такер развил квантовую теорию туннелирования СИС смесителей, которая предсказала их уникальные характеристики: возможность преобразования частоты вниз с усилением и низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу [18]. По данной теории эффективность преобразования определяется импедансом смесительного блока Gs, входной и выходной проводимостями СИС перехода Gmm и GLo, и проводимостью тракта промежуточной частоты (ПЧ) GL [19]. Очевидно, что эффективность преобразования достигает максимума при согласованиях по выходу (Glo=Gl) и входу (GOJOj=Gs), что приводит к необходимости определения импеданса смесительного блока с помощью вычислительного метода или экспериментального масштабированного макета.

Расчет импеданса волноводного смесительного блока был проведен с помощью вольтамперных характеристик СИС смесителей под действием мощности гетеродина и без него [20] посредством решения нелинейного уравнения. Однако решение нелинейного уравнения является трудоемкой вычислительной задачей. К тому же точность этого решения связана с параметрами СИС перехода, которые трудно контролировать с высокой точностью в процессе изготовления. При конструировании СИС смесителей также используется метод масштабирования, позволяющего непосредственно измерить импеданс смесительного блока. При этом на место подключения СИС перехода припаивается коаксиальный кабель, по которому подается испытательный сигнал от анализатора цепей. Моделирование позволяет оптимизировать конфигурацию настроечных элементов, положение подложки и др. [21]. Однако электромагнитное поле искажается за счет наличия коаксиального кабеля и исследуемого зонда. В диссертационной работе смесительный блок конструировался по параметрам, рассчитанным с помощью современной дорогостоящей компьютерной программы по трехмерному моделированию электромагнитного поля.

Экспериментальное исследование импеданса смесительного блока проводилось в масштабированном макете с использованием трех калиброванных нагрузок, расположенных в месте СИС перехода. Данная методика позволяла экспериментально измерить импеданс смесительного блока без возмущения электромагнитного поля вблизи СИС смесителя.

Одним из существенных недостатков СИС переходов является параллельно соединенная собственная емкость изолирующего слоя Су, шунтирующая полезный сигнал (СВЧ ток квазичастиц). Это приводит к необходимости конструировать СИС смесители так, чтобы ток полезного сигнала, подводимый к СИС переходу, не шунтировался через его собственную емкость Су, а полностью преобразовывался в ток квазичастиц. Эффективный способ снижения влияния собственной емкости Су СИС перехода заключается в использовании интегральных настроечных элементов с индуктивным импедансом [22]. Практически используют параллельно соединенные распределенные структуры на основе микрополосковых линий, 7 которые эквивалентны цепи, состоящей из индуктивности и блокирующего конденсатора, вызывающего трудность при изготовлении СИС смесителей [23]. В [24] показано что, последовательно соединенная передающая линия тоже может использоваться в качестве настроечного элемента. Однако использование такой схемы дает низкое значение импеданса и подразумевает применение дополнительного повышающего трансформатора. В рамках диссертационного исследования предложенная нами структура на основе двух параллельно присоединенных переходов - называемая в научной литературе parallel connected twin junctions (PCTJ), разделенных микрополосковой линией, компенсирующей влияние собственной емкости без конденсатора, имеет сравнительно широкий диапазон частот и облегчает требования к технологии изготовления СИС смесителей.

СИС смесители, выполненные из сверхпроводника Nb, имеют шумовую температуру, которая лишь в 3 раз превышает квантовый предел в диапазоне частот 0.1-0.6 ТГц [25]. По мере приближения рабочей частоты СИС смесителей к частоте 0.66 ТГц для Nb, соответствующей сверхпроводящей щели, проявляются значительные потери в цепях настройки, так как энергии фотонов достаточно для разрушения сверхпроводящих куперовских пар, что приводит к потери части сигнала в интегральных настроечных элементах. К началу диссертационного исследования несколько групп испытали конструкции СИС смесителей в частотном диапазоне 0.6-0.7 ТГц, шумовая температура которых лишь в 5 раз превышала квантовый предел при использовании сосредоточенного СИС перехода с трансформатором импеданса из микрополосковой линии [26] или распределенного длинного СИС перехода [27].

При дальнейшем возрастании частоты (>1.2 ТГц) наблюдается увеличение внутренних потерь и шумовая температура становится выше, чем у сверхпроводниковых смесителей другого типа - смесителей на эффекте электронного разогрева.

Смесители на эффекте разогрева электронов в тонких сверхпроводящих пленках [28], называемые в научной литературе hot-electron bolometer (НЕВ), обладают хорошей чувствительностью наряду с достаточно широкой полосой частот преобразования, а также требуют малой мощности гетеродина при субмикронных размерах чувствительного элемента. Этот сравнительно новый класс приборов появился в результате проведенных исследований энергетической релаксации электронов в разупорядоченных металлах и сверхпроводниках [29, 30]. Данные исследования показали, что эффект электронного разогрева реализуется в сверхпроводниковой плёнке, находящейся в резистивном состоянии под воздействием электромагнитного излучения. Если размер пленки много больше длины свободного пробега электрона, а время электрон-фононного взаимодействия те.ри больше времени электрон-электронного взаимодействия те.е, то при воздействии излучения на пленку, энергетическое распределение электронов соответствует распределению Ферми с эффективной электронной температурой в, выше равновесного значения для пленки. Энергия от «разогретых» электронов передается фононам с характерным временем те.рь причем неравновесные фононы будут выходить из пленки в подложку за время zesc. Описанный канал охлаждения электронной подсистемы называется фононным. Фононы играют роль термостата и тем более эффективно, чем больше фононная удельная теплоемкость по сравнению с электронной удельной теплоемкостью (с/се). Тогда полоса ПЧ смесителей с фононным каналом охлаждения определяется взаимным соотношением с/се, времен resc и тери. Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей, изготовленных на основе пленки NbN толщиной 3.5 нм, осажденной на подложку Si, достигает 5-6 ГГц [31, 32], что в основном удовлетворяет требованиям радиоастрономических наблюдений.

В лабораторных условиях возможно применение крупногабаритного оборудования или источников с большим энергопотреблением, таких как лазеры далекого инфракрасного диапазона или лампы обратной волны. Однако применение такого оборудования в реальных наблюдательных приемных системах затруднительно из-за высокого напряжения для питания JIOB, составляющего выше 3 кВ при токе 30-35 мА в терагерцовом диапазоне. Эти источники должны потреблять значительную мощность, которую весьма затруднительно реализовать в полетном варианте приемника на самолете или воздушном шаре и уж тем более на космическом корабле. Кроме того, работа со столь высоким напряжением опасна для жизни экспериментаторов.

Для полетной версии приемника одним из важных параметров является его масса. При использовании в качестве генераторов ЛОВ значительно возрастает масса приемника системы, поэтому в диссертационной работе проведены исследования смесителей на эффекте электронного разогрева с генераторами Ганна с умножителями частоты. Такие генераторы на два порядка легче по сравнению с ЛОВ. Напряжение питания для твердотельных источников не превышает 20 В.

Согласование смесителя на горячих электронах с принимаемым электромагнитным излучением реализуется использованием волноводной или квазиоптической схем. В первом случае подложка из тонкого кристаллического кварца со смесителем и ВЧ фильтрами располагается в короткозамкнутой волноводной секции со скалярной рупорной антенной [33]. В рамках данного исследования нас интересовали квазиоптические НЕВ смесители с фононным каналом охлаждения. В этом случае чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается в фокусе гипер-полусферической линзы, выполненной из высокоомного кремния [34]. В качестве планарной антенны мы выбрали эквиугольную самокомплементарную спиральную антенну, которая относится к так называемым частотно-независимым антеннам [35]. Её характеристики (диаграмма направленности, эффективность, поляризация) играют существенную роль при разработке приемников. Теоретически планарная спиральная антенна имеет круговую поляризацию в широком диапазоне частот. Однако экспериментальное исследование показало, что поляризация смесителей на горячих электронах, интегрированных в планарную спиральную антенну, является эллиптической с коэффициентом сжатия (отношение длин большой оси к малой оси) 1.5 и 3 на частотах 1.4 и 2.5 ТГц, соответственно, лишь в единственной работе [36].

Сверхпроводящие смесители на горячих электронах теоретически не имеют частотных ограничений по механизму смешения [37]. Энергетическая щель в сверхпроводящей пленке в резистивном состоянии сильно подавлена и число квазичастиц велико, поэтому поглощение излучения осуществляется почти так же, как если бы пленка находилась в нормальном состоянии. Однако в работе [38] экспериментально показано, что шумовая температура NbN смесителей на горячих электронах медленно увеличивается с ростом частоты в субмиллиметровом диапазоне. Необходимо проводить дальнейшее исследование механизма преобразования, частотной зависимости импеданса НЕВ смесителей, и рассогласования с планарной спиральной антенной.

В настоящее время большинство исследований NbN смесителей на горячих электронах проведено при помощи гелиевых криостатов, обладающих высокой температурной стабильностью. Однако использование криостатов ограничивает применение сверхпроводящих приемников в высокогорных районах из-за транспортировки жидкого гелия [39]. Более того, подготовка криостата к заливке и сам процесс заливки требует больших временных затрат, а также определенной квалификации и осторожности от персонала при работе с жидкими хладагентами. Ещё одним недостатком при использовании жидкого гелия является ограниченное время работы. Испарение жидкого гелия в криостатах, используемых в лабораторных условиях, происходит в течение 5-6 часов. Увеличение гелиевых объемов в таких криостатах приводит к значительному увеличению габаритных размеров, что делает невозможным их применение в высокогорных обсерваториях, а также на телескопах воздушного и космического базировании. Также следует отметить, что криогенные установки, работающие на жидких хладагентах, обладают взрывоопасностью, что ставит под угрозу работу обеспечивающего персонала. Эта проблема может быть и решена при использовании непрерывно работающей машины замкнутого цикла, поэтому в рамках диссертационной работы проводилось исследование смесителей на горячих электронах, охлаждаемых машиной замкнутого цикла, и изучалась их стабильность.

Из данного короткого обзора можно сделать вывод о том, что параметры существующих приемников, такие как чувствительность, рабочий диапазон частот, требуемая мощность гетеродина в субмиллиметровом диапазоне не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым при решении некоторых важных практических задач. Актуальность настоящей работы связана с необходимостью создания и детального исследования чувствительных когерентных приемников субмиллиметрового диапазона.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование субмиллиметровых гетеродинных приемников, таких как Nb СИС и NbN НЕВ смесители, которые для СИС смесителей сочетали бы высокую чувствительность и эффективное согласование со смесительным блоком в широком диапазоне частот, а для НЕВ смесителей имели бы рекордно низкую шумовую температуру и малую требуемую мощность гетеродина.

Объектом исследования являлись волноводные СИС смесители на основе туннельных переходов Nb/A10x/Nb и квазиоптические смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN толщиной 3.5 нм на кремниевой подложке.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационном исследовании, заключается в следующем:

1. Впервые исследован импеданс волноводного смесительного блока в диапазоне частот 0.6-0.72 ТГц посредством компьютерного программного пакета HFSS по трехмерному моделированию электромагнитного поля и экспериментально измерен его импеданс по оригинальной методике трех калибровочных нагрузок при использовании масштабированного макета;

2. Исследованы волноводные СИС смесители на основе двух параллельно присоединенных туннельных переходов Nb/A10x/Nb вблизи энергетической щели сверхпроводника Nb на частотах 0.6-0.7 ТГц и проведено измерение отклика данного СИС смесителя в детекторном режиме на Фурье-спектрометре в диапазоне 0.4-0.8 ТГц;

3. Впервые проведено исследование в машине замкнутого цикла шумовой температуры и стабильности выходной мощности шумового сигнала ПЧ NbN смесителей на горячих электронах на частотах 0.5 и 0.85 ТГц;

4. Проведено исследование квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах при использовании генератора Ганна с диодными умножителями частоты на частоте 0.5 ТГц, и их характеристики сравнимы с измеренными с помощью лампы обратной волны в качестве гетеродина;

5. Впервые исследована поляризация планарной спиральной антенны NbN смесителей на горячих электронах на частоте гетеродина 0.5 ТГц по оригинальной методике измерения шумовой температуры в зависимости от угла решетки, расположенной в сигнальном тракте.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Вычислен импеданс волноводного СИС смесительного блока для подложки с диэлектрической проницаемостью 4.45. Его величина составляет около 35 Ом в диапазоне частот 0.6-0.72 ТГц и определяется толщиной подложки и расстоянием от плоскости подложки до короткозамыкающего поршня, и практически не зависит от положения СИС перехода внутри волновода смесительного блока.

2. Измеренное значение импеданса волноводного смесительного блока составляет 50-60 Ом в диапазоне частот 0.6-0.72 ТГц, что хорошо согласуется с расчетными значениями 45-55 Ом для подложки с диэлектрической проницаемостью 3.5.

3. Волноводные СИС смесители на основе двух параллельно присоединенных туннельных переходов имеют шумовую температуру менее 200 К в диапазоне частот 0.63-0.66 ТГц, при этом наименьшая шумовая температура составила 181 К на частоте гетеродина 0.656 ТГц. Полученные значения шумовой температуры в частотном диапазоне 0.6-0.7 ТГц хорошо согласуются с частотной зависимостью отклика СИС приемника в детекторном режиме, полученной с помощью Фурье-спектрометра.

4. Квазиоптические смесители на горячих электронах из пленки NbN толщиной 3.5 нм на кремниевой подложке, охлаждаемые в машине замкнутого цикла до температуры 4 К, имеют двухполосную шумовую температуру 900 К на 0.5 ТГц, и 1350 К на 0.85 ТГц.

5. Шумовая температура квазиоптических смесителей на горячих электронах медленно увеличивается с ростом частоты из-за рассогласования NbN смесителей с планарной спиральной антенной в результате неоднородного распределения высокочастотного тока в чувствительном элементе.

6. Поляризация планарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 1.2 для смесителя размером 4.0 мкм х 0.32 мкм и 1.28 для смесителя размером 1.8 мкм х 0.15 мкм на частоте гетеродина 0.5 ТГц, и не зависит от рабочей точки, направления электрического поля линейно поляризованного излучения гетеродина, и толщины делительной пластины.

Практическая значимость работы подтверждена применением исследуемых волноводных СИС смесителей и квазиоптических смесителей на горячих электронах субмиллиметрового диапазона в ряде международных проектов, ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (SMA, ALMA, APEX, HERSHEL, SOFIA), так и на исследование атмосферы Земли (BSMILES, TELIS).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 159 страниц, включая 48 рисунков и 5 таблиц. Библиография включает 133 наименования.

§4.6 Выводы.

В данной главе описаны результаты исследования квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах с планарной спиральной антенной на основе пленок NbN толщиной 3.5 нм, осажденных на кремниевую подложку.

Впервые представлены характеристики квазиоптических смесителей на эффекте разогрева электронов в тонких пленках NbN, охлаждаемых в машине замкнутого цикла. Исследовано влияние механической вибрации и температурных колебаний при работе машины замкнутого цикла на вольтамперные характеристики NbN смесителей и выходную мощность шумового сигнала ПЧ. Показана возможность проведения экспериментов по тестированию шумовых характеристик смесителей на горячих электронах при использовании машины замкнутого цикла.

Квазиоптические смесители на горячих электронах, охлаждаемые в машине замкнутого цикла, на кремниевой подложке из NbN пленки толщиной 3.5 нм имеют двухполосную шумовую температуру 900 К и 1350 К на частотах излучения гетеродина 0.5 ТГц и 0.85 ТГц.

Исследована частотная зависимость шумовой температуры квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах в диапазоне частот 0.5-2.5 ТГц. Двухполосная шумовая температура NbN смесителя на горячих электронах с размером чувствительного элемента 4.0 мкм х 0.32 мкм составила 2000 К на частоте 2.5 ТГц. Шумовая температура NbN смесителя медленно растет при увеличении частоты гетеродина в диапазоне 0.5-2.5 ТГц из-за рассогласования с планарной спиральной антенной в результате неоднородного распределения высокочастотного тока по ширине чувствительного элемента.

Исследованы характеристики NbN смесителей на горячих электронах по постоянному току и их двухполосная шумовая температура на частотах 2.5 и 3.8 ТГц. Применение сеточного фильтра при измерении двухполосной шумовой температуры NbN смесителей на горячих электронах с малым объёмом чувствительного элемента позволяет снизить влияние приямого дететирования, и уменьшить ошибку опреденения шумовой температуры.

Поляризация планарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 1.2 для смесителя с размером чувствительного элемента 4.0 мкм х 0.32 мкм и 1.28 для смесителя с размером 1.8 мкм х 0.15 мкм. Поляризация NbN смесителей на горячих электронах с планарной спиральной антенной не зависит от рабочей точки, направления электрического вектора линейно поляризованного излучения гетеродина, и толщины делительного пластика.

Заключение

В заключении сформулированы основные результаты диссертационного исследования.

1. Для диапазона частот 0.6-0.72 ТГц разработан волноводный СИС смесительный блок с диэлектрической проницаемостью подложки 4.45 и исследованы как его импеданс, так и влияние на его величину положения СИС переходов в пределах волноводной камеры, толщины подложки СИС смесителя и расстояния от плоскости подложки СИС смесителя до короткозамывающего поршня. Импеданс волноводного СИС смесительного блока составляет около 35 Ом в этом диапазоне и определяется толщиной подложки и расстоянием от плоскости подложки до короткозамыкающего поршня, при этом слабо зависит от положения СИС перехода в пределах волновода.

2. Проведено измерение импеданса волноводного СИС смесительного блока с диэлектрической проницаемостью подложки 3.5 по оригинальной методике трех калибровочных нагрузок с использованием масштабированного макета. Иимпеданс волноводного смесительного блока составляет 50-60 Ом в диапазоне частот 0.6-0.72 ТГц и хорошо согласуется с расчетным результатом 45-55 Ом именно для данного смесительного блока.

3. Создана экспериментальная установка для измерения двухполосной шумовой температуры волноводных СИС смесителей в диапазоне частот 0.6-0.7 ТГц и квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах с планарной спиральной антенной на частотах гетеродина 0.5, 0.76, 0.85, 1.6, 2.5 ТГц.

4. Проведено измерение шумовой температуры волноводных СИС смесителей на основе двух параллельно соединенных туннельных переходов Nb/AlOx/Nb. В диапазоне частот 0.63-0.66 ТГц значение измеренной шумовой температуры составило менее 200 К, при этом наименьшая шумовая температура составила 181 К на частоте гетеродина 0.656 ТГц. Полученные значения шумовой температуры в частотном диапазоне 0.6-0.7 ТГц хорошо согласуются с частотной зависимостью отклика СИС приемника в детекторном режиме, полученной с помощью Фурье-спектрометра.

5. Проведено исследование шумовой температуры квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах из пленки NbN толщиной 3.5 нм на кремниевой подложке, охлаждаемых в машине замкнутого цикла, на частотах 0.5 и 0.85 ТГц. Лучшая двухполосная шумовая температура приемника составила 900 К на 0.5 ТГц, и 1350 К на 0.85 ТГц.

6. Исследована зависимость шумовой температуры квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах от частоты гетеродина в диапазоне 0.5-2.5 ТГц. Шумовая температура приемника увеличивается с ростом частоты из-за рассогласования NbN смесителей с планарной спиральной антенной в результате неоднородного распределения высокочастотного тока в чувствительном элементе.

7. Исследован эффект прямого детектирования квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах с малым объёмом чувчтвительного элемента на частоте гетеродина 2.5 ТГц. Ошибка при измерении шумовой температуры приемника снижается при исполозовании сеточного фильтра благодаря уменьшению влияния приямого детектирования.

8. Исследована поляризация планарной спиральной антенны NbN смесителей на горячих электронах на частоте гетеродина 0.5 ТГц. Поляризация планарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 1.2 для смесителя с размером 4.0 мкм х 0.32 мкм и 1.28 для смесителя с размером 1.8 мкм х 0.15 мкм, и не зависит от рабочей точки, направления электрического поля линейно поляризованного излучения гетеродина и толщины делительной пластины.

В заключение автор выражает глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю профессору Гольцману Григорию Наумовичу за предложенную тему работы, внимательное руководство, ценные советы и замечания на протяжении всей работы, а также кандидату физико-математических наук Свечникову Сергею Игоревичу за оказанную помощь в сложной жизни и при написании диссертации. Часть представленных исследований была выполнена под руководством доктора Ши Шен Кай (Shi Sheng-Cai) в субмиллиметровой лаборатории Пурпурной горной обсерватории Китая, автор признателен ему и всему коллективу лаборатории. Автор хотел бы выразить благодарность доктору Эдварду Тонгу (Edward Tong) за плодотворные обсуждения при измерении импеданса смесительного блока, профессору Цен Дин (Chen Jian) Нанкинского университета за помощь в эксперименте, а также доктору Ван Мин-Це (Wang Ming-Jie) Астрономического и астрофизического института за совместную работу над исследованием СИС смесителей. Это исследование было бы невозможным без образцов, изготавливаемых в технологическом секторе Учебно-научного радиофизического центра МПГУ под руководством Воронова Б.М. Хотелось бы выразить благодарность Антипову С.В., Полякову C.JI., Вахтомину Ю.Б., Финкелю М.И. и Масленникову С.Н. за плодотворное общение и помощь в эксперименте.

Автор признателен всему коллективу сотрудников и аспирантов Учебно-научного радиофизического центра МПГУ.

Список публикаций автора:

1. S.C. Shi, С С. Chin and W. Zhang Characterization of Nb-based superconducting microstrip lines around the gap frequency //International journal of infrared and millimetre waves, vol. 21, no.12, pp.2007-2013,2000.

2. S.C. Shi, C.C. Chin, M.J. Wang, W.L. Shan, W. Zhang, and T. Noguchi

Development of a 600-720 GHz SIS mixer for the SMART //Proceedings of th

12 International Symposium on Space Terahertz Technology, San Diego, USA, Feb. 2001, pp. 215-222.

3. C.C. Chin, M.J. Wang, W.L Shah, W. Zhang. НЖ Cheng, SC. Shi, and T. Noguchi A fixed tuned low noise 600-700 GHz SIS receiver //International Journal of infrared and millimetre waves, vol. 23, no.5, pp.731-744, May 2002.

4. W. Zhang. W.L. Shan, S.C. Shi Investigation of embedding impedance characteristic for a 660-GHz waveguide SIS mixer //Journal of infrared and millimeter waves, vol.21, No. 6, pp.465-468,2002.

5. M.J. Wang, C.C. Chin, W.L Shan, W. Zhang. H.W. Cheng, T. Noguchi, S.C. Shi Performance characterization of a 600-700 GHz SIS mixer //Proceedings of 13th International Symposium on Space Terahertz Technology, Harvard University, USA, pp.445-453, Mar. 2002.

6. W. Zhang. C.-Y Edward Tang, S.C. Shi Scaled model measurement of the embedding impedance of a 660-GHz waveguide SIS mixer with a 3-standard deembedding method //IEEE transactions, vol.13, no.9, pp.376-378,2003.

7. L. Jiang, J. Li, W. Zhang. Q.J. Yao, Z.L. Lin, S.C. Shi, Y.B. Vachtomin, S.V. Antipov, S.J. Svechnikov, B.M. Voronov and G.N. Gol tsman Characterization of NbN HEB mixers cooled by a close-cycled 4-K refrigerator //IEEE transactions, vol. 15, no.2, June 2005, pp. 511-513.

8. W. Zhang. L. Jiang, Z.H. Lin, Q.J. Yao, J. Li, S.C. Shi, S.I. Svechnikov, Yu. B. Vachtomin, S.V. Antipov, B.M. Voronov, N.S. Kaurova, and G.N. Gol'tsman Development of a quasi-optical NbN superconducting HEB mixer // Proceedings of 16th International Symposium on Space Terahertz Technology,

Sweden, pp.209-213, May. 2005.

9. L. Jiang, W. Miao, W. Zham. N. LiZ.H. Lin, Q.J. Yao, S.C. Shi, S. I. Svechnikov; Y.B. Vakhtomin, S. V. Antipov, B.M. Voronov, N. S. Kaurova and G.N. Gol'tsman Characterization of a quasi-optical NbN superconducting HEB mixer // IEEE transactions on microwave theory and techniques, vol. 54, no.7, July, 2006, pp.2944-2948,

10. L. Jiang, W. Miao, W. Zhang. N. Li, ZH. Lin, Q.J. Yao, S.C. Shi, S.I. Svechnikov, Y.B. Vakhtomin, S. V. Antipov, B.M. Voronov, N.S. Kaurova, and G.N. Gol'tsman Characterization of quasi-optical NbN phonon-cooled superconducting HEB mixers //Proceedings of 17th International Symposium on Space Terahertz Technology, Paris, France, May. 2006.

11. Вахтомин Ю.Б., Антипов C.B., Масленников C.H., Смирное КВ., Поляков С.Л., Чжан В. Свечников С.К, Каурова Н.С., Гришина Е.В., Воронов Б.М и Гопьцман Г.Н Квазиоптические смесители терагерцового диапазона на эффекте разогрева электронов в тонких пленках NbN //16-я международная крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Материалы конференции, Севастополь, Украина, 11-15 сентября, 2006, т.2, с. 688-689.

12.1. Jiang, W. Zhans. N. Li, Z.H. Lin, Q.J Yao, W. Miao, S.C Shi, S.I. Svechnikov, Y.B. Vakhtomin, S.V. Antipov, B.M. Voronov, and G.N. Gol'tsman Characterization of the performance of a quasi-optical NbN superconducting HEB mixer," accepted by IEEE transactions applied superconductivity.

1.T.G. Phillips and J. Keene, Submillimeter astronomy, Proc. 1.EE, vol.80, no. 11, pp. 1662-1678, Nov. 1992.

2. P. H. Siegel, Terahertz technology, IEEE Trans. MTT, vol.50, no.3, March 2002, pp.910-928.

3. S. Paine, R. Blundell, D.C. Papa, J. Barrett and S. Radford, "A fourier transform spectrometer for measurement of atmospheric transmission at submillimeter wavelengths," Publication of the astronomical society of the pacific, 112:108-118, January 2000.

4. N. Wyborn, "The HIFI heterodyne instrument for FIRST: Capabilities and performance," in Eur. Space Agency Symp., Grenoble, France, Apr. 15-17, 1997,pp. 19-24.

5. S. Maas, "Microwave mixers," Artech House, Boston, 1993.

6. T.W. Crowe, R.J. Mattauch, H.P. Roser, W.L. Bishop, W.C.B. Peatman, X.L. Liu, "GaAs Schottky diodes for THz mixing applications," Proc. IEEE, vol.80, no.ll, Nov. 1992, pp. 1827-1841.

7. P.L. Richards, T.M. Shen, R.E. Harris, F.L. Lloyd, "Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions," Appl. Phys. Lett., vol. 34, 1979, pp.345-347.

8. I. Giaver, "Photosensitive tunnelling and superconductivity," Phys. Rev. Lett., vol.20,1968, pp. 1286-1289.

9. B.D. Josephson, "Possible new effects in superconductive tunnelling," Phys. Lett., vol.1, no.7, 1962, pp.251-253.

10. D.G. Jablonski, M.W. Henneberger, "Influence of Josephson currents on superconductor-insulator-superconductor mixer performance," J. Appl. Phys., vol.58, 1985, pp.3814-3821.

11. J.R. Tucker, "Quantum limited detection in tunnel junction mixers," IEEE J. Quantum Electron, vol.15, no.ll, 1979, pp. 1234-1258.

12. W.R. McGrath, P.L. Richards, A.D. Smith, H. Van Kempen, R.A. Batchelor, D.E. Probe, R. Santhman, "Large gain, negative resistance and oscillations in superconducting quasiparticle heterodyne mixers," Appl. Phys. Lett., vol.39, 1981, pp.655-658.

13. A. Skalare, "Determining embedding circuit parameters from dc measurements on quasiparticle mixers," Int. J. of IR and MM waves, vol.10, pp.1339-1353,1989.

14. A.V. Raisanen, W.R. McGrath, D.G. Crete, and P.L. Richards, "Scaled model measurements of embedding impedances for waveguide SIS mixers," Int. J. of Infrared and Millimeter Waves, vol. 6, pp. 1169-1189, 1985.

15. J. Zmuidzinas, H.G. Leduc, J.A. Stern, S.R. Cypher, "Two-junction tuning circuits for submillimeter SIS mixers," IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol.42, no. 4, 1994, pp.698-706.

16. A.V. Raisanen, W.R. McGrath, P.L. Richards and F.L. Lloyd, "Broad-band RF match to a millimeter-wave SIS quasi-particle mixer," IEEE trans microwave theory and techniques, vol.33, pp.1495-1500, 1985.

17. A.R. Kerr, S.-K. Pan, and M.J. Feldman, "Integrated tuning elements for SIS mixers," Int. J. Infrared and Millimeter waves, vol.9, no.2, pp.203-212, 1988.

18. K.H. Gundlach and M. Schicke, "SIS and bolometer mixers for terahertz frequencies," Supercond. Sci. Technol., vol.13, 2000, R171-187.

19. C.-Y. E. Tong, R. Blundell, D.C. Papa, J.W. Barrett, S. Paine, and X. Zhang, "A fixed tuned low noise SIS receiver for the 600 GHz frequency band," 6th international symposium on space terahertz technology, pp.295-304,1995.

20. C.-Y. E. Tong, R. Blundell, Bruce Bumble, Jeffrey A. Stern and Henry G. LeDuc, "Sub-millimeter distributed quasiparticle receiver employing a non-linear transmission line," 7th International symposium on space terahertz technology, pp.47-62,1996.

21. Е.М. Гершензон, М.Е. Гершензон, Г.Н. Гольцман, А.Д. Семенов, А.В. Сергеев, "Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей пленке, находящейся в резистивном состоянии" // Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 34. Вып. 5. С. 281-285.

22. Е.М. Гершензон, М.Е. Гершензон, Г.Н. Гольцман, А.Д. Семенов, А.В. Сергеев, "Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую пленку в резистивном состоянии" // Письма в ЖЭТФ. 1982. Т. 36. Вып. 7. С. 241-244.

23. J.J.A. Baselmans, М. Hajenius, J.R. Gao, Т.М. Klapwijk, Р.А. J. de Korte, В. Voronov and G. Gol'tsman, "Doubling of sensitivity and bandwidth in phonon cooled hot electron bolometer mixers," Applied Physics Letters, vol.84, no. 11, 2004, pp.1958-1960.

24. J.D. Dyson, "The equiangular spiral antenna," IEEE Trans, on Antennas and propagation, vol.7, no.2,1959, pp. 181-187.

25. P. Yagoubov, W.-J. Vreeling, and P. de Korte, "Characterization of anthintegrated lens antenna at terahertz frequencies," Proceedings of 12 International Symposium on Space Terahertz Technology, San Diego, pp. 193-204, 2001.

26. E.M. Gershenzon, G.N. Gol'tsman, Yu.P. Gousev, A.I. Elant'ev, and A.D. Semenov, "Electromagnetic radiation mixer based on heating in resistive state of superconductive Nb and YBaCuO films," IEEE Trans, on Mag., vol. 27, №2, pp. 1317-1320, 1991.

27. A.D. Semenov, H.-W. Hubers, J. Schubert, G.N. Gol'tsman, A.I. Elantiev, B.M. Voronov, and E.M. Gershenzon, "Design and performance of the lattice-cooled hot-electron terahertz mixer," Journal of applied physics, vol. 88, no. 12, pp.6758-6767, 2000.

28. L.E. Dickens, "Spreading resistance as a function of frequency", IEEE Trans. MTT, 1967, vol Л 5, no. 2, pp. 101-109.

29. J.A. Copeland, "Diode edge effects on doping profile measurements," IEEE Trans. Electron Devices, 1970, vol.17, no.5, pp.404-407.

30. A.I. Harris, J. Stutzki, U.U. Graf, and R. Genzel, "Measured mixer noise temperature and conversion loss of a cryogenic Schottky diode mixer near 800 GHz," Int. J. IR and MM Waves, 1989, vol.10, no. 11, pp. 1371-1376.

31. P.H. Siegel, R.P. Smith, M.C. Gaidis, S.C. Martin, "2.5 THz GaAs monolithic membrane-diode mixer," IEEE Trans. MTT, 1999, vol.47, no. 5, pp. 596-604.

32. G. Chin, "Optically pumped submillimeter laser heterodyne receivers: Astrophysical observations and recent technical developments." Proc. IEEE, 1992, vol.80, no. 11, pp. 1788-1799.

33. E.R. Caelson, M.V. Schneider, T.F. McMaster, "Subharmonically pumped millimeter wave mixers", IEEE Trans. MTT, 1978, V.26, No. 10, pp. 706-715.

34. T. Newman, W.L. Bishop, T.Ng. Kwong, S. Wainreb, "A new planar diode mixer for submillimeter-wave applications," IEEE Trans. MTT, 1991, vol.39, no. 12, pp. 1964-1971.

35. J.L. Hesler, W.R. Hall, T.W. Crowe, R.M. Weikle, B.S. Deaver, R.F. Bradley, S.K. Pan, "Fixed-tuned submillimeter wavelength waveguide mixers using planar Schottky-barrier diodes," IEEE Trans. MTT, 1997, vol.45, no. 5, pp. 653-658.

36. K. Hui, J.L. Hesler, D.S. Kurtz, W.L. Bishop, T.W. Crowe, "A micromachined 585 GHz Schottky mixer," IEEE Microwave and Guided Wave1.tt., 2000, vol.10, no. 9, pp. 374-376.

37. M.C. Gaidis, H.M. Pickett, C.D. Smith, S.C. Martin, R.P. Smith, P.H. Seigel, "A 2.5-THz receiver front end for spaceborne applications," IEEE Trans. MTT, 2000, vol.48, no.4, pp.733-739.

38. M. Тинкхам, Введение в сверхпроводимость. Пер. С анг.-М.: Атомиздат, 1980.

39. Де Жен П. Сверхпроводимость металлов и сплавов. Пер. С англ., М.: Мир, 1968.

40. J. Bardeen, L.N. Cooper, and J.R. Schrieffer, "Theory of superconductivity," Phys. Rev., 1957, vol.108, no.5, pp.1175-1204.

41. А. Бароне, Дж. Патерно, «Эффект Джозефсона. Физика и применения» Пер. С англ. М.: Мир, 1985.

42. J.R. Tucker, "Predicted conversion gain in superconductor-insulator-superconductor quasiparticle mixers," Appl. Phys. Lett., 1980, vol.36, no.6, pp.477-479.

43. C.M. Caves, "Quantum limits on noise in linear amplifier," Phys. Rev., 1982, vol. D26, pp. 1817-1839.

44. J.R. Tucker, M.J. Feldman, "Quantum detection at millimetre wavelengths," Rev. of Mod. Phys., 1985, vol.4, pp.1055-1113.

45. D. Winkler and T. Claeson, "High frequency limits of superconducting tunnel junction mixers," J. Appl. Phys., 1987, vol.62, pp. 4482-4498.

46. M.J. Feldman, "An analytic investigation of the superconductor quasiparticle mixer in the low power limit," IEEE Trans, on Magn., 1991, vol.MAG-27, no.2, pp.2646-2649.

47. T. Noguchi, K. Sunada, J. Inatani, "An SIS mixer with integrated tuning circuit (II)- A proposal of SQUID-type mixer, 39th Spring Meeting of the Japanese Society of Applied Physics, 1992, Tokyo, Japan, pp.76.

48. T. Noguchi, S.C. Shi, J. Inatani, "Parallel connected twin junctions for millimetre and submillimeter wave SIS mixers: Analysis and experimental verification," IEICE Trans. Electronics, 1995, vol. E78-C, no.5, pp.481-489.

49. S.C. Shi, Т. Noguchi, J. Inatani, "Analysis of the bandwidth performance of SIS mixers with distributed junction arrays," Proc. 8th Int. Symp. on Space Terahertz tech., Boston, USA, pp. 81-90, 1997.

50. S.C. Shi, T. Noguchi, J. Inatani, Y. Irimajiri, T. Saito, "Experiment results of SIS mixers with distributed junction arrays," IEEE microwave and wireless components letters, vol. 8, no.ll, pp. 381-383, 1998.

51. M. Schicke, Dissertation, University of Hamburg, Germany, 1998.

52. D.C. Mattis and J. Bardeen, "Theory of the anomalous skin effect in normal and superconducting metals," Phys. Rev., 1958, vol.111, pp.412-417.

53. S. Shitov, M. Levitchev, A. Veretennikov, V. Koshelets et al, "Superconducting integrated receiver as 400-600 GHz tester for coolable device," IEEE Trans. Appl. Supercond., 2001, vol.11, no.l, pp.832-835.

54. В. П. Кошелец, C.B. Шитов, JI.B. Филиппенко, П.Н. Дмитриев, А.Б. Ермаков, А.С. Соболев, М.Ю. Торнашин, «Интегральные сверхпроводниковые приемники субмиллиметровых волн», Известия вузов. Радиофизика, Т.46, №8-9, С.687-701.

55. В.П. Кошелец, П.Н. Дмитриев, А.Б. Ермаков, JI.B. Филиппенко, О.В. Корюкин, М.Ю. Торгашин, А.В. Худченко, «Интегральный сверхпроводниковый спектрометр для мониторинга атмосферы», Известия вузов. Радиофизика, 2005, T.XLVIII, №10-11, С. 947-954.

56. J. Zmuidzinas and P.L. Richards, "Superconducting detectors and mixers for millimetre and submillimeter astrophysics," Proceedings of the IEEE, 2004, vol.92, no. 10, pp.1597-1616.

57. A. Karpov, D. Miller, F. Rice, J.A. Stern, B. Bumble, H.G. Leduc, J. Zmuidzinas, "Low noise 1.2 THz SIS mixer for Herschel radio observatory," In Proc. of 15th International Symposium on Space Terahertz Technology,1. Massachusetts, USA.

58. E. M. Гершензон, M. E. Гершензон, Г. H. Гольцман, А. Д. Семенов, А. В. Сергеев, "Разогрев электронов в резистивном состоянии сверхпроводника под действием электромагнитного излучения" // ЖЭТФ. 1984. Т. 86. Вып. 2. С. 758-774.

59. N. Perrin and С. Vanneste, "Response of superconducting films to periodic optical irradiation", Phys. Rev. B28, 5150 (1983).

60. N. Perrin and C. Vanneste, "Dynamic behavior of a superconductor under time-dependent external excitation", J. Physique. 48, 1311 (1987).

61. A.D. Semenov, G.N. Gol'tsman, R. Sobolewski, "Hot-electron Effect in Superconductors and its applications for radiation sensors", LLE Review, V 87, pp 134-152,2002.

62. R. S. Nebosis, A. D. Semenov, Y. P. Gusev, K. F. Renk, in Proceedings of the Seventh International Symposium on Space Terahertz Technology (University of Virginia, Charlottesville, VA, 1996), pp. 601-613.

63. D.W. Floet, E. Miedema, T.M. Klapwijk, J.R. Gao, "Hotspot mixing: a framework for heterodyne mixing in superconducting hot electron bolometers", Appl. Phys. Lett., 74, 433 (1999).

64. D.W. Floet, T.M. Klapwijk, J.R. Gao, P.A.J. De Krote, "Bias dependence of the thermal time constant in diffusion-cooled hot electron bolometer mixers, Appl. Phys. Lett., 77, 1719 (2000).

65. H. Merkel, P. Khosropanah, P. Yagoubov, E. Kollberg, "A hotspot mixer for phonon-cooled NbN hot-electron bolometric mixers", IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, 4201 (1999).

66. A.I. Elant'ev and B.S. Karasik, "Effect of high frequency current on Nb superconducting film in the resistive state," Sov. J. Low Temp. Phys., 15(7), July 1989.

67. G.N. Gol'tsman, A.D. Semenov, "Non-thermal response of a diffusion-cooled hot-electron bolometer", J. Appl. Phys. 87, 502 (2000).

68. B.S. Karasik, A.I. Elantev, "Analysis of the noise performance of ahot-electron bolometer mixer," 6th International Symposium on Space Terahertz Technology, pp. 229-247, Pasadena, CA, 1995.

69. H. Ekstrom, B. Karasik, E. Kollberg, S. Yngvesson, "Conversion gain and noise of niobium superconducting hot-electron bolometer mixers," IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., pp. 938-947, vol. 43, no. 4, 1995.

70. B.S. Karasik, W.R. McGrath, "Microwave transmission technique for accurate impedance characterization of superconductive bolometric mixers," Int. J. Infrared millimeter waves, 1999, vol.20, no. 1, pp.21-32.

71. H. Ekstrom, E. Kollberg, P. Yagoubov, G. Gol'tsman, E. Gershenzon, and S. Yngvesson, "Gain and noise bandwidth of NbN hot electron bolometric mixers," 1991, Appl. Phys. Lett., vol.70, no.24, pp.3296-3298.

72. E. Tong, J. Kawamura, T. Hunter, D. Papa, R. Blundell, F. Patt, G. Gol'tsman, E. Gershenzon, "Successful operation of a 1 THz NbN hot-electron bolometer receiver," Proc.of 11th of Space Terahertz Technology, pp.49-59, Ann Arbor, MI, USA, 2000.

73. J. Kawamura, T. R. Hunter, C.-Y. Edward Tong, R. Blundell, D. C. Papa, W. Peters, T. Wilson, C. Henkel, G. Gol'tsman, E. Gershenzon, "Ground-based terahertz CO spectroscopy towards Orion", A&A 394, 271-274 (2002).

74. B.S. Karasik and A.I. Elantiev, "Noise temperature limit of a superconducting hot-electron bolometer mixer," Appl. Phys. Lett, vol.68, no.6, pp.853-855 (1996).

75. S. Cherednichenko, V. Drakinskiy, T. Berg, E. Kollberg, A. Angelov, "Effect of the direct detection effect on the HEB receiver sensitivity calibration," 16th International Symposium on Space Terahertz Technology, 2005, pp.235-239.

76. A.W. Love, "Electromagnetic horn antennas," IEEE Press, New York, 1976.

77. J.E. Carlstrom and J. Zmuidzinas, "Millimeter and submilllimeter techniques," in Reviews of radio science 1993-1995, ed., W.R. Stone, the Oxford University Press, Oxford (1996).

78. M. Born, E. Wolf, "Principles of optics," New York: Permagon Press, pp.252-252 (1959).

79. P.F. Goldsmith, "Quasioptical systems Gaussian beam quasiooptical propagation and applications," New York: IEEE Press, pp. 125-187 (1998).

80. S.C. Shi, J. Inatani, T. Noguchi, K. Sunada, "Experimental investigation of the 'post mount' structure in waveguide-type SIS mixer," IEEE proceedings microwaves, antennas and propagation, 1995, vol.142, no.4, pp.339-344.

81. S.C. Shi and J. Inatani, "A waveguide-to-microstrip transition wirh DC/IF return path and an offset probe," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1997, vol.45, no.3, pp442-445.

82. Q. Hu, Z.A. Mears, P.L. Richards, S.L. Loyd, "Millimeter-wave quasioptical SIS mixers," IEEE Trans. Magn., 1989, vol.25, pp.1380-1383.

83. Т.Н. Buttgenbach, "An improved solution for integrated array optics in quasi-optical mm and submm receivers: the hybrid antenna," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1993, vol.41, pp.1750-1761.

84. Getting Started: Antenna Problem. Pittsburgh: Ansoft Corporation, 1999, pp. 3-4.

85. S.C. Shi, C.C. Chin, M.J. Wang, et al, "Development of a 660-GHz SISmixer for SMART," In Proc. 12th Int. Symp. on Space THz Tech., San Diego, CA, 2001, pp.215-222.

86. R. Blundell, C.E. Tong, J.W. Barrett, et al, "A fixed-tuned low noise SIS receiver for the 600GHz frequency band," In Proc. 6th Int. Symp. on Space THz Tech., Pasadena, CA, 1995, pp.295-304.

87. R.L. Eisenhart and P.J. Khan, "Theoretical and experimental analysis of a waveguide mounting structure," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-19, no. 8, pp. 706-719,1971.

88. Thomas H. Buttgenbach, Todd D. Groesbeck, and Brian N. Ellison, "A scale mixer model for SIS waveguide receivers," Int. J. of Infrared and Millimeter waves, vol. 11, pp. 1-20, 1990.

89. Simo Ramo, John R. Whinnery and Theodore Van Duzer, Fields and Waves in Communication Electronics, 2nd edition, New York, NY: John Wiley & Sons, 1984, p.538.

90. G.F. Engen, C.A. Hoer, "Thru-Reflect-Line: An improved technique for calibrating the dual six-port automatic network analyzer," IEEE Trans. MTT. 1979, vol.27, no. 12, pp.987-993.

91. David Rubin, "De-embedding mm-wave MICs with TRL," Microwave Journal, 1990, pp. 141-150.

92. T. Noguchi, S.C. Shi, and J. Inatani, "An SIS mixer using two junctions connected in parallel," IEEE Trans, on applied superconductivity, 1995, 5, p.2228.

93. S.C. Shi, C.C. Chin, and W. Zhang, "Characterization of Nb-based superconducting transmission lines around the gap frequency," International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2000, 21(12), p. 2007.

94. Г.Н. Гольцмани, Д.Н. Лудков, «Сверхпроводниковые смесители на горячих электронах терагерцового диапазона и их применение в радиоастрономии», Известия вузов. Радиофизика, 2003, Том XLVI, №8-9, с. 671-686.

95. L. Jiang, J. Li, W. Zhang, Q.J. Yao, Z.L. Lin, S.C. Shi, Y.B. Vachtomin, S.V.

96. Antipov, S.I. Svechnikov, B.M. Voronov and G.N. Gol'tsman, "Characterization of NbN HEB mixers cooled by a close-cycled 4-K refrigerator," IEEE Transactions, 2005, vol. 15, no.2, pp.511-513.

97. Gifford-McMahon 2-stage 4 Kelvin Refrigerator, Sumitomo Heavy industries, Ltd., Japan.122. www.lakeshore.com, Lakeshore cryotronics, inc., Japan.

98. J.W. Kooi, J.J.A. Baselmans, A. Baryshev, R. Schieder, M. Hajenius, J.R. Gao, T.M. Klapwijk, B. Voronov, G. Gol'tsman, "Stability of heterodyne terahertz receivers," Journal of applied physics, 2006, vol.100, 064904.

99. A.J. Gatesman, J. Waldman, M. Ji, C. Musante and S. Yngvesson, "An anti-reflection coating for silicon optics at terahertz frequencies," IEEE microwave and guide wave letters, 2000, vol.10, no.7, pp.264-266.

100. P.L. Richards, Journal of Applied Physics, 1994, vol. 76, no. 1, pp. 1 -24.

101. Instruction manual for the FIRL100, Edinburgh Instruments Limited, Edinburgh, June 1995.

102. R. Barends, M. Hajenius, J.R. Gao, and T.M. Klapwijk, // Applied physics letters, 2005, vol.87,263506.

103. R.S. Nebosis, A.D. Semenov, Yu.P. Gousev and K.F. Renk, // Proceedings of 7th International Symposium on Space THz Technology, 1996, P.601.

104. Yu.B. Vachtomin, S.V. Antipov, S.N. Maslennikov et al // Proceedings of 15th International Symposium on Space THz Technology, 2004.

105. Goutam Chattopadhyay, Frank Rice, David Miller, Henry G. LeDuc and

106. Jonas Zmuidzinas, "A 530-GHz balanced mixer," IEEE microwave and guide wave letters, vol.9, no. 11, pp.467-469, Nov. 1999. 133. H.B. Callen and T.A. Welton, "Irreversibility and generalized noise", Phy. Rev. vol. 83, no. 1, pp34-40,1951.