Радиотехника и электроника, 2020, T. 65, № 1, стр. 65-74

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время активно развивается астрономия в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых длин волн. Исследования в этой области направлены на изучение реликтового излучения, “холодной” Вселенной, процессов звездообразования и многое другое. Для таких задач создаются высокогорные наземные, баллонные и космические обсерватории, например, ALMA, Olimpo, Millimetron и др. Детектирование сигнала, собираемого зеркалом телескопа, осуществляется высокочувствительными детекторами. При создании приемных систем для различных обсерваторий одной из ключевых задач является согласование сигнала, приходящего с зеркала телескопа, с детектором. В качестве согласующих устройств могут выступать различные конструкции зеркал, рупоров и линзовых систем. В данной статье представлено экспериментальное исследование согласования приемной матрицы планарных антенн с болометрами структуры сверхпроводник–изолятор–нормальный метал–изолятор–сверхпроводник (СИНИС) с внешним излучением при помощи пары встречных рупоров с контррефлектором.

1. ПАРА ВСТРЕЧНЫХ РУПОПРОВ С КОНТРРЕФЛЕКТОРОМ В КАЧЕСТВЕ ИНТЕГРИРУЮЩЕЙ ПОЛОСТИ

Конструкция в виде пары встречных рупоров применяется для согласования приемника с телескопом в целом ряде радиоастрономических инструментов, например, таких как Европейская космическая обсерватория Планк (проект ESA Planck), итальянский баллонный телескоп OLIMPO и др. Как отмечалось в классическом обзоре [1], поглотительная способность большинства болометров по сравнению с черным телом меньше единицы и для повышения эффективности поглощения принимаемого излучения приходится использовать интегрирующую полость. В такой полости присутствует множество стоячих волн, что делает очень сложным точный численный анализ подобной структуры, в связи с чем большую роль приобретают экспериментальные исследования, результаты которых представлены в данной работе. Один из подходов в рамках модели случайных фотонов был предложен в [2] для полостей произвольной формы размерами много больше длины волны. Предполагается, что фотон может быть поглощен несколькими путями. При произвольном распределении фотонов поглощение пропорционально эффективной площади черного тела, равной произведению реальной площади на поглощающую способность (степень черноты). Предполагается, что эффективная площадь черного тела абсорбера больше площади всех отверстий и эффективной черноты стенок. С этой точки зрения использование концентратора света соответствует уменьшению относительной площади согласующего отверстия. Согласно [3] телесный угол, под которым болометр видит свое отражение в стенках полости, должен быть меньше телесного угла, под которым он видит источник. Если полость освещается частично коллимированным пучком, то детектор следует наклонить, чтобы отраженный луч не вернулся наружу, а остался в полости и был поглощен после многократных отражений. Классическая конструкция такой системы была разработана в [4] (рис. 1).

Еще одна конструкция рупоров с интегрирующей полостью (рис. 2) была реализована для телескопа JCMT и болометра SCUBA [5], в ней применяется прямой рупор и матрица из 91 болометра для диапазонов 438 и 855 мкм. Здесь необходимость применения длинных проводов приводит к увеличению области за болометром больше желательного для высокой оптической эффективности.

Одной из простейших конструкций интегрирующей полости является цилиндрическая (рис. 3) [6], разработанная и изготовленная в Лаборатории микроустройств Калифорнийского технологического университета (Jet Propulsion Lab Micro Devices Laboratory). Коэффициент поглощения в такой камере достигает 95% при перекрестных помехах между пикселями менее 1% и полосой пропускания Δf/f = 0.33. Сопротивление на квадрат в абсорбере может варьироваться в диапазоне 150…700 Ом на квадрат.

Можно еще упомянуть реализацию встречных рифленых рупоров для центральной частоты 90 ГГц для высокочастотного инструмента (High Frequency Instrument, HFI) COBRAS/SAMBA (позднее – Планк) [7], где полоса пропускания составила 25%, длина цилиндрической части узкого одномодового круглого волновода 2λ, радиус 0.6λ.

Детальный теоретический анализ работы встречных рупоров проведен в работе [8], где отмечено, что резкий скачок импеданса на краю волновода и интегрирующей полости приводит к отражениям и снижает эффективность согласования с широкополосным источником. Применение второго плавного рупора существенно улучшает равномерность спектральной характеристики. Такие рупоры используются в каналах 550 и 850 ГГц HFI космического телескопа PLANCK Surveyor Satellite. Эскиз этой конструкции приведен на рис. 4а, эскиз нашей конструкции со встречными рупорами и контррефлектором – на рис. 4б. Расчет диаграммы направленности в дальней зоне сводится к суммированию в квадратурах, т.е. к сложению мощностей всех незатухающих мод. Численным расчетом показано, что форма расширяющихся рупоров как квадрат синуса позволяет получить наиболее узкую диаграмму направленности такого одномодового рупора ±5°. Сравнимый результат можно получить для существенно более длинного прямого конического рупора.

Таким образом, интегрирующая сфера или полость является простым решением проблемы эффективного согласования в случае фокусировки сигнала источника на детектор. Главные причины применения интегрирующей полости следующие:

– потребность создания однородной диаграммы направленности (ДН) для детектора с неоднородной ДН;

– необходимость обеспечения изотропного приема даже детекторами с избирательными направлениями поглощения;

– уменьшение поляризационных эффектов из-за размера/формы детектора;

– возможность использования в предложенной структуре всей диаграммы направленности детектора, включая боковые и задние лепестки.

Интегрирующая сфера представляет собой отражающую поверхность, внутри которой детектор помещается так, чтобы сигнал, приходящий в полость, многократно отражался от стенок полости, и в итоге большая часть приходящего сигнала поглощалась детектором. Таким образом, интегрирующая полость повышает эффективность детектирования сигнала за счет мультипликации излучения, попадающего в полость. Тем самым улучшается согласование приходящего излучения с детектором. Одной из характеристик интегрирующей полости является коэффициент множителя сферы (М), который связан с коэффициентом отражения от стенок (ρ_ω) и отношением входного окна сферы к ее общей площади следующими соотношениями:

где f = A_ω/A_s. Для ρ_ω = 1, M = A_s/A_ω. На практике площадь входного окна составляет около 5% от общей площади сферы, отражение от стенок 95…99% и результирующий коэффициент множителя сферы может быть от 10 до 50. Плотность потока внутри интегрирующей полости в М раз больше по сравнению с прямым облучением.

В нашем случае приемная матрица согласуется с внешним сигналом с помощью конструкции встречных рупоров, соединенных круглым волноводом с диаметром 0.9 мм и длиной 2 мм, и контррефлектора (рис. 5), представляющей собой некий эквивалент интегрирующей полости. Сигнал от источника попадает в рупор, многократно отражается от его стенок и контррефлектора и поглощается приемной матрицей на основе болометров структуры СИНИС. Наличие металлических стенок можно рассматривать как зеркала, в которых отражается изображение нашей матрицы болометров (схематическое изображение см. на рис. 5а).

2. МАТРИЦЫ ПЛАНАРНЫХ АНТЕНН С ИНТЕГРИРОВАННЫМИ СИНИС-БОЛОМЕТРАМИ

СИНИС-болометр представляет собой тонкую пленку абсорбера (поглотителя) из нормального металла и два перехода сверхпроводник–изолятор–нормальный металл (СИН) (рис. 6). Приходящее излучение поглощается абсорбером, вследствие чего возрастает его электронная температура, измеряемая СИН-переходом.

В условиях работы на реальных обсерваториях фоновая мощность достигает десятков пиковатт. Одиночный СИНИС-болометр насыщается на уровне поглощаемой мощности менее 1 пВт, но при объединении десятков таких болометров в матрицу можно значительно повысить мощность насыщения, так как приходящая мощность будет распределяться между болометрами.

Моделирование разрабатываемых структур проводилось в программном пакете CST STUDIO SUITE. Смоделировать реальную приемную структуру и составить полную электродинамическую картину не удалось из-за очень большого количества пространственных мод. В системе рупор–контррефлектор возникает огромное количество отражений и происходит взаимодействие между 50 антеннами матрицы и модами сигнала. Мы можем провести приблизительное качественное моделирование для предварительной оценки разрабатываемых структур, чтобы определить некоторые параметры матриц. Все остальные корректировки вводятся после экспериментальных исследований.

Для рассматриваемых задач единичный элемент матрицы должен отвечать следующим требованиям: отсутствие селективности по поляризации, возможность интегрирования СИНИС-болометров и наличие такой диаграммы направленности (ДН), которая не создает так называемых подложечных мод. В качестве единичного элемента были рассмотрены различные антенны: кольцевая, квадратная и L-антенна. Смоделированные ДН представлены на рис. 7. По полученным результатам можем сделать вывод, что планарная кольцевая антенна (см. рис. 7а) лучше других удовлетворяет перечисленным требованиям. В случае L-антенны (см. рис. 7в) часть ДН ориентирована в плоскость подложки, что будет создавать подложечные моды.

Определившись с выбором единичного элемента, мы можем такие антенны объединить в матрицу, так называемую частотно-селективную поверхность [9].

Эффективность поглощения приходящего сигнала в разрабатываемых структурах зависит от толщины подложки, на которой изготавливается матрица антенн, а также от расстояния до контррефлектора. Мы смоделировали (рис. 8) ДН кольцевой антенны на кремниевых подложках различной толщины Z_sub: 64.5 мкм (λ*/4)²², 129 мкм (λ*/2), 280 и 380 мкм (стандартные толщины подложек). Подложка полуволновой толщины (см. рис. 8в) способствует образованию подложечных мод, что снижает эффективность поглощения приходящего сигнала. Наиболее оптимальный вариант – подложка толщиной в четверть длины волны (см. рис. 8б). На практике, для получения требуемой толщины используется процесс травления кремния в газе SF₆ (фото подложки с вытравленными мембранами см. на рис. 8е). Такой процесс не всегда доступен, трудно контролируем, и, кроме того, подложка становится хрупкой. Если нет возможности изготовить травленую подложку, то ее можно заменить на стандартную с толщиной 380 мкм (см. рис. 8д).

Изготовление таких болометрических матриц осуществляется в три технологических цикла: травление кремния; формирование первого слоя, состоящего из планарных антенн, соединительных проводов и контактных площадок; формирование второго слоя, состоящего из матрицы болометров. Первый слой может изготавливаться путем электронной (или лазерной) литографии, а затем напыляются три слоя методом электронно-лучевого напыления – 10 нм Ti/100 нм Au/20 нм Pd. Слой, в котором находятся СИНИС-болометры изготавливается с применением техники теневого напыления. Формирование резистивной маски для слоя с болометрами осуществляется только путем электронной литографии из-за малых размеров поглотителя (минимальный размер болометрических структур – ширина поглотителя, составляющая 100 нм). Сначала под прямым углом напыляется тонкая пленка абсорбера из нормального металла (15 нм Fe/Al), затем формируется слой изолятора путем напуска кислорода в камеру, а потом напыляются сверхпроводящие алюминиевые электроды под углами ±45°.

Были изготовлены матрицы кольцевых антенн, состоящие из 25 кольцевых планарных антенн с интегрированными двумя или четырьмя СИНИС-болометрами. Матрица 5 × 5 кольцевых антенн с центральной частотой в 345 ГГц геометрически вписывается в раскрыв рупора диаметром 3 мм. Элементы в матрице могут быть соединены как последовательно, так и параллельно, в зависимости от того, какая предполагается система считывания. Последовательное соединение элементов обеспечивает высокое выходное асимптотическое сопротивление (15 кОм), в этом случае в рабочей точке сопротивление матрицы составит порядка 500 кОм и оптимальной будет система считывания на основе полевых транзисторов с полупроводниковым затвором. При параллельном соединении элементов нормальное сопротивление матрицы будет около 15 Ом, что позволяет использовать сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИД) или биполярный транзистор с криогенным согласующим трансформатором для считывания сигнала. Фотографии изготовленных образцов представлены на рис. 9.

3. СПОСОБЫ ОБЛУЧЕНИЯ ПРИЕМНОЙ АНТЕННЫ

Было рассмотрено два типа облучения приемной матрицы: через диэлектрическую подложку (рис. 10а) [10] и со стороны антенн (рис. 10б). В первом случае при моделировании контррефлектор устанавливался на расстоянии λ/4. На практике же такой контррефлектор представляет собой кусочек алюминиевого скотча, наклеенного на держатель образцов (схематично показано на рис. 5). Во втором случае, когда матрица облучается со стороны антенн, контррефлектор наносили непосредственно на подложку с обратной стороны путем напыления толстого слоя (100 нм) золота. Компьютерное моделирование (рис. 11) показало, что вариант с облучением со стороны антенн дает лучшие результаты – более равномерный отклик и лучшее согласование. Сравнение с экспериментальными данными будет представлено в следующем разделе. Для улучшения равномерности спектрального отклика в случае облучения со стороны диэлектрической подложки было использовано антиотражающее покрытие, на практике в качестве такого покрытия было использовано два слоя каптонового скотча.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Схематичные изображения экспериментальных установок представлены на рис. 12. Исследование образцов проводили при рабочей температуре 100 мК в погружном криостате растворения [11] и при 300 мК в криостате фирмы Oxford Instruments – He3 Refrigerator – Heliox AC–V. Держатель с рупором и образцом устанавливался на холодную плиту криостата. Проводилось два типа измерений: измерение спектрального отклика, когда в качестве источника излучения использовали лампу обратной волны (ЛОВ) диапазона 230…380 ГГц и измерение оптического отклика на излучение черного тела (ЧТ).

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

При измерении спектрального отклика сигнал от источника излучения (ЛОВ) претерпевает множественные отражения на пути к приемной матрице. В наших ранних работах сигнал, измеряемый с болометрической матрицы, нормировался на опорный сигнал, измеряемый пироэлектрическим приемником, расположенным снаружи криостата (см. рис. 12а). Для того чтобы более точно измерить спектральный отклик, необходима дополнительная калибровка на опорный сигнал, который необходимо измерять внутри криостата. Такая методика была реализована в двух вариантах: с использованием резистора для поверхностного монтажа на основе оксида рутения [13] и с использованием последовательной цепочки СИН-переходов. Как видно из эксперимента (рис. 14), собственно матрица является существенно более широкополосным приемником, что было показано в экспериментах с иммерсионной сапфировой линзой и калибровкой по резистору внутри криостата (см. рис. 14). Основной расчетный максимум находится в районе 350 ГГц, а также на субгармониках и комбинационных частотах, поскольку к каждой антенне подключены элементы соседних антенн и наблюдаются резонансы на характерных размерах больше половины эквивалентной длины волны в диэлектрике на частотах в районе 230 и 160 ГГц.

Нормировка принимаемого сигнала на отклик длинной последовательной цепочки СИН-переходов и непрерывная развертка частоты источника позволяют получить достаточно гладкие зависимости принимаемого сигнала (рис. 15).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны, изготовлены и экспериментально исследованы матрицы кольцевых планарных антенн с интегрированными СИНИС-болометрами. Для согласования приходящего сигнала с приемной матрицей эффективно использовать интегрирующую полость. Показано, что в случае облучения матрицы со стороны антенн заметно возрастает уровень принимаемого сигнала. Чтобы получить более точный спектральный отклик приемной матрицы необходима дополнительная нормировка на опорный сигнал, измеряемый внутри криостата.