Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Широкополосные высокостабильные терагерцовые смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN. Монография
.pdf
Рис. 15. Вольт-амперные характеристики HEB смесителя, накаченного комбинацией
гетеродина с частотой 0,81 ТГц и СВЧ излучения с частотой 17,3 ГГц.
Уровни мощности гетеродина на частоте 0,81 ТГц, приведенные
к оптимальному, равны 100% (○), 80% (▲) и 60% (♦).
Как показано на рис. 15, формы 3-х накаченных вольт-
амперных характеристик разные. Если бы инжектированная
СВЧ мощность оказывала такое же влияние на HEB смеситель, как и мощность гетеродина на частоте 0,81 ТГц, тогда
все три кривые были бы одинаковыми. Чтобы понять этот
эффект, следует заметить, что для эффективной работы смесителя электронная температура должна быть близка к критической температуре пленки, и энергетическая щель подавлена, так что частота гетеродина 0,81 ТГц выше частоты
щели, и куперовские пары распариваются излучением гетеродина. Тем не менее, частота щели пленки NbN все еще
выше частоты СВЧ излучения 17,3 ГГц. По этой причине при
замене гетеродина с частотой 0,81 ТГц на СВЧ гетеродин
форма накаченной вольт-амперной характеристики HEB
смесителя меняется. Можно попытаться объяснить это явление, если разобраться, что на самом деле происходит
в пленке, именно в механизме перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние при этих условиях. Это
61
может быть просто процесс распаривания Гинзбурга-Ландау.
Или же явление может быть связано с действием вихрей
в пленке. Наконец, разница в эффектах может быть связана
с разницей в импедансах пленки на этих частотах.
Хотя в данный момент нельзя дать определенного заключения о микроскопическом влиянии СВЧ излучения на HEB
смеситель, инжектируемый СВЧ сигнал может быть успешно
использован для уменьшения нестабильности коэффициента преобразования в работающем HEB смесителе посредством простой системы обратной связи. Детали описываются в следующем параграфе.
4.2. Исследование стабильности
волноводного HEB приемника
Для того, чтобы измерить стабильность HEB приемника,
сначала было необходимо измерить стабильность тракта
ПЧ, включая квадратичный детектор, DC усилитель и мультиметр. Для этой цели был использован шумовой источник
[92] для генерации белого шума в частотном диапазоне
0,01–3 ГГц на входе тракта ПЧ; мощность шума равнялась
3 дБм. Используя более узкий полосовой фильтр и соответствующий аттенюатор, было найдено, что измеренная
дисперсия Аллана зависела от времени интегрирования как
1/Bt, соответственно классическому уравнению радиометра
(31), вплоть до точки перехода от белого шума к дрейфу при
t = 5 с.
Стабильность приемника была затем измерена в точке
с минимальной шумовой температурой. Были проделаны
серии измерений, с попеременно открытой и закрытой
цепью обратной связи. Для этих измерений цепь обратной
связи содержала только интегральный член. При работающей цепи обратной связи уровень СВЧ мощности в момент времени t подстраивается следующим образом:
62
t
ξ=
( ) (0) ,
Pt P K I I
= − ξ−τ −
( )
∑
ξ=τ
)
(
preset
(63)
где P(0) – начальный уровень СВЧ мощности, обычно примерно –5 дБм; K = –0,01 дБ/мкА, I
– значение тока сме-
preset
сителя в рабочей точке с минимальной шумовой температурой; 1/t ≈ 65 Гц – частота сэмплирования.
Если частота излучения много меньше, чем частота щели
сверхпроводника, вольт-амперные характеристики HEB
смесителя при ВЧ накачке будут срывными до тех пор, пока
уровень мощности не увеличится настолько, что устройство
станет практически нормальным. Вольт-амперные характеристики ведут себя подобным образом, когда гетеродин на
частоте 0,81 ТГц комбинируется с СВЧ излучением на частоте 17,3 ГГц, и уровень мощности СВЧ излучения высок
(см. обсуждение выше). Как эмпирическое правило, было
установлено, что если вольт-амперная характеристика HEB
устройства не имеет области с отрицательным дифференциальным сопротивлением, когда и терагерцовый сигнал
и СВЧ сигнал используются для задания рабочей точки,
начальный уровень СВЧ сигнала не слишком высок
(см. рис. 15). С другой стороны, уровень мощности инжектируемого СВЧ излучения должен быть достаточен, чтобы
был резерв для подстройки на случай внезапных сильных
флуктуаций тока смесителя во время эксперимента. Коэффициент K в (63) находится экспериментально путем измерения изменения тока смесителя при изменении мощности СВЧ излучения. Начальное значение K было выбрано равным –2 дБ/мкА. Однако во время последующих
экспериментов было найдено, что значение –0.1 дБ/мкА
давало лучший результат. На рис. 16 показан ток HEB смесителя как функция времени при открытой и закрытой цепи
обратной связи. Также показан уровень инжектированой
СВЧ мощности как функции времени. Можно видеть, что
использование СВЧ цепи обратной связи позволяет полностью стабилизировать рабочую точку смесителя.
Измерения стабильности всего тракта ПЧ, включая холод-
ный HEMT усилитель, проводятся путем установления смещения смесителя в ноль и выключения гетеродина (для предотвращения влияния флуктуаций мощности гетеродина на
импеданс смесителя) и сканирования выходного напряжения
квадратичного детектора. Следует отметить, что стабильность
63
тракта ПЧ не зависит от того, равно ли напряжения смещения нулю или оно настолько высоко, что образец находится
в нормальном состоянии. В обоих случаях графики дисперсии
Аллана выглядят идентично.
Рис. 16. Ток HEB смесителя как функция времени при открытой (D)
и закрытой (▼). Также показан уровень инжектированной СВЧ мощности (○)
Рис. 17. Дисперсия Аллана HEB приемника с открытой (●) и закрытой (□) цепью
обратной связи. Также показан график дисперсии Аллана для ПЧ тракта (▼)
и 380-МГц уравнение радиометра (прямая линия)
64
Результаты измерений стабильности представлены на
;.
kk
sS S
SN
= =−
[ ]
1
2
2
1
0
1
() () ()
2
M
A ii
i
n xn x n
M
−
+
=
σ≡ − =
∑
kk
ss
=−
рис. 17. Графики дисперсии Аллана для приемника в рабочей
точке имеют плато, простирающееся от 1 с до 10 с, что указывает на наличие 1/f шума. Этот тип шума отсутствует на графике вариации Аллана для тракта ПЧ. Kooi et al [27] показали, что
при увеличении частоты гетеродина выше 2,8 ТГц вклад 1/f
шума становится меньше, откуда было сделано заключение, что
этот тип шума, по всей видимости, связан с некими процессами
в горячем пятне смесителя. Однако отдельные измерения стабильности гетеродина, используемого в данном исследовании,
путем измерения тока, протекающего во втором каскаде умножения частоты, указывают, что 1/f шум может быть связан с самим гетеродином. Вполне вероятно, что тип гетеродина оказывает существенное влия-ние на флуктуации в смесителе.
Несколько слов следует сказать о процедуре, используемой
для расчета дисперсии Аллана. Выход S квадратичного детекто-
ра сэмплируется в течение некоторого промежутка времени,
чтобы набрать матрицу из N ~ 10
S
=≡
4
точек Sk. Данные нормируются
1
N
−
k
1
(64)
∑
k
0
=
После этого новая матрица [sk] разбивается на M малых
матриц длины n = N/M (конечно, если взять произвольное
n, M = N/n не обязательно окажется целым числом; в этом
случае исходная матрица оборачивается, то есть столько ее
элементов берется сверху и добавляется вниз, сколько нужно, чтобы сделать M целым), и считается среднее арифметическое каждой малой матрицы; получается M элементов:
( 1) 1
in
−−
xn s i M
где в явном виде показана зависимость элементов x
1
( ) , 0 1,
ik
∑
n
k in
=
(65)
от дли-
i
ны n малой матрицы. Используя (65), дисперсия Аллана
считается следующим образом:
( 1) 1 ( 1) 1
in in
+− +−
1
M
−
11 1
∑∑ ∑
Mn n
2
0 ( 1)
i k in k i n
= = =+
2
(66)
.
65
Как видно из рис. 17, использование системы обратной
связи улучшает стабильность приемника путем сдвигания
точки перехода от 1/f шума к дрейфу до значения порядка
10 с. Это означает, что в режиме полной мощности интегрирование можно проводить в течение примерно 10 с без ухудшения отношения сигнал-шум. В случае открытой цепи,
интегрирование в течение того же времени приведет к деградации работы приемника. Сравнение графиков дисперсии
Аллана для тракта ПЧ и приемника в рабочей точке при закрытой цепи обратной связи указывает на то, что предел работы приемника задается дрейфом в тракте ПЧ.
4.3. Температурное разрешение волноводного
HEB приемника в радиометрическом режиме
Хотя температурное разрешение приемника в радиометрическом режиме можно извлечь из измерений дисперсии
Аллана, калибровочный модуль позволяет провести прямое
измерение температурного разрешения. Температура азотной
нагрузки предполагалась равной 77 К, температура комнатной нагрузки была равна примерно 295 К, температура нагретой нагрузки была выставлена 298 К. Разница в 3 градуса
была выбрана для простоты обработки данных. Калибровочный модуль был аккуратно отъюстирован. При помощи небольшого поглотителя перед холодной нагрузкой ширина
луча была найдена равной примерно 4 см, что меньше, чем
9-сантиметровый диаметр нагрузок. После юстировки, вокруг приемника были поставлены поглотители для предотвращения паразитных переотражений.
Для передвижения нагрузки в заданное положение требуется примерно 2 с. При условии, что время Аллана приемника составляет примерно 20 с при активной цепи обратной
связи, нагрузки переключались каждые 5 с в следующей последовательности: нагретая-комнатная-холодная. Полный
цикл равнялся 25 с, включая время движения и мертвое время. Если T
и холодной нагрузок соответственно, и P
ветствующие уровни мощности, усредненные по 5-секунд-
heat
, T
amb
и T
– температуры нагретой, комнатной
cold
heat
, P
amb
и P
cold
соот-
66
ному интервалу, температура нагретой нагрузки для каждого
() .
PP
PP
цикла может быть определена как
−
=+ −
T T TT
heat amb amb cold
heat amb
−
amb cold
(67)
Каждый скан длился 20 мин, что давало примерно 40
полных циклов в скане. Разброс данных вокруг среднего
значения T
за время скана, представленное стандартным
heat
отклонением, дает температурное разрешение приемника.
Для более прямого определения минимальной детектируемой разницы температур значения P
heat
, P
каждого цикла
amb
были сортированы по ячейкам шириной 0.06% от среднего
значения выходной мощности, и были построены гистограмы для мощностей от нагретой и комнатной нагрузок. На
рис. 18 показаны пары таких гистограмм для двух последовательных сканов, снятых с открытой цепью обратной связи
(сверху) и зактрытой цепью обратной связи (снизу). Без обратной связи гистограммы для нагретой и комнатной нагрузок, отличающихся по температуре на 3 К, практически
неразличимы. В случае закрытой цепи обратной связи гистограммы отстоят на расстояние большее, чем сумма соответствующих стандартных отклонений. Более того, когда
рабочая точка смесителя активно контролируется, минимальная детектируемая разница в температурах может составить менее 1 К.
Анализ значений T
, полученных при помощи (67) для
heat
некоторого числа сканов, дает стандартные отклонения,
или температурные разрешения, равные в среднем 0,7 K
или 1,0 K, в зависимости от того закрыта или открыта цепь
обратной связи. Результат для закрытой цепи обратной связи согласуется с результатом, полученным из анализа соответствующих гистограмм. При анализе гистограмм рассматриваются данные, отстоящие друг от друга на расстояние
25 с, без компенсации дрейфа. Использование (67) означает, что индивидуальные значения калибруются в пределах
25-секундного окна, поэтому дрейф за пределами этого
окна не сказывается на качестве данных. Это показывает,
что СВЧ схема стабилизации эффективна при устранении
дрейфа с характерными временами порядка 25 с.
67
Рис. 18. Гистограммы выходной мощности приемника для двух последовательных
сканов. Верх: с открытой цепью обратной связи; низ: с закрытой цепью обратной
связи. Для четкости ширина колонок равна 0,4 от ширины ячейки
Следует отметить, что режим работы HEB приемника,
установленного на радиотелескопе, отличается от режима,
описанного выше. Вход приемника переключается между
исследуемым объектом (ON измерение) и опорой (OFF из-
68
мерение). Шумовая температура приемника, TR, часто из-
() ,
ON
A ref R R
OFF
P
T TT T
P
=+ −
меряется один раз и считается неизменной на протяжении
многих циклов переключения между объектом и опорой.
Если P
и PON значения выходной мощности для OFF-
OFF
и ON-измерений соответственно, тогда эффективная температура антенны для ON-измерения есть:
(68)
где T
– температура опоры.
ref
Используя холодную нагрузку как опору в (68), эта
2-нагрузочная схема дает стандартные отклонения, или
температурные разрешения 0,9 K и 1,2 K при закрытой
и открытой цепи обратной связи соответственно. Это на
0,2 K хуже, чем результат, полученный с использованием
3 нагрузок, но 2-нагрузочная схема позволяет использовать время интегрирования более эффективно.
Следует отметить, что оценка температурного разрешения
с использованием данных дисперсии Аллана, приведенных на
рис. 17, дает значения температурного разрешения 0,6 K
и 0,8 K при закрытой и открытой цепи обратной связи соответственно. Использование (41) с TA = 300 K, T
T
= 77 K, B = 380 MГц, tA = t
ref
DT
≈ 0,07 K. Это примерно в 10 раз лучше, чем разрешение,
A
= 5 s, dA = d
ref
= 800 K,
R
= 1/5 дает
ref
полученное в эксперименте. Это большое расхождение отчасти
связано с плато 1/f шума, которое можно наблюдать на рис. 17.
По всей вероятности, 1/f шум связан как с самим смесителем,
так и гетеродином [93]. К тому же, при том, что длительность
одного цикла составляла 25 с, что сравнимо со временем Аллана, приемник работал не самым эффективным образом. Несколько более короткий цикл был бы более правилен.
4.4. Температурное разрешение волноводного
HEB приемника в спектроскопическом режиме
Измерения с газовой ячейкой давали еще один способ про-
тестировать схему обратной связи и оценить температурное
разрешение приемника, работающего в спектроскопическом
69
режиме. Выбрав OCS линию испускания с частотой
( ) ( ),
amb B amb R
S k BG T Tν= +
( ) ( ).
base B cold R
S k BG T Tν= +
SS
SS
813,3537060 ГГц, была выставлена частота гетеродина
809,353 ГГц, с учетом 3-децибельной ПЧ отсечки примерно 3 ГГц.
Для каждого измерения FFT спектрометр Acqiris делал
40 сканов, которые затем усреднялись. Каждый скан длился
250 мс, и спектрометр имел 16 384 выходных каналов шириной 60 кГц. Для измерения яркостной температуры газа была
проделана серия измерений: сначала комнатная нагрузка
была помещена за газовой ячейкой, давая спектр
(69)
затем 77 K нагрузка помещалась за ячейкой для получения
спектра испускания
S k BG T Tν= ν+ (70)
() ( () )
cold B gas R
газа на фоне 77 K нагрузки; и, наконец, газовая ячейка откачивалась, и приемник смотрел на 77 К нагрузку через пустую
ячейку, давая
(71)
С этими тремя измерениями яркостная температура газа
как функция частоты определялась следующим образом:
() ()
ν− ν
() ( ) .
ν= + −
T T TT
gas cold amb cold
cold base
() ()
ν− ν
amb base
(72)
Калиброванный спектр затем сглаживался по 12-МГц
окну, давая лоренцевский профиль; спектр приведен на
рис. 19.
Сила спектральной линии затем считалась как разница
между температурой пика и температурой базы. Были проделаны 16 серий измерений, каждая серия при закрытой
и открытой цепи обратной связи. Для каждой серии была
посчитана яркостная температура. Разброс данных составил
1,7 K или 2,8 K в зависимости от того закрыта цепь обратной
связи или открыта. Применение (41) с использованием параметров: T
t
= t
= 0,25 s, dA = d
A
ref
= 300 K, TR = 800 K, T
A
= 1/3, дает DTA ≈ 1,4 K. Это находится
ref
= 77 K, B = 12 MГц,
ref
в очень хорошем согласии с результатами, полученными из
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]