Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред (1097557), страница 17
Текст из файла (страница 17)
При вводе начувствительный элемент принимаемого сигнала происходят изменения либо добротности, либорезонансной частоты СВЧ-резонатора, вызванные изменением проводимости облучаемогоматериала.При отработке и оптимизации электродинамической составляющей такого типаприемника при комнатной температуре мы моделировали чувствительный элемент пластинойGe того же размера, который имел при комнатной температуре ту же проводимость, что и InSbпри гелиевой, кроме того, эти полупроводниковые материалы имели близкие значенияотносительной диэлектрической проницаемости InSb( ε = 17 ) и Ge( ε = 16 ). Освещая образец/Ge оптическим излучениемλИК/= 1,9 мкм (полоса собственного поглощения Ge), можно былоизменять проводимость чувствительного элемента, моделируя тем самым воздействие ММВсигнала на чувствительный элемент и проводить исследования возмущенных характеристикдвухчастотной электродинамической системы.2.1.
Двухчастотный резонатор.Проведенный нами теоретический анализ зависимости добротности двухчастотногорезонатора от положения, геометрических размеров и проводимости чувствительногоэлемента, показал, что оптимальной является электродинамическая схема, в которой СВЧрезонатор представляет собой объемный цилиндрический резонатор, возбужденный на типеколебаний Н111, а ММВ-резонатор-квазиоптическую резонансную систему, состоящую из парызеркал, одно из которых плоское, а другое - сферическое, являющихся одновременноторцевыми стенками объемного СВЧ-резонатора. Основными параметрами, определяющимихарактеристикидвухчастотногорезонатораявляетсяегоширокополосностьичувствительность к изменению проводимости полупроводникового чувствительного элемента.Поскольку ограничения на величину добротности, определяемые временем релаксацииτ неравновесной проводимости по энергии, наиболее критичны для СВЧ-резонатора (в связи стем, что f 〈〈 f), необходимо было прежде всего обеспечить оптимальное взаимодействиеСВЧММВполупроводникового чувствительного элемента с СВЧ-полем в заданной полосе пропускания∆fСВЧ≥ 1 / 2πτ .
Проведенный теоретический анализ позволил определить связь измененийдобротности СВЧ-резонатора с величиной проводимости полупроводниковой пластины сучетом потерь в стенках резонатора и в подводящих петлях связи.Поля в квазиоптическом резонаторе ограничены каустической поверхностью. Придостаточных размерах зеркал каустические поверхности низших типов колебаний не доходятдо края зеркал и эти колебания обладают малыми дифракционными потерями. Проведяаналогичные расчеты по оптимизации параметров квазиоптического резонатора с учетомвеличины дифракционных потерь и коэффициента связи резонатора с внешней нагрузкой61(связь осуществлялась через круглое отверстие, расположенное в центре сферическогозеркала), были получены соотношения связи добротности квазиоптического резонатора сразмерами и проводимостью полупроводникового образца.В результате проведенных теоретических исследований были выбраны оптимальныепараметры( λ СВЧ = 3см, λ ММВ = 4 мм )двухчастотногосферического зеркалаr0резонатора:радиускривизны= 5,08см , радиус цилиндрического объемного резонатора R=2,31см.При этом реализуется возможность расположения полупроводниковой пластины одновременнов максимуме электрического поля СВЧ и ММВ волны.2.2.
Анализ шумовых характеристик.Проведенный анализ возможных источников шумов для такого способа приема ММВ(джонсоновский, генерационно-рекомбинационный, фоновый и тепловой), показал, чтоосновным, ограничивающим чувствительность приемника в выбранной схеме, являетсятепловойшум.Среднеквадратичнаяфлуктуациямощности,проходящаячерезполупроводниковый элемент, обусловленная тепловой природой, может быть найдена изсоотношения:∆P = 2T K B 1 / 2 , где T-эффективная температура(σ0)электронного газа, К - постоянная Больцмана, B-полоса пропускания системы,эффективная теплопроводность электронного газа, которая имеет вид:σ0⎛= 3 ⎜σ2⎜⎝σ -проводимость полупроводникового материала, Ti-температура решетки,βσ0-⎞⎟, гдеβT i ⎟⎠V-параметр,который характеризует отклонение характеристики фотосопротивления от закона Ома, Vобъем образца.2.3.
Предельная чувствительность приемника ММВ.Используя полученные при анализе работы предложенной схемы приемника ММВ с СВЧсмещением на основе двухчастотного резонатора результаты, была проведена оценкамаксимально достижимой предельной чувствительности такого приемника для реальныхпараметров пластины InSb при температуре Т=4,20K ( σ ≈ 4 ом-1м-1, τ ≈ 10-8c, ε = 17).444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444Прианализе чувствительности правомерно было предположить, что основная часть энергиинеравновесных (горячих) носителей теряется при соударениях с решеткой. При отсутствииоблучения СВЧ и ММВ излучениями электроны в зоне проводимости полупроводниканаходятся в термодинамическом равновесии с решеткой при температуре Т0.
При облучениипроисходит увеличение эффективной температуры электронов, что приводит к увеличению ихподвижности и, как следствие, к изменению удельной проводимости образца. В результатеанализа было показано, что изменения проводимости образца при воздействии ММВ и СВЧизлучений может быть оценено из соотношения:∆σ=dσKKτPncV (1 + j ω τ ) dT1s2ММВ,Mгде К1,K2 - эффективность поглощения СВЧ и ММВ волн, n-концентрация свободныхносителей заряда, c-теплоемкость электронного газа, Vs-объем полупроводникового образца,ω M -модуляционная частота ММВ.62Проведенная оценка на уровне тепловых шумов полупроводниковой пластины InSbпоказала, что предельная чувствительность такого приемника может достигатьзначений: D ≅ 10 −14 ÷ 10 −15 вт / Гц1/ 2 ,приполосепропускания∆f ≈ 10 7 Гц .
При этомsсупергетеродинныйСВЧ-приемникдолжен−19DСВЧ ≈ 10 вт / Гц при той же полосе пропускания.иметьпредельнуючувствительность2.4. Экспериментальное исследование приемника ММВ.4Проведенное методом пробного тела исследование распределения электрических полей вдвухчастотном резонаторе при комнатной температуре (моделированием чувствительногоэлемента пластиной Ge) показали, что в квазиоптическом резонаторе устанавливается исохраняется при внесении в него полупроводниковой пластины, тип колебаний H00q,каустическая поверхность меньше диаметра полупроводниковой пластины и ее диаметрмаксимален вблизи сферического зеркала.
Добротность резонатора с пластиной и без неесоставлял Qн=215 и 900 соответственно, что являлось приемлемым с точки зрения обеспечениямаксимально возможной полосы пропускания, определяемой временем релаксациивозбужденных носителей заряда по энергии.Исследование СВЧ-резонатора проводилось по аналогичной методике.
Распределениеэлектрического поля в резонаторе соответствовало типу колебаний Н111 и искажалось несущественно при внесении в резонатор полупроводниковой пластины Ge. Соответствующиевеличины добротностей составляли QH=680 и 800, что также удовлетворяло требуемой полосепропускания.Экспериментально измеренная предельная чувствительность исследуемого типаприемника составила величину≈ 3⋅10 −12 вт / Гц 1 / 2 , что с одной стороны говорило оDЭКСбезусловной перспективности такой схемы приема как в ММВ, так и в СММВ диапазоне,поскольку сам по себе результат соответствовал лучшим достижениям на тот период. С другой– полученное значение предельной чувствительности было несколько ниже теоретическойоценки, приведенной выше.
Последнее обстоятельство в основном было обусловленонедостаточным качеством используемой нами в эксперименте СВЧ и ММВ элементной базы,что и привело к относительно большим потерям в процессе распространения этих излучений вволноведущих линиях установки и последующей их обработки.3. Приемники ММВ и СубММВ на основе эффекта Джозефсона [17,25,32,38,39].Одними из наиболее чувствительных и широкополосных приемников ММВ и СММВ напериод проведения нами исследований, являлись приемники, основанные на эффектеДжозефсона. Однако, имея рекордные на тот период характеристики, им было прис4уще двасущественных недостатка, которые ограничивали возможность их применения .Во-первых,очень низкое сопротивление джозефсоновского перехода, не позволяющее достичь предельновысоких чувствительностей таких приемников из-за отсутствия согласования волноведущейлинии и джозефсоновского перехода и, во-вторых, малый динамический диапазон такихприемников.Одним из способов решения этих проблем было изготовление не одиночныхджозефсоновских переходов, а создание системы из многих переходов, соединенных в решетку.При достаточно близком расположении переходов в решетке и при наличии внешнегоизлучения они самосинхронизируются, и такая система взаимодействует с внешним полем какодин переход, но при этом ступеньки на ВАХ под действием внешнего поля возникают при63напряжениях в М (М-число переходов в системе) раз больших, чем у одного перехода, причем,число фотонов генерируемых решеткой возрастает в М2 раз, а шумы при этом растутпропорционально М1/2.
Таким образом, создание решеток из джозефсоновских переходов моглоспособствовать решению как проблемы динамического диапазона таких приемников, так иповышению уровня их согласования с волноведущими линиями. Однако, имеющиеся на тотмомент достижения по технологии изготовления как одиночных переходов, так и решетокстрадали низкой воспроизводимостью и, кроме того, никак не решался вопрос их согласованияс линией передачи ММВ или СММВ.Поскольку нами были разработаны различные способы достижения полного согласованиякак слабопоглощающих, так и сильноотражающих материалов в различных диапазонахэлектромагнитного спектра, то естественным было приме4нить их для решения проблемджозефсоновских приемников. Однако, в виду того, что существующие на тот моментджозефсоновские переходы были далеки по своим параметрам от требуемых, нами былипредприняты также исследования по отработке технологии их изготовления с высокойвоспроизводимостью параметров и возможно более высоким сопротивлением.3.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
