УДК 621.383.2 / 535.343.4
СУПЕРГЕТЕРОДИН В ТЕРАГЕРЦОВОМ СПЕКТРОМЕТРЕ
Л.И.Федосеев,
В.В.Паршин
Институт
прикладной физики РАН
Получена 9 ноября 2007 г.
В резонаторном спектрометре на частоте 112,9 ГГц проведено прямое сопоставление эффективности работы в качестве индикатора излучения детекторного и супергетеродинного приемников. Оценены перспективы применения их в субмиллиметровом диапазоне длин волн, в частности, - выигрыш в пороговой чувствительности спектрометра с супергетеродином по сравнению со спектрометром с детектором на частотах вплоть до 2,5 ТГц.
1.Введение
В большинстве абсорбционных спектрометров миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн до сих пор по традиции в качестве чувствительных элементов используются тепловые болометры, оптико-акустические приемники (ОАП) и детекторные приемники на базе кристаллических диодов. Преимущество их перед супергетеродинами заключается в относительной простоте и возможности работать без подстройки в широком интервале частот (даже у кристаллических детекторов он достигает 30% от средней частоты [1]). При этом их и других неохлаждаемых приемников типичная пороговая чувствительность лежит в пределах
-
[1,2]. Применение же супергетеродинных приемников (также неохлаждаемых), очевидно, позволило бы значительно улучшить качество исследований за счет еще более высокой их чувствительности и быстродействия (см., например, [3]). Не менее важно сохранение потенциала спектрометров, падение которого наметилось в связи с переходом от электронных источников излучения на полупроводниковые с существенно меньшей выходной мощностью.
С целью демонстрации некоторых неиспользованных возможностей и перспектив развития имеющейся неохлаждаемой аппаратуры был проведен описываемый ниже эксперимент на базе резонаторного спектрометра [4] с детекторным приемником, замещавшимся специально подобранным супергетеродином.
2.Аппаратура, методика и результаты измерений
Не останавливаясь подробно на описании резонаторного спектрометра [4], отметим, что в настоящее время он значительно усовершенствован [5,6]. В нем применен новый гибридный волноводно-квазиоптический тракт запитки резонатора и системы фазовой стабилизации частоты источников излучения - ламп обратной волны (ЛОВ), а для перекрытия расширенного рабочего диапазона (36 – 360 ГГц) используется 6 сменных генерирующих модулей, выполненных в едином стиле с едиными установочными размерами. Дискретность перестройки частоты равна 0,3 Гц во всем диапазоне частот. Стабильность частоты излучения определяется базовым кварцевым или рубидиевым генератором.
Резонатор Фабри-Перо (с добротностью ~ 600000) и автоматизированная система сбора и обработки информации в последнем варианте спектрометра – общие для всех поддиапазонов. Без изменения пока остались и детекторные приемники излучения на базе планарных диодов с барьером Шоттки (ДБШ). Лучшие из работающих без смещения ДБШ-детекторов, включая и штатный детектор резонаторного спектрометра [6] обеспечивают в районе 100 - 120 ГГц пороговую чувствительность около
.
При сопоставлении эффективности работы спектрометра со штатным ДБШ-детектором и с супергетеродином в качестве последнего был использован неохлаждаемый приемник, входящий в состав радиометра [7]. Его стабилизированный по кварцу гетеродин был настроен на частоту 113,7 ГГц, полоса усилителя промежуточной частоты (УПЧ) перекрывала интервал 100 - 1500 МГц, что позволяло при работе в двухполосном режиме фиксировать отклик резонатора Фабри-Перо на частотах, соответствующих девяти его продольным модам (с неравномерностью ±2 дБ), а установка в тракте УПЧ дополнительного фильтра с шириной полосы пропускания
позволяла выделять одну моду. Этот приемник с вентилем на входе подсоединялся через регулируемый аттенюатор к рупору, идентичному используемому при работе с ДБШ-детектором, образуя модуль с такими же, как у детекторного модуля установочными элементами. Благодаря этому удавалось быстро заменять один приемник другим. При этом измеренная с помощью согласованных нагрузок, находящихся при комнатной температуре и при температуре кипящего азота, соответственно, двухполосная шумовая температура системы рупор - открытый аттенюатор – вентиль - супергетеродин составила
.
Сигнал с выхода УПЧ также через регулируемый аттенюатор подавался на квадратичный детектор и затем на усилитель низкой частоты (УНЧ) с полосой
10 кГц. Начиная с УНЧ, весь тракт дальнейшей обработки так же, как и тракт управления ЛОВ, во время измерений оставались без изменений.
Эксперимент начинался с приема штатным ДБШ-детектором частотно-модулированного излучения ЛОВ в окрестности резонансной частоты (112907,59 МГц) одной из мод резонатора Фабри-Перо, совпадающей еще и со средней частотой настройки низкочастотного приемного канала супергетеродина с дополнительным фильтром шириной 100 МГц. Девиация частоты зондирующего ЛОВ-генератора подбиралась такой, чтобы видеть всю резонансную кривую, соответствующую выбранной моде резонатора. С помощью аттенюаторов, стоящих на выходе ЛОВ, устанавливалась величина сигнала примерно в 20 раз превышающего ширину шумовой дорожки на выходе УНЧ (при этом сохранялся режим квадратичности детектора).
Затем при полностью закрытых СВЧ-аттенюаторах излучателя и приемников детекторный модуль замещался супергетеродинным. С помощью стоящих в его УПЧ-тракте аттенюаторов устанавливался режим, при котором уровень шума на выходе УНЧ определялся величиной двухполосной шумовой температуры
. Наконец, с помощью входного аттенюатора супергетеродинного модуля подбиралось соотношение сигнал/шум, близкое к имевшему место в случае детекторного приема.
Во всех упомянутых измерениях контролировалась квадратичность отклика детектора путем сравнения ширины резонансной кривой рабочей моды при различных уровнях сигнала.
В результате описываемого демонстрационного эксперимента на частоте
112,9 ГГц измерен выигрыш
в пороговой чувствительности спектрометра [6] при работе с супергетеродином из [7] с полосой УПЧ
=100 МГц по сравнению со случаем использования штатного детекторного приемника с планарным ДБШ:
3. Субмиллиметровые перспективы
С ростом частоты
мощность, генерируемая различными источниками, используемыми в спектрометрах, как правило, падает. Это делает актуальным вопрос о частотном ходе пороговой чувствительности приемников или их минимально обнаружимой мощности
при данной постоянной времени.
Среди вышеупомянутых неохлаждаемых приемников чувствительность сохраняется во всем субмиллиметровом диапазоне только у болометрических приемников. К сожалению, у детекторных приемников и у супергетеродинов ухудшение чувствительности начинается уже в коротковолновой части миллиметрового диапазона. Так, согласно [8], в случае работающих без смещения детекторов с прижимными контактами в диапазоне 150 – 1000 ГГц частотный ход минимально обнаружимой мощности при постоянной времени 1 с (см. Рис.1) довольно хорошо описывается соотношением
а в случае планарных ДБШ в диапазоне 110 –375 ГГц -
Что касается
- пороговой чувствительности супергетеродинов, то она пропорциональна шумовой температуре приемной системы
и полосе УПЧ
Поэтому для выяснения тенденции изменения с частотой их пороговой чувствительности достаточно сопоставить данные о шумовой температуре приемников с близкими параметрами УПЧ. Такой набор значений двухполосной температуры
супергетеродинов с шумовой температурой УПЧ
≈60 К и полосой
Из (1), (3), (5) следует, что выигрыш
Аналогично в случае прижимных контактов
Из (1), (6) и (7) следует, что выигрыш в пороговой чувствительности спектрометра с супергетеродином по сравнению с детекторным спектрометром вблизи частоты 2,5 ТГц должен составлять около 83 дБ и 60 дБ для случаев применения детекторов с планарными и прижимными контактами, соответственно.
Подчеркнем, что пороговая чувствительность
супергетеродина с
100 МГц и
(т.е. превосходит величину пороговой чувствительности получившего широкое распространение в спектроскопии охлаждаемого жидким гелием InSb-болометра фирмы QMC Instruments [15]), но и может быть улучшена еще, по крайней мере, на 2-3 порядка путем сужения полосы УПЧ
, т.е. путем реализации режима линейного приемника.
Однако это потребует создания системы фазовой автоподстройки частоты гетеродина под частоту зондирующего генератора спектрометра – во всем диапазоне перестройки последнего.
Таким образом, в результате эксперимента продемонстрирована возможность существенного повышения соотношения сигнал/шум при использовании в абсорбционном резонаторном спектрометре супергетеродинного приемника вместо детекторного и показано, что с ростом частоты выигрыш от применения супергетеродина по сравнению с детектором будет только возрастать, по крайней мере, до частот не менее 2,5 ТГц.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (Проект 05-02-17522).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дрягин Ю.А., Федосеев Л.И. Детекторные радиометры миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1966. Т.12. №6. С.813 – 819.
2. Техника спектроскопии в дальней инфракрасной, субмиллиметровой и миллиметровой областях спектра. Перевод с английского под редакцией д-ра физ.-мат. наук Т.М.Лифшица. Издательство «Мир». Москва. 1970.
3. Afsar M.N., Hanyi Ding, Khaled Tourshan. A new 60 GHz open resonator technique for precision permittivity and loss-tangent measurement // IEEE Transactions on instrumentation and measurement. 1999. Vol.48. No.2. Pp. 626 - 630.
4. Krupnov A.F., Tretyakov M. Yu., Parshin V.V., Shanin V.N., Myasnikova S.E. Modern millimeter- wave resonator spectroscopy of broad lines // Journal of Molecular Spectroscopy.2000. Vol.202. No.1. Pp. 107 - 115. 2000
5. Паршин В.В, Андрианов А.Ф, Власов С.Н., Копосова Е.Ю, Мясникова С.Е., Третьяков М.Ю., Шанин В.Н., Шкаев А.П. Резонаторный спектрометр диапазона 36 -360 ГГц. Результаты исследований диэлектриков со сверхмалым поглощением // Всероссийский семинар по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона. Тезисы докладов. С.23 – 24. Нижний Новгород. 2005.
6. Parshin V.V. The precise microwave resonator spectroscopy of gases and condensed media // Proceeding of 6th International Kharkov Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and SubMillimeter Waves. (MSMW'07). Kharkov. Ukraine.2007 June 25-30. Pp.30-35.
7. Федосеев Л.И., Божков В.Г., Геннеберг В.Г., Петров И.В., Шкаев А.П. Радиометр 3-миллиметрового диапазона длин волн с модулятором-калибратором // Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. Тезисы докладов. С.53 – 54. Нижний Новгород. 2007.
8. Дрягин Ю.А, Кукин Л.М., Лубяко Л.В., Федосеев Л.И. Субмиллиметровые детекторы на планарных диодах с барьером Шоттки // Материалы XIV отраслевого координационного семинара по СВЧ технике. С.109 – 11. Нижегородская область п. Хахалы. 5 – 8 сентября 2005 г. Нижний Новгород. 2005 г.
9. Федосеев Л.И. Шабанов В.Н. Детектирование субмиллиметрового излучения с помощью точечных контактов вольфрам-кремний-молибден // Радиотехника и электроника. 1973. Т.18. С.645 – 647.
10. Божков В.Г, Геннеберг В.А., Кукин Л.М., Федосеев Л.И. Исследование характеристик преобразовательно-усилительных модулей 3-миллиметрового диапазона длин волн для многолучевых приемных систем радиовидения // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2000. Т.43. №8. С.732 – 737.
11. Божков В.Г., Вдовин В.Ф., Воронов В.Н., Геннеберг В.А., Дрягин Ю.А., Кузнецов И.В., Кукин Л.М., Куркан К.И., Федосеев Л.И. Исследование монолитного балансного смесителя коротковолновой части миллиметрового диапазона // Радиотехника и электроника. 1992. Т. 37. Вып. 4. С. 736-743.
12. Божков В.Г., Геннеберг В.А., Романовская В.Н., Федосеев Л.И., Фригер А.Д., Швецов А.А. Исследование монолитного балансного смесителя 1.5-миллиметрового диапазона // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41. №7. С. 876-881
13. Божков В.Г., Геннеберг В.А., Дрягин Ю.А., Федосеев Л.И. Субмиллиметровый приемник с монолитным балансным смесителем // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1999. Т.42. №6. С.573-579.
14. Titz R.U., Rözer H.P., Schwaab G.W., Neilson H.J., P.A.Wood, Peatman T.W., Prince J, Deaver B.S., Alius H., Dodel G. Invesigation of GaAs Schottky barrier diodes in the THz range // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1990. Vol. 11.No. 6.
.
(1)
,
(2)
.
(3)
.
(4)
.
(5)
.
(6)
.
(7)