ФАЗИРОВАННЫЕ ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЁТКИ С РЕЗОНАНСНЫМИ БОЛОМЕТРАМИ НА ХОЛОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

ФАЗИРОВАННЫЕ ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЁТКИ С
РЕЗОНАНСНЫМИ БОЛОМЕТРАМИ НА ХОЛОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ
M. Saleh2, Л.С. Кузьмин1,2,3, Е.А. Матрозова1, А.В. Гордеева1,
А.В. Чигинев1,4, А.Л. Панкратов1,4, В.А. Малахов1, А.С. Раевский1
1
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.
Алексеева,
2
Чалмерский технологический университет,
3
НИИЯФ МГУ,
4
Институт физики микроструктур РАН
Создание сверхчувствительных приемных систем терагерцового
диапазона представляет собой одну из наиболее сложных и
востребованных задач современной фундаментальной и прикладной
физики и электроники.
Недавно, по результатам американского эксперимента BICEP2
(BackgroundImagingofCosmicExtragalacticPolarization), было объявлено о
детектировании гравитационных волн [1] предсказанных в работах
Алексея Старобинского [2] и Андрея Линде [3]. Гравитационные волны 
это последний фрагмент общей теории относительности Эйнштейна,
явление, которое было предсказано, но еще не наблюдалось до нашего
времени. Гравитационные волны, образовавшиеся в начале эволюции
Вселенной, в соответствии с существующими теоретическими
представлениями, должны были оставить свой отпечаток в вихревой
В-моде поляризации реликтового излучения. Эта В-мода и была
обнаружена фазированными массивами щелевых антенн BICEP2. Однако,
для достоверности результатов, чтобы исключить влияние космической
пыли, необходимо повторение экспериментов на разных частотах.
Европейское Космическое Агентство (ЕКА) приняло амбициозную
космическую программу COSMIC VISION 2015-2025, включающую поиск
поляризации реликтового излучения. Важной целью для ЕКА
представляется уменьшение размеров фокальной плоскости за счет
размещения в ней многочастотных пикселей для сбора данных на разных
частотах [4]. Такой подход позволит решить проблему с аберрацией и
однородностью диаграммы направленности по всей фокальной плоскости.
Ключевую роль в достижении целей ЕКА может сыграть
использование Резонансного Болометра на Холодных Электронах (РБХЭ,
RCEB) [5] в качестве высокочувствительного резонансного элемента,
устойчивого к воздействию космической радиации. Внутренняя частотная
фильтрация осуществляется в нем за счет кинетической индуктивности
сверхпроводящего полоска NbN, и емкости туннельного SIN-перехода
(сверхпроводник-изолятор-нормальный металл). Реализация РБХЭ может
привести к настоящему прорыву в уменьшении размеров и массы массивов
детекторов, что предельно важно для космических систем.
Другим компонентом интегральных болометрических приемных
систем могут стать фазированные многочастотные антенные решетки,
чувствительные к поляризации. Важное достоинство фазированных
массивов в том, что достаточно узкий луч может быть сформирован без
использования линз и рупоров.
Моделирование фазированных антенных решеток было проведено в
CSTMWS. Дизайн одной ячейки и двухполяризационной антенной
решетки 4х4 щели для частот 75 и 105 ГГц приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Дизайн ячейки и фазированной антенной решетки 4х4
щели
Каждый пиксель решетки состоит из 4 щелевых антенн для 2 частот
и 2 поляризаций. Антенна расположена на кремниевой подложке. Запитка
антенны осуществляется синфазно в центре щелей одновременно для
одной из поляризаций. Луч, полученный в результате моделирования
полной антенной решетки 8х8 щелей, приведен на рисунке 2. Ширина луча
составила 23°, кросс-поляризация на уровне -40 дБ.
Рисунок 2 – Диаграммы направленности для 75 и 105 ГГц
Детекторы, сочетающие в себе РБХЭ и многочастотные
фазированные антенные решетки, могут быть использованы не только для
космических миссий, но и в наземных телескопах и на воздушных шарах.
Кроме фундаментальной науки востребованность в детекторах существует
и для таких практических наземных применений, как дистанционный
контроль экологического состояния атмосферы, медицинская диагностика,
контроль безопасности и др.
Работа поддержана МОН (грант 3.2054.2014/K).
[1] BICEP2 II: EXPERIMENT AND THREE-YEAR DATA SET.
BICEP2 COLLABORATION - P. ADE, et al., arXiv:1403.4302v1 [astroph.CO] 17 Mar 2014.
[2] Starobinsky. Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics
Letters, 30, 682 (1979).
[3] A. D. Linde, Physics Letters B, 108, 389 (1982).
[4] The ESA Tender ESTEC ITT AO/1-7256/“Next Generation Submillimetre Wave Focal Plane Array Coupling Concepts”, February 2013.
[5] L. S. Kuzmin. “A Resonant Cold-Electron Bolometer With a Kinetic
Inductance Nanofilter”, IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE
AND
TECHNOLOGY,
VOL.
4,
pp
314-320,
(2014).
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6778093