Пассивное и активное радиовидение матричного типа

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10029

НазваниеПассивное и активное радиовидение матричного типа

Руководитель Королев Сергей Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые слова миллиметровые волны, радиовидение, матричный приёмник, квазиоптический объектив, детектор выпрямляющего типа, диод Шоттки (Мотта), низкобарьерный диод, гетероструктура, газофазная эпитаксия, III-V полупроводники, AlGaInAs

Код ГРНТИ47.14.13

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной проблемой, на решение которой направлен данный проект, является создание интегрального матричного приёмника с большим числом элементов, в котором обеспечен высокий уровень чувствительности (вплоть до возможности регистрации теплового излучения), а также обладающего малыми габаритами, весом, умеренным потреблением мощности и приемлемой стоимостью. Реализация указанных свойств позволит создать устройство, выполняющее функции видеокамеры (или прибора ночного видения) в миллиметровом диапазоне длин волн с присущей указанным приборам удобством эксплуатации и мобильностью. Это позволило бы расширить область применения систем контроля и наблюдения миллиметрового диапазона, которые сейчас, как правило, представляют собой стационарные крупногабаритные установки. Решение обозначенной проблемы связано с решением ряда научных и научно-технических задач, часть из которых предполагается решить в ходе выполнения данного проекта. Наиболее перспективное направление развития радиовидения матричного типа связано с использованием пассивного режима работы прибора. В этом случае не требуется источник искусственного излучения, что существенно упрощает схему прибора. При этом естественное излучение распределено более равномерно, отсутствуют блики, что делает изображение более адекватным реальному наполнению сцены. К настоящему времени пассивные системы радиовидения построены либо по супергетеродинной схеме, либо основаны на принципе прямого детектирования с использованием малошумящего усилителя на входе детектора. Недостатками данных подходов являются сложная конструкция, большое потребление мощности и, как следствие, ограниченное число элементов матрицы, что в совокупности делает использование таких систем малопривлекательным. В связи с этим важной задачей мы считаем аналитический поиск и последующее теоретическое и экспериментальное исследование приёмных элементов упрощенной конструкции, которые, и это принципиально, имеют высокий уровень чувствительности, позволяющий детектировать тепловое излучение. Данная задача на сегодняшний день не решена. Параллельно с поиском и исследованием чувствительных элементов нового типа мы планируем продолжить работу над развитием наиболее пригодного на сегодняшний день для задачи построения матричного приёмника полупроводникового прибора — низкобарьерного диода. В данном разделе мы ставим перед собой задачу разработки нового типа низкобарьерного диода — низкобарьерного диода на основе гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs. Существенным отличием данного диода от аналогов является то, что для изготовления гетероструктуры предложенного диода может использоваться стандартная промышленная технология псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов. Это позволяет, во-первых, надеяться на возможность создания интегральной приёмной матрицы с высокой степенью однородности характеристик чувствительных элементов, а, во-вторых, открывает возможность интеграции на одном кристалле низкобарьерного диода и приборов на основе транзисторов с высокой подвижностью электронов, что интересно для ряда смежных задач. Следующей ступенью развития нашей работы являются исследования по регистрации теплового излучения отдельным приёмным элементом простой конструкции, состоящим из низкобарьерного диода, монтированного в антенну. Для решения этой задачи на начальной стадии мы предполагаем использовать имеющуюся оригинальную разработку — низкобарьерный диод Мотта на основе изотипного дельта-легирования. Нам известна только одна научная группа, которая проводила исследования подобного рода, используя низкобарьерный диод на основе межзонного туннельного эффекта. Мы предполагаем расширить знания в этом направлении. Четвёртая часть нашей работы посвящена исследованию возможных подходов к улучшению характеристик матричной системы радиовидения диапазона 92 – 96 ГГц, построенной по новому принципу. В данной системе мы впервые реализовали схему прямого преобразования для каждого приёмного элемента матрицы, что позволило на несколько порядков повысить чувствительность данного приёмника по сравнению с аналогичным приёмником прямого детектирования. В ходе выполнения данной работы мы планируем провести исследования по использованию квазиоптического объектива на основе металлических зеркал вместо квазиоптического объектива на основе диэлектрической линзы, что должно исключить нежелательные переотражения внутри системы, на один-два порядка ухудшающие чувствительность приёмника. Также мы планируем исследовать ряд других технических решений, приводящих к улучшению характеристик системы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На основе гетероструктуры Al/AlGaN/GaN оригинальной конструкции, выращенной на подложке сапфира, разработан элемент интегральной схемы, представляющий собой низкобарьерный диод Шоттки с площадью анода от 3 до 100 мкм^2, интегрированный в копланарную линию передачи. Эффективная высота барьера разработанных диодов может быть снижена до ~ 0.2 эВ без деградации нелинейных свойств диода. Были исследованы детектирующие свойства разработанных диодов. Измерения проводились с использованием векторного анализатора цепей и сверхвысокочастотного зонда в диапазоне частот до 67 ГГц. Критическая частота диода, которая характеризует начало спадания вольт-ваттной чувствительности, составляет ~ 30 ГГц для диодов с площадью анода < ~ 10 мкм^2. Известный закон спадания вольт-ваттной чувствительности (обратно пропорционально квадрату частоты) позволяет интерполировать измеренную зависимость на более высокие частоты. Согласно данной интерполяции, для диода с площадью анода 3 мкм^2 на частоте 100 ГГц вольт-ваттная чувствительность принимает значение 12000 В/Вт, а мощность эквивалентная шуму — 1×10^(-12) Вт/Гц^(1/2). Разработанный интегральный диод на основе гетероструктуры Al/AlGaN/GaN лёг в основу создания интегрального планарного детектора/смесителя. Конструкция данного элемента следующая. На металлическом экране расположена подложка сапфира толщиной 430 мкм квадратной геометрии с размером стороны 2.2 мм. На подложке сапфира сформирована модифицированная щелевая антенна с интегрированным в неё диодом. Геометрические размеры антенны, включая подложку, подобраны таким образом, чтобы обеспечить требуемую форму диаграммы направленности и эффективное согласование с диодом в рабочей полосе частот. Изготовленный макет интегрального планарного детектора/смесителя в диапазоне частот от 78 до 100 ГГц имеет однолепестковую форму диаграммы направленности. В диапазоне частот от 86 до 95 ГГц коэффициент усиления антенны в нормальном направлении составляет > 9 дБ с шириной лепестка диаграммы направленности 40° – 50° в плоскости H и 60° – 90° в плоскости E. В диапазоне частот от 82 до 92 ГГц коэффициент передачи мощности от антенны к диоду составляет > 0.8, то есть реализуется практически идеальное согласование диода и антенны. Вольт-ваттная чувствительность планарного детектора в этом диапазоне составляет 3000 – 4000 В/Вт, а мощность эквивалентная шуму — 4×10^(-12) – 5×10^(-12) Вт/Гц^(1/2). Разработана конструкция и частично отработаны технологические операции изготовления широкополосного волноводного детектора/смесителя для квазиоптического матричного приёмника трёхмиллиметрового диапазона с использованием интегрального диода на основе гетероструктуры Al/AlGaN/GaN. Конструкция детектора/смесителя имеет слоистую структуру, которая позволяет естественным образом перейти от одиночного элемента к матрице. В предложенной конструкции первым слоем приёмной матрицы является матрица рупорных антенн, вторым слоем является сапфировая подложка с матрицей низкобарьерных диодов, интегрированных в согласующий рисунок металлизации, третьим слоем является сверхвысокочастотная печатная плата, являющаяся продолжением волновода, и, наконец, четвёртым слоем является низкочастотная печатная плата. В плоскости антенны матричный элемент имеет квадратную форму с размером стороны 4 мм. В расчётной модели согласующего тракта коэффициент передачи мощности от антенны к диоду имеет значения > -3 дБ в диапазоне частот от 74 до 108 ГГц. Разработан маршрут изготовления матричного элемента, включающий в себя следующие основные стадии: изготовление антенно-волноводной части приёмного, формирование меза-структуры диода, анода, катода и металлизации согласующего элемента на сапфировой подложке, утонение сапфировой подложки, удаление частей сапфировой подложки, монтаж слоёв матричного элемента. Отработана технология изготовления антенно-волноводной части приёмного элемента, для чего использован метод трёхмерной печати с последующей металлизацией. Отработана стадия формирования меза-структуры диода, анода, катода и металлизации согласующего элемента на сапфировой подложке. Отработана процедура утонения подложки сапфира до 70 мкм. Отработаны режимы лазерной резки сапфира для удаления частей сапфировой подложки. Разработан макет матричного радиолокатора трёхмиллиметрового диапазона ближнего радиуса действия, использующий метод квазиоптического формирования изображения. В разработанном методе мощность частотно-модулированного сигнала генератораделится на две части: одна часть идёт на засветку сцены, а вторая часть поступает на матричный приёмник в качестве опорного сигнала. Отражённая от объектов сцены мощность попадает на квазиоптический объектив, который формирует в фокальной плоскости изображение сцены. Расстояние до объектов определяется по величине частоты биений сигнала после смешения принятого и опорного сигнала. В нашем макете используется твердотельный генератор диапазона 92 – 96 ГГц с выходной мощностью 15 дБм, в качестве квазиоптического объектива используется диэлектрическая линза диаметром 100 мм. В качестве матричного приёмника используется оригинальная разработка, основанная на использовании планарных смесителей. В ходе изучения достижимых характеристик разработанного метода было установлено, что основным фактором, снижающим отношение сигнал/шум радиолокационной системы, может являться нежелательная амплитудная модуляция опорного сигнала, качественно повторяющая форму частотной модуляции. Проведённый теоретический анализ позволил определить оптимальную форму модулирующего сигнала с точки зрения величины отношения сигнал/шум и ширины спектрального пика полезного сигнала. Использование треугольной формы модулирующего сигнала позволило в ~ 10 раз увеличить отношение сигнал/шум радиолокатора по сравнению со значением, достигнутым при использовании пилообразной формы модуляции. В итоге, удалось повысить дальнодействие матричной радиолокационной системы до ~ 100 м, что сопоставимо с дальнодействием матричных радиолокаторов трёхмиллиметрового диапазона, основанных на других методах формирования изображения.

Публикации

1. Королев С.А. Анализ и сопоставление характеристик неохлаждаемых диодных детекторов миллиметрового диапазона в рамках обобщенной теоретической модели Журнал технической физики, Том 94, вып. 6, с. 881-887 (год публикации - 2024)
10.61011/JTF.2024.06.58129.204-23

2. Королёв С.А., Зайцев А.В. Влияние формы модулирующего сигнала на спектр выходного сигнала радиолокатора непрерывного излучения с частотной модуляцией Сборник докладов XIII Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и микроэлектроника СВЧ", Cтр. 77-78 (год публикации - 2024)

3. Королев С.А., Зайцев А.В. Матричный радиолокатор трехмиллиметрового диапазона с зеркальным объективом Письма в Журнал технической физики, Том 50, вып. 14, с. 33-36 (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.14.58307.19870

4. Востоков Н.В., Дроздов М.Н., Калинников М.А., Краев С.А., Лобанов Д.Н., Юнин П.А. Диоды Шоттки на основе монокристаллических гетероструктур Al/AlGaN/GaN для микроволнового детектирования с нулевым смещением Журнал технической физики, Том 95, вып. 6, стр. 1148-1156 (год публикации - 2025)

5. Зайцев А.В., Королев С.А. An effect of the modulation waveform on the beat-frequency signal spectrum of a frequency-modulated continuous-wave radar 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC), Moscow, Russian Federation, pp. 54-57 (год публикации - 2025)
10.1109/RMC62880.2024.10846875

6. Королёв С.А., Зайцев А.В. Квазиоптический матричный радиолокатор миллиметрового диапазона Тезисы докладов XIII Всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. - Нижний Новгород: ИПФ РАН, стр. 90 (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Разработанная технология изготовления диодов Шоттки с управляемой высотой барьера на основе технологии нитрида галлия может быть использована для создания детекторных, смесительных и выпрямляющих диодов сверхвысокочастотного диапазона, а также интегральных элементов на их основе, давая преимущество по сравнению с существующими аналогами в плане термостойкости, радиационной стойкости и стойкости к воздействию агрессивных сред. Разработанная матричная система ближней радиолокации может быть использована в автономных транспортных средствах для получения информации об окружающем пространстве, превосходя существующие аналоги по простоте конструкции прибора, позволяющей использовать полупроводниковые технологии, доступные в Российской Федерации.