Récepteurs hétérodynes à détecteurs schottky pour l'étude des atmosphères de planètes // schottky front-ends for future panetary atmospheric missions

Topic description

L'analyse spectroscopique des planètes et de la terre permet d'approfondir notre compréhension de la chimie atmosphérique et de produire des données en entrée des modèles de circulation atmosphérique globaux. Les spectromètres submillimétriques sondent la stratosphère et la mésosphère (entre 12 et 80 km pour la Terre, 20 et 60 km pour Mars). Les spectres mesurés dans les fréquences Térahertz présentent une haute résolution spectrale (R ~ 10⁷) qui permet l'identification de raies d'émission ou d'absorption moléculaires individuelles (sur une largeur de bande relative atteignant 20 %), un spectre instantané jusqu'à plusieurs dizaines de GHz (FI), mais aussi la détermination des vents par la mesure du décalage Doppler de ces raies. En ce qui concerne la stratosphère terrestre, le sondeur Aura Microwave Limb Sounders (AURA-MLS) a mesuré l'ozone à 2.5 THz (NASA, ). Avec la mission KEYSTONE, l'ESA envisage des observations directes de l'oxygène atomique, allant de 0.8 THz à 4.7 THz. Des récepteurs hétérodynes ont été conçus pour mesurer les émissions d'H20 et de CO des comètes (MIRO, imageur micro-ondes de la sonde Rosetta Orbiter à GHz), ou encore celles de Jupiter et de ses lunes glacées (JUICE-SWI), avec deux canaux fonctionnant à 0.6 et 1.2 THz (principalement pour la détection de la raie d'absorption de l'H20 et du CH4 comme traceurs des vents). En septembre, l'instrument MADNESS a été sélectionné par l'ESA pour la mission Lightship pour l'étude de l'atmosphère martienne, et son adaptation à la mission ZefERO est à l'étude. La gamme térahertz (1-10 THz) permet d'accroître la bande passante et la résolution spatiale, de réduire l'encombrement des radiomètres, mais de nombreux défis subsistent. La technologie III-V pour les Schottky THz, tant pour le détecteur (mélangeur) que pour sa source d'oscillateur locale (chaîne de multiplication de fréquence) intègrent des jonctions (diodes) à anode de taille submicronique, dans des circuits de quelques millimètres de long (MMIC). A ces fréquences, les éléments parasites et les pertes de lignes de transmission sont critiques pour les performances de bruit et de la,température du système. Chaque MMIC est intégré dans des blocs mécaniques séparés. Le bloc mélangeur et sa chaîne de multiplication d'oscillateur local (un bloc par élément de multiplication) sont assemblés via des interfaces en guides d'ondes, le tout occupant un volume typique de 20 × 10 × 3 cm³ pour la partie haute fréquence uniquement. Il est donc difficile d'envisager plus qu'un seul élément récepteur par canal, et l'encombrement reste encore très inférieur à celui requis pour constituer un réseau focal entier. Par conséquent, les architectures plus complexes intégrant des canaux à des polarisations différentes ou les récepteurs à double bande latérale (2SB) ne sont pas pleinement mises en œuvre au-delà de GHz. Cette thèse vise à développer de nouvelles architectures, telles que des récepteurs 2SB et leurs méthodes d'intégration. Ces méthodes permettront également de réduire drastiquement l'encombrement de l'étage d'entrée ou d'accroitre les modes d'observation, afin de le rendre compatible avec les configurations multicanaux et/ou multifocales. De nouvelles approches technologiques seront explorées, telles que l'intégration du récepteur frontal dans un élément compact unique, soit par des techniques de fabrication mécanique traditionnelles, soit par usinage par procédé silicium. L'étude portera sur l'exploration de la conception RF de nouveaux schémas de mélangeurs ou de multiplicateurs MMIC, avec des simulations multi-harmoniques, et l'amélioration des performances grâce à des interfaces RF plus optimisées. L'étude théorique, la conception et les mesures RF des nouveaux frontaux THz seront réalisées au LIRA sous la direction de Jeanne Treuttel et Yan Delorme.
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Satellite instruments are deployed for the spectroscopic analysis of the planet atmospheres to further our understanding of chemistry and global circulation models. In particular, Submillimeter spectrometers probe the stratosphere and mesosphere of planets (i.e., at altitudes between 12-80 km for Earth, 70- km for Venus, and 20-60 km for Mars). The spectra thus measured at high spectral resolution (R ~ 10^7) allow not only the identification of individual molecular emission or absorption lines across a relative bandwidth reaching 20 % and an instantaneous spectrum of up to ten's of GHz (IF), but also the determination of winds by measuring the Doppler shift of these lines. Aura's Microwave Limb Sounders-MLS (NASA, ) has flown to measure Earth's stratospheric Ozone at 2.5 THz. Today, the Keyston satellite proposal (phase 0) to ESA suggests direct observations of atomic oxygen and other radicals of the high atmosphere between 0.8 THz and 4.7 THz. Similarly, heterodyne receivers have been built to measure water and carbon monoxide emissions from comets (Microwave Imager for the Rosetta Orbiter-MIRO at GHz); or Jupiter and its Icy moon's atmospheres and surfaces (JUICE-SWI) with two channels working at 0.6 and 1.2 THz (mainly water line and methane as wind tracers). In September ,
the MADNESS instrument has been selected by ESA as baseline instrument onboard Lightship to study Mars' atmosphere, and a similar instrument is also being studied for ZefERO. The Terahertz range (1-10 THz) allows us to increase the frequency range and bandwidth, and at the same time, reduce the radiometer size, but still it still face many challenges. These heterodyne front-end instruments are based on 3 to 4 THz Schottky technology for both the detector (mixer) and its local oscillators
source (frequency multiplier chain). They feature sub-micron anode size Schottky junctions (diodes), integrated in few millimeters long circuits (MMICs), which parasitics and losses remains critical in the system noise temperature performances. They are, for every MMIC, integrated and packaged in separated mechanical blocks. The mixer block plus its LO multiplication chain (one block per multiplication element) are assembled together through waveguide interfaces, filling up a volume of typically 20x10x3 cm^3 for the front-end receiver only. This makes it difficult to consider more than a single receiver element per channels and is still orders of magnitude too large for focal plane array elements. In addition, the receiver performance suffers from multiplicity of interfaces between elements, highly critical at THz frequencies. Therefore, more complexe architectures, such as multiple polarization channels or sideband separating receivers are not common above GHz. This thesis has the ambition to develop new architectural schemes, such as sideband separating receivers and their integration that are required for Schottky-based heterodyne instruments at terahertz frequencies, where the transmission line losses and excess noises in the junctions dominate the system performance. The new architecture will aim also at reducing drastically the front-end volume, in order to make it attractive for multichannels and/or multi-focal elements configurations. New technological approaches will be explored such as integrating the front-end receiver in a unique compact element, either by traditional mechanical manufacturing techniques, or by silicon Micromachining Fabrication Processes and the technical limits will be identified. The study will encompass RF design exploration of new MMIC schemes, with multi- harmonics simulations, and strengthening performances through more elegant interfaces of the MMICs and their neighbouring stages. The theoretical study, design and RF measurements of the novel THz front-ends will be performed at LIRA under the supervision of Dr. Jeanne Treuttel and Dr. Yan Delorme.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

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