Multiplixel heterodyne receiver at submillimeter wavelength for atmospheric sounding

• Auteur / Autrice : Jeanne Treutell
• Direction : Gérard Beaudin, Alain Maestrini, Thomas Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris (1667-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Lellouch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Beaudin, Alain Maestrini, Thomas Bertrand, Christophe Gaquière, Jean-Marc Goutoule, Peter de Maagt, Aziz Benlarbi-Delaï
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Gaquière, Jean-Marc Goutoule

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement terahertz

Diodes à barrière de Schottky

Radiométrie

Planètes -- Atmosphères

Résumé

La radiométrie passive dans les longueurs d'onde submillimétriques offre de nouvelles possibilités de sondage des atmosphères et des surfaces planétaires grâce à l'évolution des technologies de détection par spectroscopie hétérodyne. L'utilisation de sondes submillimétriques passives à multicanaux offre un compromis entre sensibilité, couverture spatiale et vitesse d'acquisition. La mise en orbite de tels réseaux de récepteurs implique de résoudre des problématiques liées à l'intégration des sous-systèmes et de leurs performances. Le travail de thèse se concentre sur l'étude et le développement d'éléments de détection pour la constitution d'un réseau de récepteurs hétérodynes aux longueurs d'onde submillimétriques. Cette étude est menée en interaction avec les processus de fabrication des diodes Schottky de laboratoires/commerciales ainsi qu'avec les spécifications niveaux système des instruments contemporains radiométriques embarqués sur avion ou satellites. Tour d'abord, nous étuions les différentes problématiques liées à la réalisation d'un réseau de récepteurs à diode Schottky fonctionnant à température ambiante entre 300 et 400 GHz et présentons l'état de l'art des architectures adaptées au déploiement d'un spectro - imageur submillimétrique. Les points abordés pour répondre à certaines de ces problématiques aboutissent sur des réalisations et tests de composants. En premier lieu, la conception et les test d'un mélangeur subharmonique à 380 GHz est démontré en utilisant des diodes à semi-conducteurs à technologie industrielle. En deuxième lieu, une solution de réduction des besoins en puissance de l'oscillateur local est proposée avec la définition, la conception et les tests d'un mélangeur subharmonique à diodes antiparallèles polarisables à 330 GHz décliné en deux configurations. En troisième lieu, l'intégration des sous-parties de réception et de génération de singaux du système est réalisée sur un même circuit monolithique via la conception d'un circuit combiné tripler / mélageur subharmonique à 330 GHz. Ce circuit permet d'obtenir une grande compacité de l'élément e réception, et ce en couvrant un champ focal avec un espacement entre les éléments de 20 x 20 mm et en nécessitant l'utilisation d'un oscillateur local à 60 GHz avec une puissance de 100 mW.

Sub-millimeter wave radiometry offers new perspectives for the characterization of clouds and rain at global scale. Indeed the use of high frequency multi-pixel receivers will offer new possibilities of observations that are currently limited by the current single-pixel radiometers. Meteorological prediction will benefit from regular and wide coverage data rate from space-born or airborne observations. This can be fulfilled with arrays of heteodyne receiver that offer a trade-of between sensitivity, mapping speed and coverage area. We presentthe main issues for building airborne sub-millimeter receiver arrays in order to determine the drivers of aour study. These study are interacting with the Schottky laboratory/industry fabrication process and the requirement of futur submillimeter heterodyne radiometers. Firstly, the design and test of a 380 GHz suharmonic mixer is presented with industrial technology and Laboratory post processing. Secondly, a solution for decreasing the local oscillator power requirement of a anti-parallel pair of diode with the definition, conception and test of a novel mixer and its IF circuit. Thirdly, we present a very compact front-end element radiiometer, which features an un-cooled combined Schottky diodes mixer and its last stage local oscillator multiplier integrated on to a same circuit, for detecting molecular signature in the 300-360 GHZ frequency range. This radiometer requires a 60 GHz local oscillator signal with 20 dBm of output power. The array covers the focal plane in the two dimensions with a spatial sampling of less than 20 wavelength of the signal frequency