UNIVERSIDAD DE CANTABRIA TESIS DOCTORAL



Documentos relacionados
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE COMUNICACIONES TESIS DOCTORAL

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE COMUNICACIONES TESIS DOCTORAL

Título del Proyecto: Sistema Web de gestión de facturas electrónicas.

Sistema de Control Domótico

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS UNIDAD DE POSTGRADO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS E INFORMATICA

Sistemas de impresión y tamaños mínimos Printing Systems and minimum sizes

Este proyecto tiene como finalidad la creación de una aplicación para la gestión y explotación de los teléfonos de los empleados de una gran compañía.

Sistema!de!iluminación!de!un!longboard!

Tesis de Maestría titulada

What is family health history?

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II TRANSFERENCIA DE CALOR

Gaia en las universidades españolas y los centros de inves3gación

DONACION DE OLD TIME FOUNDATION A NIKAO MAORI SCHOOL RAROTONGA ISLAS COOK OCTUBRE 2007


Circuitos Básicos con OAs

ADAPTACIÓN DE REAL TIME WORKSHOP AL SISTEMA OPERATIVO LINUX

From e-pedagogies to activity planners. How can it help a teacher?

FCC Information : Warning: RF warning statement:

Sistema basado en firma digital para enviar datos por Internet de forma segura mediante un navegador.

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL DIRECCIÓN GENERAL DE POSGRADOS MAGÍSTER EN GERENCIA DE NEGOCIOS. Trabajo de grado para la obtención del título de:

Personal Dosimetry Statistics and Specifics of Low Dose Evaluation

MANUAL EASYCHAIR. A) Ingresar su nombre de usuario y password, si ya tiene una cuenta registrada Ó

LAB 2: Circuitos de Corriente Directa (DC) PARTE I OBJECTIVES

Agustiniano Ciudad Salitre School Computer Science Support Guide Second grade First term

Edgar Quiñones. HHRR: Common Sense Does Not Mean Business. Objective

SEMINAR 3: COMPOSITION

TYPE SUITABLE FOR INPUT VOLTAGE. 1 ~ 3 leds 1W VAC 2-12 VDC 350 ma IP67 Blanco White FUSCC-4-350T TYPE POWER INPUT VOLTAGE.


RFID TEMPERATURE SENSOR. Autor: Polo Tascón, David. Director: Kramer, Kathleen. Entidad colaboradora: Advantageous Systems LLC.

Universidad de Guadalajara

TTI in the SKA. November 2012

Kuapay, Inc. Seminario Internacional Modernización de los medios de pago en Chile

English Workout. Indonesians Connect with Feature Phones. 1) What does the boy sell? Answer: 2) Why does he like having a cell phone?

CLIMATIZACIÓN MEDIANTE VENTANAS TERMOACTIVAS BASADAS EN CÉLULAS PELTIER

Comité de usuarios de la RES

DARFM - Diseño y Análisis de Sistemas de RF y Microondas para Comunicaciones

En Rumbo: intermediate Spanish Personal information part 1

OSH: Integrated from school to work.

PROGRAMA PARA ANALIZAR DOCUMENTOS Y DETECTAR

Qué viva la Gráfica de Cien!

RESUMEN DE TRABAJO DE GRADO

UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE INSTITUTO DE POSTGRADO

Learning Masters. Early: Force and Motion

Contents. Introduction. Aims. Software architecture. Tools. Example

Benchmarking de Transporte México. Mayo 2013

GENERAL INFORMATION Project Description

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL TECNOLOGÍA DE PETRÓLEOS TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE TECNÓLOGO EN PETRÓLEOS

DISEÑO DE UN CRONOTERMOSTATO PARA CALEFACCIÓN SOBRE TELÉFONOS MÓVILES. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas.

Broadband Back End Modules for Planck-LFI Radiometers at 30 and 44 GHz

Karina Ocaña Izquierdo

Learning Masters. Early: Animal Bodies

ID. Number: Su Seguridad y Salud al Soldar o Cortar / Your Safety and Health When Welding or Cutting

APLICATIVO WEB PARA LA ADMINISTRACIÓN DE LABORATORIOS Y SEGUIMIENTO DOCENTE EN UNISARC JUAN DAVID LÓPEZ MORALES

Instructor: She just said that she s Puerto Rican. Escucha y repite la palabra Puerto Rican -for a man-.

PROYECTO INFORMÁTICO PARA LA CREACIÓN DE UN GESTOR DOCUMENTAL PARA LA ONG ENTRECULTURAS

DISEÑO DEL EQUIPAMIENTO DE UN ESTUDIO DE GRABACIÓN DIGITAL RESUMEN. Sergio Herreros Carballo

The 10 Building Blocks of Primary Care

LAC Modificación DIRECT ALLOCATIONS TO ISPs DISTRIBUCIONES INICIALES A ISPs

LAC Modificación DIRECT ALLOCATIONS TO ISPs DISTRIBUCIONES DIRECTAS A ISPs

RESULTADOS DE COLOCACIÓN POR SECTOR PRODUCTIVO

Efecto de las nubes magnéticas sobre la propagación de los rayos cósmicos

SISTEMA DE GESTIÓN Y ANÁLISIS DE PUBLICIDAD EN TELEVISIÓN

Año del buen servicio al ciudadano UNIVERSIDAD INCA GARCILASO DE LA VEGA

PRESS CLIPPING 27 May

ANÁLISIS DE ELASTICIDADES DE ALIMENTOS Y PRODUCTOS AGRÍCOLAS CHILENOS Y PROYECCIONES DE CONSUMO PARA EL SECTOR PECUARIO

TOUCH MATH. Students will only use Touch Math on math facts that are not memorized.

IMPLANTACIÓN DE UNA SOLUCIÓN PLM QUE GARANTICE LAS CLAVES Y PRINCIPIOS RECOGIDOS POR EL SISTEMA DE GESTIÓN DE LA CALIDAD SIX SIGMA

PROGRAMA ANUAL DE CAPACITACIÓN PAC 2012 FICHA COMPLETA DEL CURSO ÁREA DE EXPLOTACIÓN

Provisioning SQL Databases

ERP s Universitarios: soluciones, experiencias y tendencias. CrueTIC Universidad de La Rioja

IMPLANTACIÓN DE UNA SOLUCIÓN PLM QUE GARANTICE LAS CLAVES Y PRINCIPIOS RECOGIDOS POR EL SISTEMA DE GESTIÓN DE LA CALIDAD SIX SIGMA

tema 2 - administración de proyectos escuela superior de ingeniería informática ingeniería del software de gestión

UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÌA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS GUIA N 2

Algunos aspectos a considerar en el diseño de altavoces

ANX-PR/CL/ GUÍA DE APRENDIZAJE ASIGNATURA CURSO ACADÉMICO - SEMESTRE FECHA DE PUBLICACION

An explanation by Sr. Jordan

ESTUDIO COMPARATIVO DE DIFERENTES TECNOLOGÍAS DE

Diseño de un directorio Web de diseñadores gráficos, ilustradores y fotógrafos.

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL RESUMEN. Resumen

equipos de elevación de cargas load handing equipment

Abstract. Ramón Arroyo de la Fuente. Fernando Pérez Gracia. Empresa de Electrónica Española

Juan Carlos Palacios Caicedo

DAVID ORTIZ GARCIA Fecha del documento: 25/01/2012 7ca708d535f1c9bb193b045c b

Registro de Semilla y Material de Plantación

DARFM - Diseño y Análisis de Sistemas de Comunicaciones por RF y Microondas

Fair trade that makes handcrafted friendship. Cauquenes Chile South America


13. EL LEAD TIME EN EL DESARROLLO DE PRODUCTOS SOFTWARE

TIPS: Understanding Overspray

FICHA TÉCNICA / TECHNICAL DATA SHEET

Promotion of electronic resources by consortia and libraries

N O. MAPS Aleksandra & Daria Gantseva European Design Labs 2010 IED Madrid

Primera Conferencia Internacional de Puentes Chile 2014, Futuros Desafíos: Diseño, Construcción y Mantenimiento

Ejercicios Input/Output 11 de Mayo, 2013

PMI: Risk Management Certification Training (RMP)

EL DINERO CUENTA. Personajes. Escenario. Esta obra de teatro tiene lugar en y alrededor de la. Acto 1

Palabras clave: adoquines, agregado RCD, agregado natural, flexo-tracción y método Füller.

La visión del Cloud Computing en el 2015

Nombre Clase Fecha. committee has asked a volunteer to check off the participants as they arrive.

Tema: Study for the Analysis and the Conceptual Development of a European Port Access System. Ponente: Mario J. Moya Denia

Transcripción:

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA Departamento de Ingeniería de Comunicaciones TESIS DOCTORAL Cryogenic Technology in the Microwave Engineering: Application to MIC and MMIC Very Low Noise Amplifier Design Juan Luis Cano de Diego Santander, Mayo 2010

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA Departamento de Ingeniería de Comunicaciones TESIS DOCTORAL Cryogenic Technology in the Microwave Engineering: Application to MIC and MMIC Very Low Noise Amplifier Design Autor: Juan Luis Cano de Diego Director: Eduardo Artal Latorre Tesis doctoral para la obtención del título de Doctor por la Universidad de Cantabria en Tecnologías de la Información y Comunicaciones en Redes Móviles Santander, Mayo de 2010

A mis padres y hermano. "The thing's hollow it goes on forever and oh my God it's full of stars!" 2001: A Space Odyssey Arthur C. Clarke, 1968 i

ii

Acknowledgments Having arrived to the end of this stage it is time to acknowledge and thank the help, advice and guidance of many people along this work. First and foremost, I would like to thank my advisor Eduardo Artal for giving me the opportunity to work within his stimulating and friendly research group. He always encouraged and guided my initiatives through these years. I hope to have honored the expectations he put on me. I would like to express my gratitude to Luisa de la Fuente who has given me an invaluable help in many moments through this work with her experience and, more important, with her optimism. I am grateful to my colleagues in the Ingeniería de Comunicaciones department of the University of Cantabria. I would like to thank those who gave me a hand or just who have shared their moments with me: they are all friends. Among them I would like to acknowledge Tomás Fernández, who thought about me for this challenge, and Angel Mediavilla, who discovered to me the world of waveguides and the most practical side of the engineering. In addition, Eva Cuerno, Ana Pérez and Alexandrina Pana are acknowledged for the assembly of the circuits. Their patience and dedication are in the basis of this work. From Chalmers University, Sweden, I would like to thank Jan Grahn, who gave me the opportunity to work within his leading research group, Mikael Malmkvist for device processing, and Niklas Wadefalk, who shared his knowledge and time with me, and specially for making my time in Sweden more pleasant, I will always be indebted to him. I would also like to thank Juan Daniel Gallego, Isaac López, Mamen Díez and Alberto Barcia from Centro Astronómico de Yebes, Spain, for opening their research group to me. They made that my time in Yebes was a great experience and their advice and guidance are greatly appreciated. Last but not least, special thanks to my family and close friends: I just did it, it is over. This work was financially supported by the Ministerio de Educación y Ciencia (Spain), Plan Nacional de I+D+i, Space national program project ESP2004-07067-C03-02, Astronomy and Astrophysics program project AYA2007-68058-C03-03, and the FPI grant BES-2005-6730. iii

iv

Abstract Some applications such as radio astronomy, deep space communications or VLBI (Very Large Baseline Interferometry) require very sensitive receivers. When the technology limits are reached then the receiver operation under cryogenic conditions emerges as a solution to reduce the receiver noise and thus to increase its sensitivity. This dissertation deals with the cryogenic technology applied to the microwave engineering and focuses on the design of very low noise amplifiers both in hybrid (MIC) and monolithic (MMIC) technologies. The work covers a wide field of knowledge from hardware manufacture and system set up to final applications design and measurement. Starting from guidelines and advices to design cryogenic systems (cryostats) that enable to perform microwave measurements under cryogenic temperatures, this document goes into S-parameters and noise measurements in deep. Some methods are presented for measuring S-parameters in a cold environment focusing in a modified TRL (Thru-Reflect-Line) technique adapted for cryogenic measurements. The noise measurement is also covered in detail; an overview of measurement methods is given whereas this thesis makes a comprehensive study of the so-called cold-attenuator technique, providing a new attenuator design that improves the noise measurement accuracy. The design of cryogenic circuits is initialized with the study of the effect of low temperatures on microwave transistors and components focusing in indium-phosphide (InP) devices, since they are the best solution today for very low noise applications. The knowledge gained with this study is applied to the design of very low noise amplifiers (LNA). This work presents the design of two Ka-band LNAs: one with InP transistors from HRL Laboratories in MIC technology, and the other using mhemt (metamorphic GaAs) technology in a MMIC chip from OMMIC foundry. Finally, this thesis deals with one of the final applications of the cryogenic amplifiers such as the very sensitive receivers (radiometers) used in radio astronomy; different radiometer architectures are reviewed paying special attention to the receiver developed for characterizing the polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB) in the QUIJOTE project, where some subsystems have been designed and measured during this work. v

vi

Resumen Algunas aplicaciones tales como la radio astronomía, las comunicaciones con el espacio profundo y VLBI (interferometría de larga línea de base) requieren receptores muy sensibles. Cuando se alcanzan los límites tecnológicos surge como solución la operación de estos receptores bajo condiciones criogénicas para reducir su ruido y de este modo mejorar su sensibilidad. Esta tesis trata sobre la tecnología criogénica aplicada a la ingeniería de microondas y se centra en el diseño de amplificadores de muy bajo ruido tanto en tecnología híbrida (MIC) como monolítica (MMIC). El trabajo cubre un ancho campo de conocimiento desde la fabricación mecánica y la configuración de los sistemas hasta el diseño y medida de las aplicaciones finales. Comenzando con pautas y consejos para diseñar sistemas criogénicos (criostatos) que permiten realizar medidas de microondas bajo temperaturas criogénicas, este documento profundiza en la medida de parámetros-s y ruido. Se presentan algunos métodos para medir parámetros-s en un ambiente frío centrándose en una técnica TRL (Thru-Reflect- Line) modificada para la medida criogénica. La medida de ruido también se cubre en detalle; se da una visión general de los métodos de medida mientras que la tesis hace un estudio exhaustivo de la llamada técnica del atenuador frío, presentando el diseño de un nuevo atenuador que mejora la precisión en la medida de ruido. El diseño de circuitos criogénicos se inicia con el estudio de los efectos de las bajas temperaturas sobre los transistores y componentes de microondas centrándose en los dispositivos de fosfuro de indio (InP), ya que éstos son las mejor solución hoy en día para aplicaciones de muy bajo ruido. El conocimiento adquirido en este estudio se aplica al diseño de amplificadores de muy bajo ruido (LNA). Este trabajo presenta el diseño de dos LNAs en banda Ka: uno con transistores de InP de los laboratorios HRL en tecnología MIC, y el otro usando tecnología mhemt (metamórfica sobre AsGa) de la fundición OMMIC. Finalmente, esta tesis trata con una de las aplicaciones finales de los amplificadores criogénicos como son los receptores muy sensibles (radiómetros) utilizados en radio astronomía; se examinan diferentes arquitecturas de radiómetros poniendo especial atención en el receptor desarrollado para caracterizar el fondo cósmico de microondas (CMB) en el proyecto QUIJOTE, dentro del cual se han diseñado y medido algunos subsistemas a lo largo de este trabajo. vii

viii

Contents Acknowledgments Abstract Resumen Contents iii v vii ix Chapter I Introduction 13 1.1. The Cosmic Microwave Background (CMB) 14 1.2. Cryogenic Receivers for High Sensitivity Experiments 16 1.3. Thesis Motivation 16 1.4. Work Outline 18 Capítulo I Introducción 21 1.1. El Fondo Cósmico de Microondas (CMB) 22 1.2. Receptores Criogénicos para Experimentos de Alta Sensibilidad 24 1.3. Motivación de la Tesis 25 1.4. Estructura del Trabajo 27 Chapter II Cryogenic Technology Applied to Microwave Engineering 29 2.1. Description of the Gifford-McMahon Cooling System 30 2.2. Description of the Cryogenic Systems at the DICOM Laboratories 32 2.3. Thermal Load Calculation 34 2.3.1. Conduction thermal load calculation 34 2.3.2. Radiation thermal load calculation 40 2.3.3. Conduction by residual gas thermal load calculation 41 2.3.4. Dissipation thermal load calculation 42 2.3.5. Summary of thermal load calculations 42 ix

2.4. Additional Considerations about Designing Cryogenic Systems 43 2.4.1. Suitable materials for hardware manufacturing 43 2.4.2. Improvement of thermal contact conductance 44 2.4.3. Temperature sensors 45 2.5. Cryostat RF Feedthroughs 46 2.5.1. Coaxial RF feedthroughs 46 2.5.2. Waveguide RF feedthroughs 47 2.5.2.1. Vacuum window design 47 2.5.2.2. Thermal break design 49 2.5.2.3. Measurement results 51 2.6. Conclusions 52 Chapter III Measurement Techniques for Cryogenics 55 3.1. Overview of Calibration Techniques for Cryogenic S-Parameters Measurements 56 3.1.1. Measurement techniques involving one thermal cycle 56 3.1.2. Measurement techniques involving several thermal cycles 58 3.1.3. Accurate Thru-Reflect-Line calibration avoiding drift errors 59 3.1.3.1. Theoretic background of TRL calibration 61 3.1.3.2. Experimental verification of the proposed technique 63 3.2. Noise Measurement at Cryogenics: Cold-Attenuator Technique 64 3.2.1. Introduction to the noise measurement 64 3.2.2. Overview of noise measurement techniques in cryogenics 66 3.2.2.1. Hot and cold loads 66 3.2.2.2. Noise figure meter with noise diode 66 3.2.2.3. Hot and cold load 67 3.2.2.4. Cold sky and ambient aperture load 68 3.2.2.5. Cold-attenuator technique 69 3.3. Estimation of Uncertainty in Noise Measurements 72 3.3.1. Introduction 72 3.3.2. Calculation of the received random noise powers 75 3.3.3. Definition of random variables 78 3.3.4. Uncertainty estimation in the cold-attenuator technique 81 3.4. Chip Attenuator for Improving Noise Measurement Accuracy 84 3.4.1. Introduction 84 3.4.2. Attenuator chip design 85 3.4.3. Attenuator module assembly 88 3.4.4. Attenuator module characterization 89 3.4.5. Low noise amplifier noise measurement 92 3.5. Conclusions 93 Chapter IV Cryogenic Temperature Effects on Microwave Devices 95 4.1. Transistor Structure 96 4.2. Measurement Equipment and Setup 98 4.3. DC Measurement Results at Room and Cryogenic Temperatures 100 4.3.1. Gate-leakage current (I g vs. V gs ) 100 4.3.2. Output DC characteristic (I ds vs. V ds ) 102 4.3.3. Transconductance (g m vs. V gs and I ds vs. V gs ) 105 4.4. RF Measurement Results at Room and Cryogenic Temperatures 107 x

4.5. Noise Performance at Room and Cryogenic Temperatures 110 4.6. Low Temperature Effects on Microwave Passive Components 114 4.6.1. Capacitor 100 pf (ATC 118CL101M100TT) 115 4.6.2. Capacitor 22 pf (ATC 118DF220K100TX) 115 4.6.3. Capacitor 22 pf (Siemens B37940K5220J060) 116 4.6.4. Capacitor 100 pf (Skyworks SC10002430) 117 4.6.5. Resistor 10 Ω (SOTA S0303DA10RFEW) 117 4.7. Conclusions 118 Chapter V Design of Cryogenic MIC Low Noise Amplifiers 119 5.1. Design Specifications 120 5.2. Amplifier Electrical Design 120 5.2.1. Transistor model 120 5.2.2. Substrate definition 123 5.2.3. Inductive source feedback 123 5.2.4. Matching networks 125 5.2.5. Biasing networks 126 5.2.6. Final design and simulation 127 5.2.7. Design of a coaxial-waveguide transition 130 5.3. Amplifier Mechanical Design 132 5.3.1. Module design 132 5.3.2. Gold-plating 134 5.3.3. Connectors 134 5.4. Amplifier Characterization 135 5.4.1. Room temperature characterization 136 5.4.2. Characterization at cryogenic temperature 139 5.5. Conclusions 141 Chapter VI Design of Cryogenic MMIC Low Noise Amplifiers 143 6.1. MMIC Electrical Design 144 6.1.1. Transistor model 144 6.1.2. Chip design and layout 145 6.1.3. External biasing networks 148 6.2. MMIC Measurement Results at Room Temperature 150 6.3. Amplifier Mechanical Design 154 6.4. Amplifier Characterization at Room and Cryogenic Temperatures 156 6.5. Conclusions 159 Chapter VII Subsystems for Radio Astronomy Receivers 161 7.1. Introduction to Radio Astronomy Radiometers 162 7.1.1. The total power radiometer 162 7.1.2. The Dicke radiometer 163 7.1.3. The correlation radiometer 164 7.1.4. The pseudo-correlation radiometer 165 7.1.5. The polarimetric radiometer 166 7.2. The QUIJOTE project 167 7.2.1. QUIJOTE first instrument description 168 7.2.2. QUIJOTE polar modulators 169 xi

7.2.3. QUIJOTE orthomode transducers 174 7.2.4. QUIJOTE 26 36 GHz back-end module 180 7.3. Conclusions 187 Chapter VIII Summary, Conclusions and Outlook 189 8.1. Summary 189 8.2. Conclusions 191 8.3. Outlook 192 Capítulo VIII Resumen, Conclusiones y Perspectiva 195 8.1. Resumen 195 8.2. Conclusiones 197 8.3. Perspectiva 198 Annex I Cryostat Drawings 201 Annex II Calculation of the Error Terms in the TRL Calibration Technique 213 Annex III MIC LNA Module Drawings 225 Annex IV MMIC LNA Module Drawings 239 Publications 245 References 249 xii