Active electronic loads for radiometric calibration

Abstract

Although radiometer systems are widely applied in very different fields, they all have one important requirement in common: They require a thorough radiometric calibration. Various conventional calibration references are well established, but their bulkiness, high power consumption, and complexity are limiting the expanding fields of application. Since novel industrial applications such as passive millimeter-wave imaging emerge, the requirements for calibration references have increased drastically. But also in scientific fields like radio astronomy, cosmology or environmental monitoring, modern remote sensing radiometers do not rely only on conventional references anymore. In this work, millimeter-wave monolithic integrated circuits (MMICs) based on metamorphic high electron mobility transistors (mHEMT) were designed to be used as active electronic loads for radiometric calibration. These novel references have not only the outstanding property, that they can be directly integrated on chip-level into the radiometer front-end, but also, that they can exhibit cold as well as hot reference noise temperatures. Since this is achieved without any physical cooling or heating, the power consumption is notably reduced. By monolithic integration of field effect transistor (FET) switches, theses multiple references can internally be routed to the receiver input without any mechanical wear. As a result, laborious external references can be omitted and the repetition rate of the calibration procedure increased, which results in a higher radiometric accuracy and allows a more compact and cost-effective design of modern radiometer systems. This work presents the first radiometric calibration front-end that allows to internally switch between active electronic cold and active electronic hot loads, as well as a passive ambient load. All components are integrated on a single MMIC, and a patent was granted for this innovation. To predict the achievable noise temperatures of active cold loads (ACLs), different simulation approaches were previously published. This work evaluates and adapts these existing approaches to design and manufacture several W-band loads. But the required design-flow was found to be very time-consuming because multiple iterations are necessary to successively design and optimize the input- and output matching networks, and to finally achieve the desired low noise temperature. Therefore, a novel simulation approach is introduced that makes efficiently use of modern optimization algorithms and the very accurate model library of the mHEMT technology and the passive structures. With this novel simulation method, the first active hot loads (AHLs) were designed as well as state-of-the-art ACLs up to 140 GHz. However, the characterization of low-noise one-port devices is particularly challenging, especially at such high frequencies. Hence, a substantial part of this work is to investigate the reliability of different noise measurement setups and the repeatability of noise temperature results. Dedicated setups in W- and D-band are used to characterize all manufactured active loads and some selected results are cross-checked by measuring the same circuits with independently designed measurement systems of other research facilities. The discrepant results are discussed, concluding that high variations in measured one-port noise temperature do not allow to rely on one single measurement setup. At the same time, this thorough investigation and comparison permits to establish an accuracy range within which the results of the manufactured active electronic loads are reliable, whereas other previously published ACLs are typically only measured with one measurement setup.

Obwohl Radiometer Systeme in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten weit verbreitet sind, haben alle eine wichtige gemeinsame Anforderung: Sie benötigen eine sorgfältige radiometrische Kalibration. Verschiedene konventionelle Kalibrationsreferenzen sind zwar bewährt, doch ihre Sperrigkeit, Komplexität und die hohe Leistungsaufnahme schränken die sich stetig erweiternden Anwendungsmöglichkeiten ein. Seit neuartige industrielle Anwendungen wie passive Millimeterwellen-Kameras z.B. bei Sicherheitskontrollen aufkommen, haben sich auch die Anforderungen an die notwenigen Kalibrationsreferenzen drastisch erhöht. Aber auch in wissenschaftlichen Anwendungsgebieten wie der Radioastronomie, der Kosmologie oder der Umweltbeobachtung beschränken sich moderne Fernerkundungs-Radiometer nicht mehr nur auf konventionelle Kalibrationsreferenzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden monolithisch integrierte Millimeterwellen-Schaltkreise (MMICs), basierend auf einer metamorphen Transistor-Technologie mit hoher Elektronenbeweglichkeit (mHEMT) entwickelt, die als aktive elektronische Referenz-Last zur radiometrischen Kalibration dienen. Diese neuartigen Referenz-Lasten haben nicht nur die herausragende Eigenschaft direkt auf Halbleiter-Bauteilebene mit dem Radiometereingang integriert werden zu können, sondern können außerdem sowohl niedrige („kalte“) als auch hohe („heiße“) Referenz-Rauschtemperaturen erzeugen. Da dies ohne physikalische Kühlung oder Erhitzung erreicht wird, ist die Leistungsaufnahme besonders gering. Durch die monolithische Integration von Feldeffekttransistor-Schaltern können diese Referenz-Lasten elektronisch intern auf den Empfängereingang geschaltet werden, ohne dass mechanische Schalt- oder Bewegungsvorgänge notwendig sind. Infolgedessen sind aufwändige externe Referenzen nicht mehr zwingend notwendig, so dass ein kompaktes, kostengünstiges und modernes Radiometer-System ermöglicht wird. Außerdem kann die Wiederholrate der Kalibrationsprozedur erhöht werden, was sich in einer erhöhten radiometrischen Genauigkeit auswirkt. Diese Arbeit präsentiert die erste radiometrische Kalibrationseinrichtung, die es ermöglicht intern zwischen aktiven elektronischen kalten und heißen Referenz-Lasten, sowie einer passiven Referenz-Last auf Umgebungstemperatur umzuschalten. Alle notwendigen Bauteile sind monolithisch auf einem Millimeterwellen-Schaltkreis integriert, worauf ein Patent erteilt wurde. Um die erreichbare Rauschtemperatur aktiver kalter Referenzlasten vorherzusagen, wurden in der Vergangenheit verschiedene Ansätze veröffentlicht. In dieser Arbeit wurden diese Ansätze bewertet und angewandt um mehrere Referenzlasten im W-Band zu entwickeln und herzustellen. Der notwendige Design-Flow stellte sich jedoch als sehr zeitaufwändig heraus, da mehrere Iterationen notwendig sind, um sukzessiv die Eingangs- und Ausgangs-Anpassnetzwerke zu entwerfen und zu optimieren, um letztlich die gewünschte Rauschtemperatur zu erreichen. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige Simulationsmethode eingeführt, die sich die Möglichkeiten moderner Optimierungs-Algorithmen und sehr genauer Modell-Bibliotheken der verwendeten Halbleitertechnologie und der passiven Komponenten zu Nutze macht. Mit dieser Methode wurden die erste aktive heiße Referenzlast, sowie eine den neusten Stand der Technik definierende kalte Referenzlast bei 140 GHz entwickelt. Allerdings ist die messtechnische Charakterisierung eines so rauscharmen Eintor-Bauteils, wie es die kalte Referenzlast ist, besonders herausfordernd - vor allem bei solch hohen Frequenzen. Daher besteht ein wesentlicher Teil dieser Arbeit darin, die Zuverlässigkeit von Rauschmess-Einrichtungen und die Reproduzierbarkeit von Rauschtemperatur-Ergebnissen zu untersuchen. Hierfür wurden spezielle Rauschmessplätze im W-Band und D-Band entworfen und zunächst sämtliche Schaltungen damit charakterisiert. Anschließend wurden ausgewählte Schaltungen und Module zu anderen Forschungseinrichtungen geschickt, wo sie mit deren unabhängig entworfenen Rauschmess-Einrichtungen untersucht wurden. Die diskrepanten Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die starke Variation der gemessenen Rauschtemperaturen es nicht erlaubt, diese mit nur einem Messsystem zu bestimmen. Gleichzeitig jedoch, ermöglichte der Vergleich der Ergebnisse verschiedener Rauschmess-Einrichtungen, eine Genauigkeitsspanne zu bestimmen innerhalb welcher die Ergebnisse der in dieser Arbeit entwickelten aktiven elektronischen Referenzlasten aussagekräftig und zuverlässig sind. Während in anderen Publikationen typischerweise lediglich ein Messsystem zum Einsatz kommt.