title: Millimeter-wave gas spectroscopy with SiGe BiCMOS transmitters and receivers for remote sensing and metrology
Creators: name: Glück, Alexandra
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: Millimeterwellenspektroskopie
subject: SiGe BiCMOS
subject: Fernerkundung
subject: Moleküluhr
subject: Heterodynspektroskopie
subject: Millimeter-wave spectroscopy
subject: SiGe BiCMOS
subject: Remote sensing
subject: Molecular clock
subject: Heterodyne spectroscopy
subject: 530 Physik

description: Diese Dissertation beschreibt die Charakterisierung von Sendern und Empfängern in SiGe BiCMOS Technologie für unterschiedliche Anwendungen im Millimeterwellenbereich. Das Ziel war, ihre Einsatzfähigkeit in zwei verschiedenen Fällen zu zeigen: Fernerkundung, z.B. von einem kleinen Satelliten aus, und Metrologie, in Form einer stabilen Frequenzreferenz. Die Leistungsfähigkeit zweier Chip-Versionen wurde untersucht. Die eine Version deckt den Frequenzbereich 200-255 GHz ab, die andere den zwischen 222-255 GHz und 444-540 GHz. Beide Versionen wurden erfolgreich für Modulationsspektroskopie von Methanol eingesetzt. Für weiterführende Messungen wurde wegen ihres niedrigeren Rauschlevels und der höheren emittierten Leistung die erste Version ausgewählt. Im Kontext der Fernerkundung wurde die Rauschtemperatur des Empfängers und seine Allan-Zeit bestimmt. In einem Laboraufbau für Emissions- und Absorptionsmessungen wurden Experimente mit gasförmigem Acetonitril durchgeführt. Aus diesen lassen sich Schlüsse für den Einsatz in einer Feldmessung ziehen. Desweiteren wurde eine Moleküluhr realisiert. Die Kurzzeitstabilität wird vom Rauschlevel und der Absorptionslinie dominiert, das Langzeitverhalten von Driften im Gesamtaufbau. Die besten Ergebnisse wurden mit Kohlenstoffmonoxid erzielt und führten zu einer Allan-Abweichung von 2.3E-11 bei t=1000 s. Dopplerfreie Spektroskopie, die für eine Verbesserung der Kurzzeitstabilität in Betracht gezogen wurde, konnte nicht erfolgreich durchgeführt werden. Für Verbesserungen wurden die folgenden Ausgangspunkte identifiziert: Für die Heterodynspektroskopie, eine bessere Trennung von internen Empfängersignalen, für die Stabilisierung, Veränderungen im Aufbau, die zu einer besseren Langzeitstabilität führen. Für beide Anwendungen sollte die Temperaturabhängigkeit der Leistungsfähigkeit untersucht werden, da Hinweise gefunden wurden, dass Kühlen oder Isolieren zu Verbesserungen führen könnten.
description: In this thesis, SiGe BiCMOS transmitters and receivers are characterized for different applications in millimeter-wave spectroscopy. The goal is to analyze the applicability of these transmitters and receivers in two cases: Remote sensing, as for example from a small satellite, and metrology, in building a very stable frequency reference. The general performance of two versions of transmitter and receiver chips was analyzed. One is covering 220-255 GHz, the other is working at 222-270 GHz and 444-540 GHz. With both, wavelength modulation spectroscopy of methanol was successfully carried out. For further experiments, the first version was chosen due to its lower noise level and higher emitted power. For heterodyne spectroscopy for remote sensing, the noise temperature and Allan time of the receiver were analyzed and a setup for emission and absorption spectroscopy was built. With acetonitrile as trial gas, experiments were performed which allow predictions for the performance in mission operation. To build a stable frequency reference, a stabilization setup was developed to lock the transmitter to a rotational absorption line (molecular clock). The short- and long-term stability were analyzed. The short-term performance is limited by the system's noise and the parameters of the absorption line, whereas the long-term stability is mostly governed by drifts that stem from details of the setup. Best results with carbon monoxide showed an Allan deviation of 2.3E-11 at t=1000 s. Doppler-free spectroscopy, which was considered as an option to improve the short-term stability, could not be performed successfully. Starting points for improvement of the performance were identified for heterodyne spectroscopy in better isolation of internal receiver signals from each other. For the molecular clock, modifications in the setup are expected to improve the long-term stability considerably. In both cases, the temperature dependence of the performance is worth a deeper analysis.