射电天文应用超宽带高集成度低温中频系统关键技术研究

太赫兹波段是观测研究早期遥远天体、星际尘埃和气态分子云物质等的重要波段，对于理解宇宙状态和演化具有重要意义。目前太赫兹天文探测装置正向更高频率、更高灵敏度和大规模阵列方向发展。相应地，要求中频系统具有超宽带、高集成度、低功耗等特点。由于低温共烧陶瓷（LTCC）具有温度特性良好，介质损耗小，且易于实现立体紧凑布局以及有源芯片与无源电路的混合集成和封装一体化等优点，是研制高集成度中频系统的理想材料。本申请项目拟基于LTCC技术，开展针对射电天文应用的超宽带高集成度低温（<77K）中频系统关键技术研究，为我国南极天文台太赫兹望远镜项目及其他太赫兹大规模阵列探测器提供技术保证。

为满足高灵敏度大规模阵列射电天文接收机对低温中频系统提出的超宽带、高集成度、低噪声、低功耗要求，本课题从金属和半导体材料的低温特性研究、关键器件设计研究，低温测量技术研究及器件的低温测量与分析四个方面开展研究。研究结果具体如下：(1)建立了一套包含硬件、控制软件和校准算法的低温测试平台；(2) 通过对金属和半导体材料低温特性的计算分析，确定低温中频系统的最优工作温度为30-100K；(3)变温测试结果表明：电路基板、金属膜电阻、LTCC滤波器工作在77K低温时性能没有发生明显，而X7R材质的贴片电容、部分MMIC低噪声放大器和CMOS运算放大器等的性能则会发生明显变化； (4)高性能分支线定向耦合器和十字槽贴片定向耦合器的分析设计，插损小于1dB@17GHz；(5)超小型功分器的分析设计，与传统功分器相比电路尺寸减小了85%；(6) 具有任意相位特性的定向耦合器的分析与实现，以及一个具有45°特殊相位差的定向耦合器实例。(7)一种超宽带阻性不等功分器，可实现1: 20dB的功率分配。以上研究结果，为进一步实现高性能低温中频系统的研制开发奠定了坚实的基础。