厘米波段致冷接收机的关键技术研究

致冷接收机是射电天文望远镜的核心观测设备，其最大特点是具有极低的噪声温度和极高的灵敏度，用以清晰准确地接收天体辐射出的微弱射电信号，为后续天文数据记录与处理提供最佳的信噪比。目前国内厘米波段大口径射电天文望远镜对于高灵敏度致冷接收机有着迫切的需求，包括正在筹建的上海天文台65米射电望远镜，已经建成的国家天文台50米射电望远镜和云南天文台40米射电望远镜。本项目将联合国内具有射电天文设备研制经验和应用经验的优势技术力量，针对厘米波段致冷接收机的三项主要关键技术进行攻关，包括：致冷低噪声放大器为核心的低温电子器件研究，低损耗微波窗口为核心的低温真空杜瓦研究，幅频和相频长期稳定性为核心的致冷接收机测试方法研究。本项目将为我国自主研制先进的厘米波段致冷接收机提供有力的技术支撑。

致冷接收机是射电天文望远镜的核心观测设备，其最大特点是具有极低的噪声温度和极高的灵敏度，用以清晰准确地接收天体辐射出的微弱射电信号。本项目定位于上海65米射电望远镜和昆明40米射电望远镜的最具有代表性的C波段致冷接收机，联合云南天文台和中国电子科技集团公司第十六研究所，针对厘米波段致冷接收机的低温电子器件、低温真空杜瓦、以及低温低噪声测试方法等关键技术开展研究。本项目根据任务书要求，利用4年时间，按计划完成了研究内容，主要研究进展和成果有5项：1）本项目采用台湾稳懋公司的0.15um GaAs pHEMT工艺，研制了基于MMIC工艺（Monolithic Microwave Integrated Circuits）的微波单片C波段致冷低噪声放大器芯片，将传统微波器件的分立元器件、匹配网络、供电网络都集成在微波单片中，外协芯片加工并进行片上常温和低温测试，再进行放大器微组装，最后实现放大器模块的常温和低温测试。实测结果：频率范围4-8GHz，常温噪声温度好于110K，常温增益23dB，回波损耗10dB，常温功耗150mW，低温噪声温度平均值6K，低温增益25dB,低温功耗31mW，芯片面积2.3mm×0.9mm，其中低温噪声指标达到国际先进水平。2）本项目系统性地研究了四脊波导正交模耦合器（Quad-Ridged Orthomode Transducer），研制了4.5-7GHz带宽实物样机，测试结果良好，并完成了4-8GHz带宽模型。3）本项目实现了低损耗微波真空窗口，采用了低损耗薄膜、高密度低损耗泡沫、以及隔热缝隙结构，具有良好的密封、承压、低损耗、低驻波等特性，最大直径270mm，检测漏率好于1E-5 mbar/l/s。4）研究了20K温区超导滤波器，使用钇钡铜氧（Y1Ba2Cu3O7-δ）材料设计了平行耦合线带阻滤波器，加工了6-6.5GHz带宽实物样机并成功测试，实测低温环境下插入损耗值小于0.1dB，等效噪声贡献0.5K。5）实现了可变负载温度法、低温衰减器法、冷热黑体负载法三种低温低噪声测试方法。本项目研究期间发表相关技术文章11篇，申请相关专利2项。2013年5月，协办1次相关学术国际会议，“The Second China-U.S. Workshop on Radio Astronomy Science and Technology“。