太赫兹波段超导SIS混频器中频带宽特性与扩展技术研究

The terahertz band is a important band to observe CMB, study the formation of early universe, cold objects and dust-obscured objects. The Superconducting SIS mixer, working around terahertz band, with the sensitivity near the quantum limit, is preferred detection technology for astronomical observation below 1THz. Recently, with the development of observation and research needs, ultra-wideband IF technology has become one of the important direction of cutting-edge research in terahertz SIS mixer. With the expansion of IF bandwidth, it could improve the sensitivity of total power detection and observation efficiency by allowing observation to several spectral line simultaneously, and observe extragalactic objects with high redshift. The project aims to research on the characteristics and expansion technology of IF bandwidth of terahertz Superconducting SIS mixer, studying the mechanism for restricting the IF bandwidth and key technology for expanding the IF bandwidth, developing the prototype mixer chip for ultra-wideband IF superconduting SIS mixer. As this project carried out, it will lay an important foundation for developing ultra-wideband IF high sensitivity superconducting SIS mixer for application in astronomy.

太赫兹波段是观测宇宙微波背景、冷暗物质和被尘埃遮挡天体的重要波段。超导SIS混频器具有接近量子极限的探测灵敏度，是1THz以下波段高频谱分辨率观测研究的首选相干探测器。随着太赫兹天文观测研究的发展，超宽带中频技术已成为太赫兹超导SIS混频器的一个重要研究方向。中频带宽的扩展可以实现对高红移河外天体的观测，可以实现多谱线同时观测进而提高观测效率，还可以提高总功率探测灵敏度。本申请项目拟针对太赫兹超导SIS混频器的中频带宽特性和扩展技术开展相关研究。在满足超导混频器灵敏度的前提下，重点研究制约中频带宽的物理机制和扩展中频带宽的关键技术，并研制具有超宽中频带宽的超导SIS混频器原理芯片。该项研究的开展将为研制满足天文观测应用需求的超宽中频带宽高灵敏度超导SIS接收机打下重要基础。

超导隧道结混频器具有接近量子极限的探测灵敏度，是1THz以下波段高频谱分辨率观测研究的首选相干探测器，超导隧道结相关接收机已被广泛的应用于地面大型太赫兹射电天文望远镜，用于宇宙微波背景、冷暗物质和被尘埃遮挡天体的观察研究。随着太赫兹天文观测研究的发展，超宽带中频技术已成为太赫兹超导隧道结混频器的一个重要研究方向。中频带宽的扩展可以实现对高红移河外天体的观测，可以实现多谱线同时观测进而提高观测效率，还可以提高总功率探测灵敏度。本课题针对太赫兹超导隧道结混频器的中频带宽特性和扩展技术开展相关研究，数字模拟研究了不同混频电路的超导隧道结混频器中频负载阻抗对中频带宽特性的影响，混频器上射频滤波电路对中频增益带宽的影响，并实验研究了混频器三种不同中频负载阻抗下混频器的增益带宽特性，数值模拟研究了混频器的中频输出阻抗特性，提出了一种混频器中频输出阻抗的实验研究方法，在此基础上设计了一种通过中频阻抗匹配实现中频带宽扩展的技术，并通过实验表征其性能，实验表明该方法在较高的中频频率下（11-14GHz）混频器的中频增益明显升高约2dB。