高灵敏度宽带太赫兹超导HEB混频器技术研究

The terahertz (THz) frequency region of the electromagnetic spectrum is very rich in scientific and technological applications, but it remains relatively unexplored due to the lack of detecting technology. Superconducting HEB mixers are currently the most sensitive devices for coherent detection at frequency beyond 1 THz. The RF band of HEB mixers is limited by the antenna only, therefore the superconducting HEB mixers integrated with broad-band planar antenna can work in a wide RF band and achieve multi-frequency and multi-polarity detecting. The frequency dependence of mixing performance and mixing mechanism of HEB mixers are still not well understood, and the sensitivity,IF bandwidth and stability of HEB mixer can be further improved. This project aims to improve these performances by optimizing the impedance matching and beam characteristics of HEB mixer. This project is also expected to understand the mixing mechanism of HEB mixers by investigating the frequency dependence of noises of HEB mixer. This project will promote the development of a high-sensitivity THz wide-band superconducting HEB mixer for DATE5 telescope at Dome A, Antarctic.

太赫兹（THz）频段具有十分重要的科学意义和广泛的应用前景，但由于探测技术的缺乏，太赫兹频段仍是一个有待全面研究和开发的频率窗口。超导HEB混频器是目前1 THz以上频段灵敏度最高的探测器，同时具有射频频率相关性弱的优点。采用平面宽带天线耦合的超导HEB混频器可以实现极宽的射频输入带宽，满足多频段、多极化的探测需求，但其混频性能的频率相关性及其混频机制仍未完全解明，灵敏度和稳定性等性能指标仍有较大改善空间。本申请项目拟通过研究宽带超导HEB混频器的阻抗匹配和波束特性，优化混频器的设计，提高其灵敏度、中频带宽、本振功率需求和稳定性等性能；并通过研究超导HEB混频器中的各种噪声与器件固有噪声的频率相关性，进一步解明超导HEB混频器的混频机制。本申请项目研究将为我国南极DATE5望远镜计划中的高灵敏度宽带外差接收机研制打下重要基础。

超导热电子混频器是目前1 THz以上频段灵敏度最高的探测器，同时具有射频频率相关性弱的优点。采用平面宽带天线耦合的超导热电子混频器可以实现极宽的射频输入带宽，满足多频段、多极化的探测需求，但其混频性能的频率相关性及其混频机制仍未完全解明，灵敏度和稳定性等性能指标仍有较大改善空间。本项目详细研究了宽带超导热电子混频器以下三个方面：1）宽带超导热电子混频器模拟仿真及设计优化；2）宽带超导热电子混频器特性表征及其频变特性；3）宽带超导热电子混频器在太赫兹波段的混频机制及其性能优化。取得了如下重要成果：1）结合三维电磁场计算方法、几何光学射线追踪法以及物理光学方法仿真计算超导热电子混频器在宽频带内的阻抗匹配和波束特性；2）基于相干探测模式的近场测量方法实测超导热电子混频器的波束特性，并采用锁相收发技术、高精度光路校准方案、以及高波束耦合效率方法等提高测量精度；3）研究了超导热电子混频器中的各种噪声与器件固有噪声的频率相关性，进一步解明了超导热电子混频器的混频机制。这些研究成果进一步加深了对超导热电子混频器机理的理解，为超导热电子探测器的实际天文应用打下了坚实基础。