太赫兹超导隧道结混频器特性研究

太赫兹天文观测窗口随着南极天文台和空间观测平台的建立和发展被逐步打开。这个重要窗口的开放将提供给天文学家新的视野，带来新的发现，深刻影响宇宙学、恒星和行星的演化，太阳系和地外行星等研究领域的发展。太赫兹谱线观测是计划中的我国南极太赫兹观测的一个重要部分，发展高灵敏度的太赫兹混频技术是南极天文发展的迫切要求。该项研究拟对太赫兹频段超导隧道结混频器特性进行深入研究，研究内容包括：太赫兹超导隧道结混频器信号传输特性研究、太赫兹超导隧道结混频器噪声的产生机制和特性的研究以及太赫兹多像元超导隧道结混频系统的集成技术研究。旨在通过理论和实验方法对上述问题进行深入探索，进一步理解太赫兹超导隧道结混频器的混频性能，解决太赫兹多像元应用的关键问题，为将来的南极太赫兹望远镜的研制奠定基础。

超导隧道结太赫兹混频器是国际和国内已有的和未来的毫米波和亚毫米波射电天文观测设备中的核心技术之一。通过此项研究，我们一方面得以在器件噪声和超导传输线特性两个方面深入器件物理本质（弥补已有研究不足的部分），另一方面在接收机系统层面上将该项技术推进到大规模像元的高度，为研制下一代大规模多像元超导接收机系统做必要的准备（开拓新的方向）。本项目以三项内容为核心：（1）混频器噪声特性研究；（2）太赫兹频段多像元混频器集成技术的研究；（3）超导混频器信号传输特性研究。对于混频器噪声特性的研究，我们主要进行了混频器性能和工作温度之间关系的实验研究和理论分析，这是望远镜运行需要急迫解决的问题；对于太赫兹频段多像元技术，我们提出了新的设计理念，提炼出大规模多像元所需要解决的关键技术，并对其中具有核心地位的集成技术进行了详尽分析；对于信号传输特性的研究，我们主要进行了基于超导微带传输线的超导参量放大器的理论和实验研究。经过三年的研究，我们获得了一批确实可靠的结果，并以国际专业论文和专利的形式发表。这些结果对进行下一阶段的大规模太赫兹多像元混频器技术奠定了基础。