大规模超导摄谱成像阵列关键技术研究

With expanding of the field of view of next generation single-dish Terahertz telescopes, the advanced multibeam heterodyne receiver with pixel number up to 1000 become an necessary equipment for fast mapping. As an important step forward, we have finished developing a 9-beam 2SB superconducting receiver system for Delingha 13.7-m telescope in 2010. Based on our experiences and understanding of the requirements in astronomical development, we are now ready to make breakthroughs of the key technologies necessary for larger format arrays. The future large format arrays can hardly be assembled with single elements, because the complexity of electrical wiring can significantly decrease the operational reliability. Therefore, an integrated multibeam frontend unit with all wiring embedded in a single block should have apparent advantage in system stability and reliability. To develop this new approach, three of the most crucial technologies will be investigated in this project, namely superconducting transmission parametric amplifiers, LO distribution through a THz waveguide network, and array-adapted THz SIS mixers. We believe that integrated multibeam frontends with 100~1000 elements can become achievable when breakthroughs in above mentioned key technical challenges are made.

大口径太赫兹射电望远镜是观测天文下个十年发展的关键设备，与之匹配的超导成像摄谱阵列接收机是国际范围内天文技术竞争的焦点之一，也是我国太赫兹天文发展的重要方向。我们于2010年成功研制了国际首例基于边带分离技术的9波束3毫米波段超导阵列接收机“超导成像频谱仪”。本项研究将在已有基础上突破研制大规模混频器阵列（100~1000像元）所面临的最为关键的技术问题，为下一代大口径毫米波、亚毫米波射电望远镜的研制铺垫路基。研究内容包括三个方面：新型超导微波参量放大器技术、太赫兹本振分配技术、适应阵列应用的太赫兹超导混频器技术。基于本项目所获取的关键技术，我们将能够突破原有拼接像元结构只能实现小规模阵列的限制，开辟大规模超导成像摄谱阵列新的技术领域和随之而来的科学领域。

大口径毫米波、太赫兹射电望远镜是射电天文观测所需要的重要装备，与之匹配的超导成像摄谱阵列接收机是大望远镜不可缺少的终端，也是我国太赫兹天文发展的重要方向之一。我们于2010年成功研制了国际首例基于边带分离技术的9波束3毫米波段超导阵列接收机“超导成像频谱仪”，并取得了丰富的科学产出。在此基础上发展下一代大规模多波束接收机具备了基础。本项研究旨在解决大规模混频器阵列（100~1000像元）所面临的最为关键的技术问题。研究内容包括三个方面：低温低功耗微波放大器技术、太赫兹本振分配技术、适应阵列应用的太赫兹超导混频器芯片技术。该项目的研究在上述三个方面获得了以下结果：实现了2-5 GHz频段、低温工作(4 K)、低噪声(噪声温度10 K)、低功耗(1 mW)的基于GaAs的微波单片集成电路微波放大器，为大规模像元的低功耗读出提出了可行性高的解决方案；提出了基于超导集成芯片的新型超导混频器结构，解决了大规模阵列的本振分配难题；基于新的思想，我们在2毫米波段完成了原型器件的设计和测试，实现了使用平面正交极化器、平面射频电桥来实现双极化、平衡混频的超导混频器单元。交叉极化低于-20 dB，单边带噪声温度低于70 K。基于本项目所获取的关键技术，我们已经能够突破原有拼接像元结构只能实现小规模阵列的限制，开辟大规模超导多波束接收机技术领域和随之而来的科学领域。