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高灵敏度的接收机研制是THz频段的主要技术难点之一。作为超外差接收机系统中的关键部件,混频器直接影响着整个接收机系统的灵敏度。其中超导HEB(Hot Electron Bolometer)混频器和超导SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor)混频器是目前THz频段低噪声外差接收机系统中最常用的两种混频器。自高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,简称HEMT)问世以来,低噪声放大器(Low Noise Amplifier,简称LNA)的噪声达到了一个新的水平。作为超导外差接收机系统的中频系统第一级放大器,低温HEMT LNA起着非常重要的作用。本文围绕若干关键部件在THz频段超外差接收机系统,特别是在可移动亚式亚毫米波望远镜(POrtable SubmillimeterTelescope,简称POST)接收机系统中的应用展开了研究工作。
本文的主要研究工作如下:
1.低温HEMT LNA的噪声特性研究。Y因子法是测试噪声温度最常用的方法。结合超导HEB混频器和超导SIS混频器的测试,本文也对可变温度负载法和散粒噪声法进行了研究。着重比较了这三种方法用于测试低温HEMT LNA噪声温度的优缺点。
2.不同低温HEMT LNA对超导SIS接收机系统的影响研究。本文对比了两个不同的低温HEMT LNA(一个有隔离器、一个无隔离器)对超导SIS接收机系统的影响。实验发现,不使用隔离器的情况可能会引起超导SIS混频器件I-V曲线的异常。
3.基于氮化铌的超导SIS混频器在POST接收机系统中的应用。2007年氮化铌的超导SIS混频器首次应用于实际天文观测。通过氮化铌超导SIS混频器的使用,POST接收机系统的噪声性能和稳定性有了一定的提高。结合在实验室的研究,测试人员在现场测试过程中发现,改变HEMT LNA的供电电压可以消除其对I-V和P-V曲线的影响。保证了观测的顺利进行。同时本文给出了07-08年冬季POST利用氮化铌超导SIS混频器获得的最新天文观测成果。
4.直流特性测试在超导HEB混频器测试中的应用。本文介绍了超导HEB混频器件进行直流特性测试的方法。通过测试直流参数和噪声温度,本文对超导HEB混频器件的生命周期进行了研究。