太赫兹超导隧道结混频器中频特性研究

摘要

太赫兹(THz)在基础和应用科学技术具有广阔的发展前景，是天文学和大气研究的一个重要领域。在现代高灵敏度太赫兹系统中，关键的模块是低温超导混频器。有前途的其中之一是超导体-绝缘体-超导体(SIS)混频器，它的灵敏度已经达到了接近量子限制。高灵敏度超导SIS接收器正在发挥着越来越重要的作用在射电天文学的研究。超导射频接收机前端系统是最为关键的一部分，它处在众多分系统的最前端，其性能的好坏对后端信号的处理以及接收机整体噪声性能有着至关重要的影响，所以追求前端系统的各个组成器件良好的性能是必不可少的，在低温环境下，连接在混频器、Bias-T和低温低噪声放大器之间的同轴电缆直接影响了超导混频器的性能，从而使得设计出同时拥有良好热隔离和电特性的同轴电缆显得格外重要。Bias-T是给有源器件（低温低噪声放大器，超导 SIS混频器），通过射频通路提供直流电压，并且有效抑制射频信号泄漏的一种装置。它的作用主要是提供直流偏置和中频输出通路，两者之间需要有良好的信号隔离。低噪声放大器的工作环境温度是4K，工作在制冷杜瓦内，因此必须对给低噪声放大器提供偏置的Bias-T进行低温特性研究。
　　本研究主要内容包括：⑴分析了三通道矢量网络分析仪的硬件结构图和特性后，根据12项误差模型和8项误差模型，分别介绍了传统SOLT校准方法和TRL校准方法。不仅对两种方法所适应的硬件拓扑结构进行具体的分析，同时对于两种校准方法做了明确的公式推导。⑵采用TRL校准方法，利用Thru-Line方法测试了常温和低温下不同材料的同轴电缆的特性；低温下电缆损耗明显减小，传播常数基本保持不变；比较相同材料的电缆可以发现，电缆的损耗主要由导体损耗引入。⑶基于Thru-line的测量结果，提出了低温下SOLT校准的方案，测试了常温下及低温下的系统特性。测量了常温及低温下的同轴开关特性，并成功地测量了 BT-0014和BT-0025这两款Bias-T的常温及低温特性。测试结果表明，低温下Bias-T的插入损耗有所减小，低温特性符合天文学的应用。

目录

第1章 绪论

1.1 太赫兹波段的基本特征

1.2太赫兹波的应用

1.3太赫兹频段探测技术

1.3.1太赫兹波段相干探测技术

1.3.2低温SIS超导混频技术

1.3.3低温电缆及低温Bias-Tee

1.4论文研究内容概要

第2章微波测量理论

2.1传输线理论

2.2散射参数

2.3矢量网络分析仪基本原理及常用校准方案

2.3.1矢量网络分析仪的基本原理

2.3.2 SOLT校准方法

2.3.3 TRL校准方法

2.4本章小结

第3章微波元件的低温特性表征

3.1射频同轴电缆的基本指标

3.1.1特征阻抗

3.1.2驻波比（VSWR）/回波损耗

3.1.3屏蔽

3.1.4衰减（插入损耗）

3.1.5功率容量

3.1.6传播速度和电长度

3.1.7电缆的弯曲特性

3.1.8同轴电缆的无源互调特性

3.2射频同轴电缆的分类和选择

3.2.1射频同轴电缆的分类

3.2.2同轴电缆的选取原则

3.3 TRL校准方法下同轴电缆的测量

3.3.1测试方案

3.3.2测试电缆的选取

3.3.3几种同轴电缆的低温测量结果

3.3.4测量结果分析

3.4本章小结

第4章低温Bias-Tee测量

4.1 Bias-Tee的基本原理和选取

4.1.1软件仿真

4.1.2 Bias-Tee的选择

4.2 Bias-Tee的低温测量方案及结果

4.2.1低温SOLT测量方案

4.2.2校准件参数测量及同轴开关一致性表征

4.2.3常温与低温校准链路特性比较

4.2.4 Bias-T特性测量结果

4.3本章小结

第5章总结

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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