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在毫米波和亚毫米波波段,由于所涉及的信号非常微弱,对检测和接收系统的噪声性能、变频效率等方面都提出了很高的要求。超导SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor)结混频接收技术是一种低噪声检测技术,由于具有极低的接近于量子极限hv/k噪声温度;高的变频效率(>0.5,并可有变频增益);所需本振功率低(10-9W)等优点,是毫米波和亚毫米波频段灵敏度最高的谱线接收设备。
因此,研制能够长期稳定工作的超导SIS接收机,对推动超导电子器件的实际应用研究具有很重要的现实意义。本文根据我们研究制备的超导SIS隧道结器件的特性参数,研究设计制备了工作温度4.2K、300GHz波段的超导SIS准光学系统接收机的组成部件和系统。
我们采用平面对数周期天线的设计,根据接受机工作的中心频率300GHz,设计了对应于1/4λ波长的中心齿尺寸。根据制备的NbN/A1N/NbN隧道结的电学特性:超导电流密度15kA/cm<2>,2A为4.8~5.0me,,为获得较大的工作带宽,采用并联双结,使其具有更好的带宽,适合工作在高的频率。根据这些特性指标,配合现有的工艺制备条件,设计了微带传输线的尺寸实现了阻抗的匹配,并且使混频器变频增益在0到-5dB之间,实现较低的混频器噪声温度和接受机噪声温度。
在超导SIS接收器的设计和制备中,超导SIS结是接收机的核心部件,为了提高接收机的性能指标,超导SIS结的漏电流要尽可能的小,它直接关系到混频器的噪声温度,大的超导SIS结的能隙电压(可得到更大的混频器变频增益),降低混频器调谐电路的损耗。为此,我们对传统的超导SIS结的制备工艺提出了新的改良方案,并做了实验性研究。