高灵敏度微波致冷接收机关键技术研究

Cryogenic receiver is an important part of radio telescope, which is actually the interdisciplinary problem consisting of thermodynamics and electromagnetics, and its performance has a significant impact on the entire sensitivity of the radio telescope. Currently, quantitative design on cryostat thermodynamics has been widely researched abroad as well as entire consideration on thermodynamics and electromagnetics. However, research on this area in China is lagging behind, whose main difficulty is hard to combine thermodynamics with electromagnetics conducting joint simulation and design, and theoretical research on interdisciplinary areas is relatively deficient, which causes many bottlenecks to the focal plane array feed and space VLBI techniques. The main topic is to solve the co-simulation designs using thermodynamics and electromagnetics for multi-pixel and spaceborne cryogenic receivers and quantitative extraction issue of parameters in the following: (1) research on thermal and electrical parameters extraction quantitatively test platform; (2) different diameter vacuum window design as well as thermal and electrical parameters extraction; (3) transition design between different temperature zones as well as thermal and electrical parameters extraction. Finally, validate the extracted thermal and electrical parameters employing the test platform and set up database, which can provide scientific and feasible technical methods and references for low-loss infrared-filtering vacuum window and thermal insulation between different temperature zones of multi-pixel and spaceborne cryogenic receivers.

致冷接收机是射电望远镜的重要组成部分，是热力学与电磁学交叉学科问题，其性能好坏对整个射电望远镜有重大影响。目前，国外已经展开对杜瓦热力学参数的定量设计与研究并进行热力学与电磁学统筹考虑，国内在这一领域内的研究相对滞后，主要困难是不能把热力学和电磁学两者有机结合起来进行联合仿真和设计，并且在交叉学科领域的理论研究也比较少，给焦平面阵列馈源技术和空间VLBI技术的发展带来诸多瓶颈。本课题主要是解决多波束致冷接收机和星载致冷接收机中热力学与电磁学统筹设计及参数定量提取问题，具体内容包括：（1）热、电参数定量提取测试平台设计与研究（2）不同口径真空窗口设计及热、电参数提取；（3）不同温区之间过渡结构设计及热、电参数提取；最后利用测试平台对提取的热、电参数进行实验验证，建立数据库，为我国多波束致冷接收机和星载致冷接收机中低损耗防红外漏热真空窗口和不同温区之间隔热提供科学可行的技术方法和参考。

高灵敏度微波致冷接收机是射电望远镜的核心系统之一，其最大的特点就是具有极高的灵敏度，用以探测宇宙中最为微弱的信号。本课题定位于天马望远镜Q波段双波束致冷接收机、空间VLBI阵列K/Q双频致冷接收机地面原理样机、火星探测X波段致冷接收机原理样机、1.2-6.9GHz超宽带致冷接收机等射电天文观测设备。本课题针对微波致冷接收机的真空窗口、红外滤波器、超宽带馈源、低噪声放大器等关键技术开展研究。本课题根据任务书要求，利用三年时间，超额完成了所有研究内容，主要研究进展和成果有以下6项：（1）对低损耗微波真空窗口和红外滤波器进行系统研究，在天马望远镜Q波段接收机上使用高密度聚四氟乙烯材料（HDPE）作为真空窗口，并在HDPE材料的两侧增加圆孔或圆槽来实现反射系数优于-15dB。另外，在真空窗口与馈源之间使用多层Zitex材料作为红外滤波器使得馈源处于20K物理温区。（2）对低温真空杜瓦内不同温区的过渡结构进行研究，在天马望远镜Q波段致冷接收机中致冷放大器至300K杜瓦壁过渡结构由50mm长度的铜质波导和150mm长度的不锈钢波导组成。（3）对高口径效率超宽带馈源进行了关键技术研究，设计仿真了一款1.2-4.2GHz超宽带馈源，在SKA双反射面天线中的平均口径效率超过77%。（4）对宽带正交模转换器进行研究，设计了一款67-117GHz绝对带宽达到49GHz的正交模转换器，拥有良好的驻波、插损和隔离度等特点，在结构上有简单、稳定、小型化等优点。（5）对极化网络一体小型化进行研究，研制了一款8-9GHz隔板极化网络，将耦合器、极化器和波导同轴转换器集成到一个腔体内，从而达到减小体积、降低损耗的目的。（6）对4-12GHz低噪声放大器进行研究，基于台湾稳懋公司0.15μm GaAs pHEMT工艺，增益达到30dB以上且较为平坦，噪声系数小于2dB，输入输出回波损耗均大于15dB。本课题研究期间发表相关技术文章4篇。