2021 Fiscal Year Annual Research Report
Study on a low-noise microwave amplifier based on frequency conversion gain of quasiparticle mixers
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19H02205
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| Research Institution | National Astronomical Observatory of Japan |
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Principal Investigator |
小嶋 崇文 国立天文台, 先端技術センター, 准教授 (00617417)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鵜澤 佳徳 国立天文台, 先端技術センター, 教授 (00359093)
木内 等 国立天文台, アルマプロジェクト, 特任教授 (90358911)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | SISミキサ / 超伝導 / 低雑音増幅器 / マイクロ波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、理論計算、雑音温度評価系の改良、SISミキサの作製を進めた。
理論解析においては非線形回路シミュレータを用い、2つの周波数変換器を用いた場合に対して、利得計算を実行した。シミュレーションの結果、利得を最大化するためには、「2つのSISミキサ間のミリ波伝送線路の位相遅延量」と「2つの局部発振器間の位相差」との関係が重要であることを明らかにした。また、位相条件によっては、信号の進行方向と後退方向で180度の位相差が生じる、ジャイレータ動作が発現することを計算上確認した。したがって、2つのSISミキサを用いた本構成が、新たなマイクロ波回路となる可能性があることがわかった。
以上の知見に基づき、2つの局部発信器入力系に可変減衰器および可変位相器を導入し、ダウンコンバータやアップコンバータに入力する振幅と位相を独立かつ任意に制御できるように雑音温度測定システムを改良した。また本研究では、各コンバータの個別回路評価のために、100 GHz帯での特性評価も必要になる。その際、通常、クライオスタット内に設置されたSISミキサに給電ホーン等を接続し、クライオスタット外の常温黒体及び液体窒素温度黒体を切り替えて終端することで、Yファクタを得て、雑音温度を計算している。しかし、真空窓や赤外線フィルタの透過損失やビームのけられなどが雑音温度の測定結果に影響し、測定精度が低下する。そこで、Yファクタ測定が冷却クライオスタット内で可能となるように、Wバンド帯の温調付き終端器を導入し測定系を改良した。
SISミキサについては、昨年度設計した回路に基づき、新たにレチクルを製作した。ミキサチップの作製および性能評価を順次進めており、来年度も引き続き評価を進める予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究ではSIS接合を用いたアップコンバータおよびダウンコンバータによる新しい構成の増幅器の開発を目指したものである。昨年度までに既存デバイスを用いた性能評価を実施し、冷却型半導体増幅器と同等に近い性能を得た。したがって、本研究で提案する新規増幅器構成の有用性を確認し、本研究における最も重要な目的の一つを達成している。
本年度は、さらなる性能向上のために、SISミキサの回路最適化を目指したが、作製装置の故障もあり、想定通りに作製が進まなかった。一方、シミュレーションを中心に課題抽出を行い、本増幅器構成における信号や局部発信電力の位相に着目し、さらなる性能改善の余地があることがわかった。その知見を実験系に反映することで、利得の改善効果を確認することもできた。以上の進捗は、複数の国内研究会で発表した。
したがって、当初予期していなかった現象についても一つ一つ着実に知見を積み重ねており、比較的順調に研究が進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、SISミキサ高性能化のためのデバイス作製を継続し、それによる増幅器のさらなる性能向上を目指す。これまでに、アップコンバータの利得および雑音温度が、増幅器の性能に本質的であることがわかっており、その特性に焦点をあてて最適化を目指す。また、並行してオンウエハで回路素子の測定を進め、要素回路の詳細解析も行う。
引き続き、電波天文だけでなく幅広い研究分野に当該増幅器の認知度を高めるため、国内外の研究会において適宜発表し、関連研究者と議論する。さらに、これまでに実験やシミュレーションで明らかになった特性や現象について知見をまとめ、論文投稿を目指す。
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[Presentation] Development status of an SIS-mixer-based amplifier2021
Author(s)
Uzawa, Y., Kojima, T., Makise, K., Kawakami, A., Kozuki, Y., Masui, S., Shan, W.
Organizer
22nd East Asia Sub-millimeter-wave Receiver Technology Workshop 2021
Int'l Joint Research
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