サブミリ波帯サイドバンド分離型バランスドSISミクサの開発

東京大学大学院理学系研究科

天文学専攻 博士課程3年

芹澤靖隆

Sideband-Separating Balanced Mixer構成・原理

components 数量

RF 90 hybrid 3

DSB Mixer 4

IF 180 hybrid 2

IF 90 hybrid 1

信号の流れ1) RF帯で等分配＋90度位相遅延

2) （シングルバランスド）ミクサで周波数変換

3) IF帯で等分配＋90度位相遅延

A

B

C

D

E

FVU, VL

)(2

1 :A LU VV )(

2

1 :B 22

j

L

j

U eVeV

)(2

1 :C

LU VV )(

2

1 :D 22

j

L

j

U eVeV

L

j

L

j

U

j

LU VeVeVe

VV )(2

1

2)(

2

1

2

1 :E 22

2

22

22 )(2

1

2)(

2

1

2

1 :F

j

ULU

jj

L

j

U eVVVe

eVeV

Motivation

• (Sideband-Separating) Balanced SIS Mixerの開発

– 広帯域（比帯域20%）のサブミリ波帯低雑音Sideband-Separating Balanced Mixer, およびsingle balanced SIS mixerは研究例がない

– LOパワーが十分でない、かつLO sideband noiseの影響を受けやすい、高周波（> 1THz）低雑音受信機に応用ができる。

– サブミリ波・THzヘテロダインアレイ受信機におけるpixel数増加に有用。

– サイドバンド分離機能は天文観測の精度・効率という観点から非常に重要である。

Previous works

• サブミリ波ではsideband-separating balanced mixerは開発例がない。

• マイクロ波・ミリ波では研究例があるが、狭帯域・高雑音で、天文用途ではない（無線通信・車載器・レーダー等）。

• 本研究では、高周波・広帯域（385 – 500 GHz）対応の導波管型RF branch lineカプラ、およびSingle Balanced SIS Mixersを組み合わせることで、広帯域・低雑音を実現

example frequency [GHz] NF(SSB) [dB] (typical) Tssb [K] Mixer

J. Powell et al. 2007 73 - 81 13.5 6200 SiGe Bipolar Transistor

W. Perndl et al. 2004 65 - 95 14 7000 SiGe Bipolar Transistor

K. Munusamy et al. 2006 2.44 13.7 6500 CMOS

S. -Yu Chao et al. 2008 2.4 20 28700 CMOS

C. -F. Au- Yeung et al. 2006 2.45 14 7000 CMOS

K. Komoni et al. 2008 0.905 7 1160 CMOS

Specifications• サイドバンド分離バランスドSISミクサの仕様（目標）

– SSB Noise Temperature < 10 hf/k

– サイドバンド分離比 > 10 dB

– Required LO power < 1/20 LO power for typical single-ended SIS mixers

• コンポーネントに対する仕様1) 強度不平衡 < 5.5 dB

2) 位相不平衡 < 10 deg

ComponentsAmplitude imbalance

[dB]

Phase imbalance

[deg]

Noise temperature

RF 90 hybrid < 2 <5

Mixers < 2.5 < 5hf/k

IF 180 hybrid < 0.5 < 2.5

IF 90 hybrid < 0.5 < 2.5

sum <5.5 < 10 < 10hf/k

サイドバンド分離比 > 10 dB を達成するための十分条件

RF hybrid 導波管回路

1) 等分配90度カプラー x3

2) LO power divider

3) 導波管終端

4) テーパー導波管（WR6.5→2.2） Gold plated TeCu

RF pass lengthを最小限に抑えた～ 30mm / 0.5 dB @4K

RF hybrid電磁界シミュレーション

• 寸法誤差 < 3 mm

• Amplitude imbalance < ～0.5 dB

• Return loss, isolation < -20 dB

• Phase imbalance < 0.5 deg

DSB Mixersの選択

• ～30個以上のDSB Mixersの中から、冷却性能の似た4つを抽出

• Noise temperature < ～5 hf/k

• Gain difference < 2.5 dB

IF hybrids180 hybrids (x2)

• Amplitude imbalance < 1 dB

• Phase imbalance < 3 deg (except band edge)

90 hybrid (x1)

• Amplitude imbalance < 1dB

• Phase imbalance < 2 deg

Sideband-Separating Balanced SIS Mixer 評価項目

• Noise temperature (< ～10 hf/k)

• Image Rejection Ratio (> 10 dB)

• IF spectrum (flat)

• LO power (< 1/20 of typical single-ended mixers)

Sideband-SeparatingBalanced SIS Mixer

Sideband-SeparatingBalanced SIS Mixer 冷却性能(1) – noise & IRR –

Noise temperature ～ 10 hf/k IRR > ～ 10 dB

コンポーネント評価結果から求めた計算値と実測値がほぼ一致

Sideband-SeparatingBalanced SIS Mixer 冷却性能(2)

– spectrum & LO power –IF spectrum

Required LO power

LSB

USB・flatなspectrum・シングルエンドミクサに比べて～1/20-30程度尐ないLO powerで動作可能

まとめ

Sideband-Separating Balanced SIS Mixer

–サブミリ波で世界初

–広帯域（385 – 500 GHz）

–雑音温度 < ～10hf/k

– IRR > ～10 dB

– LO power < ～－14 dB

Available LO powerの尐なく、LO sideband noiseの影響を受けやすいテラヘルツSIS受信機や、ヘテロダインアレイ受信機に有用な技術の基礎研究開発

発展性

• 本研究の発展例– Balanced SIS Mixer

• 1THz帯Balanced SIS Mixer

• 高周波ヘテロダインアレイ

– Sideband-separating balanced SIS mixer• サイドバンド分離ヘテロダインアレイ

– ～1/20-30のLO powerで動作可能• ヘテロダインアレイのPixel数を桁で増加させることが期待できる