ALMA Band10用 導波管型LOカプラ一体型低雑音SISミクサ 黒岩宏一 (大阪府立大学) 小嶋崇文(国立天文台/大阪府立大学) M. Kroug, 藤井泰範, 金子慶子, 宮地晃平, 鵜澤佳徳 (国立天文台),王鎮 (情報通信研究機構),小川英夫（大阪府立大学）

LOカプラ一体型ミクサブロック の開発目的 ① LO信号の典型的な出力は 10-15 mW ②テラヘルツ帯では単位長さ当たりの導波管の損失が増大 Band10用のLOカプラの目的は　①LO信号は典型的に10-15マイクロWであり非常に微弱であることから、適切なカップリング率をもつこと。②テラヘルツ帯では単位長さ当たりの導波管の損失が増大するため、導波管の長さが短いことが必要です。 LOカプラ一体型低雑音SISミクサの開発ではまず、テラヘルツ帯では導波管の損失が単位長さ当たり増大します。よって一体型によって導波管長を最小の設計をしました。 そしてjunctionの消費電力が0.3マイクロWの時ミクサの雑音が最小であり、LO信号の出力の典型的な出力は10-15マイクロWであるから、カップリング率は10dBを採用した 10 dBカプラの開発は微細加工で困難 であり、表面粗さを含めた カップリングが良すぎる LO 信号の強度不足

LOカプラ一体型ミクサブロックの設計 10 dB coupler RF Corrugated horn IF output 6.2 mm RF Signal Superconducting Magnetic coil LO Signal LO diagonal horn こちらが設計したLOカプラ一体型ミクサです。 LO信号が微弱なため10ｄBカプラを採用し、導波管長を最小にするためカプラをミクサブロックと一体化しました。カプラを一体化したことで導波管は6.2mmになり、別の測定結果からの損失から0.3dBに相当します。　 ローカル信号はミクサブロックと一体化したダイアゴナルホーンで受信します。RF信号はフランジで接続されたコルゲートホーンで受信します。このRF信号とLO信号はミクサブロックに一体化された10dBカプラでカップリングされミクサチップまで伝送されます。 6.2 mm → 0.3 dB 損失 WR-1.2冷却時損失測定 RF in Mixer chip Port 1 Port 2 Port 3 Port 4 LO in Termination 100 mm

IF chain at room temperature LOカプラ一体型ミクサ 雑音温度測定 LO 側 RF 側 4K stage LO source Isolator CLNA Mixer Cold Load Hot load Chopper このカプラ一体型ミクサの雑音温度を測定しました。LO信号は定倍器でつくり、ホーンから平面鏡・楕円鏡を経由してミクサに導かれ、RFのhot coldは楕円鏡でミクサに導かれます。 この測定系はLO側からhot coldを入力できるのでLO側の雑音温度を測定しました。これは冷却系状態でカップリング率を測定できます。 IF chain at room temperature カプラのRF側,LO側の雑音温度を測定 　　　→カップリング率を冷却で測定可能

雑音温度・利得測定結果 → 0.8 – 0.95 THz で330 K以下 0.87 THz で221 K RF 側 LO 側 横軸周波数で縦軸が雑音温度、利得です。RF側の雑音温度は0.801-0.95THzで量子限界の7.5倍である330K以下、0.87THｚで221Kという低雑音でした。 そして、LO側の雑音温度は右の図です。この測定結果の利得からカップリング率を求めました。 低雑音！！ LOカップリング　測定図 → 0.8 – 0.95 THz で330 K以下 　 0.87 THz で221 K

冷却時 カップリング率 Port 1 Port 2 RF in Mixer LO in Termination Port 4 Port 3 測定値 計算値 横軸が周波数、白い点が挿入損失、黒点がカップリング率をあらわしています。計算値は実線であり計算値と一致していることを確認しました。

結論 10 dB LOカプラは計算値とよく一致 →カプラ部が設計どおりにできていることを示唆 0.8 – 0.95 THz で雑音温度 330 K以下 →ALMA Band10の使用に耐えうる 耐えうると考えられます ポスターをご参照ください

はじめに ヘテロダイン受信機でRFとLO信号を結合する手法 ・ ビームスプリッタ 機械的に不安定 ・ 導波管型カプラ 機械的に安定

IF chain at room temperature 雑音温度・利得測定 Chopper 4K stage Isolator CLNA Mixer Hot load Cold Load Cold Load Hot load Chopper LO source IF chain at room temperature

ALMAのスペック 230K ミクサ 前段のロスを下げる 導波管のロス カップラのロス（カップリング率） ミリ波でも評価されていない 導波管のロス　カップラのロス（カップリング率） ミリ波でも評価されていない 評価方法 導波管を小さく　 （定倍機を離す）　110K 4Kステージには電力供給から定倍機をおけない Band10 で230Kという低雑音化のためミクサの前段のロスを下げることが重要。電力供給の観点から定倍器は冷却できない。導波管でローカル信号の入力は、導波管のロスのため、カートリッジの外からホーンでテラヘルツを飛ばしてホーンを受信するシステムを採用。