100GHz帯4-12GHz広帯域IF SISミクサの開発 上月雄人、石田裕之、長谷川豊、黒岩宏一、木村公洋、村岡和幸、前澤裕之、大西利和、小川英 夫(大阪府大)、浅山信 一郎、南谷哲宏、小嶋崇文、藤井泰範、野口卓(国立天文台)、中島拓、 加藤智隼、桑原利尚、藤井由美、山本宏昭(名大) Abstract N : FOREST-new マウント O : FOREST-old マウント H,U 野辺山45m電波望遠鏡搭載の100GHz帯4ビーム両偏波2SB受信機「FOREST」は、受信機雑音温度の測定の 結果、4-12GHzのIF帯域のうち高周波数側で特性が大きく悪化することが確認された。(Fig.1) 原因箇所を検 証した結果、 SISミクサ付近の冷却IF系に原因があることが分かった。 我々はIF帯域4-12GHzにおいても低雑音が実現できる100GHz帯SISミクサの開発を行っている。新SISミクサ の開発では、ミクサブロック、プローブ、信号伝送回路などの、今まで考慮されてこなかった箇所も含めて大き く見直すことで、RF,IFの両帯域で安定した性能を実現する予定である。 H,L V,U V,L N N O O N N N N O O N N N N O O Beam1 Beam2 Beam3 Beam4 Key Words : 電波, FOREST, SISミクサ, 広帯域化,インピーダンス整合 Fig.１ FORESTのTrx測定結果 既存ミクサの解析 ミクサ素子の解析 現在用いられている100GHz帯SISミクサ素子には、以下に挙げる二つの設 計上の問題があることが判明した。 • 伝送線路の不連続箇所での電気長伸長の効果が考慮されていなかった。 • 伝送線路長の設計値から物理長への変換が間違っていた。 ミクサブロックの解析 100GHz帯SISミクサには３種類のミクサブロックが存在する。(Tabl.6) 現行 素子と修正素子のボウタイアンテナとチョークフィルタは同じなので、両素子 のFeedPointから見たRF信号の入力インピーダンスは同じである。ミクサブ ロックのRF整合について3次元電磁界解析を行った。 Table.6 3種類のミクサブロック ミクサブロック種 MSL-CPW接続箇所 現行素子のMSLとCPWが接続する箇所について、超伝導線路のモデル(Fig.2)を利用 して3次元電磁界解析を行った。解析結果(Table.1)から、電気長の伸長が確認できた。 𝑥 + 𝑦 + 𝑑𝑙21 Freq ZMSL λMSL ZCPW λCPW [GHz] [ohm] [mm] [ohm] [mm] 1:MSL 80 2:CPW 𝑥 9.38 100 9.40 1.469 1.176 96.2 96.2 dl11 [deg] 2.317 0.593 1.855 0.927 dl11 [um] 2.420 3.028 Type.2 & Type3 （FOREST-old） Type.4 （FOREST-new） Side Back Front RF ミクサ素子の置方 RF dl22 [deg] 1.188 1.534 dl22 [mm] dl21 [deg] 7.646 RF 導波管回路部略図 RF 0.45𝑚𝑚 RF SIS RF 0.46𝑚𝑚 0.45𝑚𝑚 0.921 7.904 SIS SIS Table.1 MSL-CPW解析結果 𝑦 Type.1 （Original） 0.675𝑚𝑚 1.263 2.54𝑚𝑚 RF RF 0.46𝑚𝑚 分割面 2.54𝑚𝑚 0.53𝑚𝑚 0.316𝑚𝑚 120 2𝑦 + 𝑑𝑙22 9.40 0.979 96.3 1.544 0.733 1.993 1.622 6.957 1.211 Type.1 Type.2 & Type.3 （Original） （FOREST-old） 0.316𝑚𝑚 2.54𝑚𝑚 分割面 2𝑥 + 𝑑𝑙11 分割面 0.46𝑚𝑚 0.46𝑚𝑚 0.67𝑚𝑚 0.254𝑚𝑚 RF Type.4 (FOREST-new) Fig.2 MSL-CPW解析モデル MSL-CPW接続箇所での電気長伸長について、CPW終端部での実効長伸長につい ての近似式を比較対象とした。 𝑊+2𝑆 short: 8 𝑊+2𝑆 open: 4 (= 3.375 𝑢𝑚) Table.2 電気長伸長の比較 (= 6.750 𝑢𝑚) Table.1に示した𝜆𝐶𝑃𝑊 を用いて電気長𝑑𝑙𝑠ℎ𝑜𝑟𝑡 , 𝑑𝑙𝑜𝑝𝑒𝑛 に変換して比較した。(Table.2) Freq [GHz] dl21 [deg] dlshort [deg] dlopen [deg] 80 0.921 0.524 1.049 100 1.263 0.655 1.310 120 1.211 0.787 Conclusion • MSL,CPWの双方で端部での電気長伸長を確認 • 電気長伸長量から不連続箇所は実用上open端に近似できる可能性が高い 伝送線路長の修正 tr4 tr3 現行素子では、MSLとCPWが交互に並んだインピーダンス トランスフォーマおよび同調回路を通して、アンテナの”Feed Point”からの電力をSIS接合まで伝送している。(Fig.3) 伝送 線路各部の長さについて修正が行われ(Table.3)、この修正 素子の製作と評価が行われている。 線路種 現行素子 [um] 修正素子 [um] tr1 CPW 61.2 99.8* tr2 MSL 120.9 74.1 tr3 CPW 102.3 166.9* tr4 MSL 43.7 26.9 Conclusion • いずれのミクサブロックでもFeedPointのインピー ダンスは概ね70Ωになっている • Type.1 > Type.2&3 > Type.4の順で特性が良い • 現在用いられているType.4でもボウタイとチョーク を変更することで特性が改善する可能性がある Type.4 1.574 Type.2&3 Type.1 tr2 tr1 ミクサ素子とミクサブロックのマッチング Type.1 Feed Point Series Junction Fig.3 １００GHz素子の伝送線路 Table.3 伝送線路の物理長 Fig.6 ミクサマウントの電磁界解析 Type.2&3 Type.4 現 行 素 子 全てのミクサ素子とブロックの組み 合わせについて解析し、概ねマッチン グが取れていることを確認した。 Table.4 超伝導伝送線路の特性 Z0 [ohm] λ100GHz [mm] 9.37 96.2 1.176 1.855 MSL CPW 超伝導状態の伝送線路は、３次元電磁界解析によって精度良く再現できる(V.Belitsky 2006)ため、その特性を求めた。(Table.4) Table.3,4の結果から両素子のインピーダンス トランスフォーマと同調回路の特性について、回路シュミレータを用いて解析した。 (Fig.4,5) 現行素子 修正素子 (Table.7) 修 正 素 子 現行チョークフィルタの特性 現在のチョークフィルタについての解析結果から、RF帯とIF帯の両方で良 好な特性が得られる設計が困難であることが分かった。これはIF帯が広帯 域化によってRF帯に接近したために顕著になってきた問題である。 x1 x1 x2 x2 Zfeed= 70 [ohm] , Rj = 25 [ohm] , Cj = 70 [fF] x3 x3 Fig.4 回路シミュレータでの等価回路 Fig.5 ミクサ素子の特性 Fig.8 チョークフィルタのモデル Fig.9 RF通過特性 Fig.10 IF通過特性 新ミクサの開発 新素子の目標 「RF帯域80-120GHz、IF帯域4-12GHzの低雑音なSISミクサの開発」 設計方針 • • • • SIS安定領域でのインピーダンス整合 超伝導線路の性質の定量化と適当な解析モデルの確立 精度良く製作できるコプレーナ線路の多用 回路シュミレータによる設計を基本として、３次元電磁界解析 による物理長の最適化 RF整合 設計中の新フィルタ • • コプレーナ線路とハンマー フィルタを利用して、RF信号と IF信号の分波の実現を目指す。 • 片側だけの新プローブの採用 新プローブに合わせて、現行マウントを最大限に活かせる マウントの再設計 インピーダンストランスフォーマと同調回路の分離 IF通過 IF整合 • • • SIS素子から直接にIF信号を取り出す専用線路の設置 RF信号は遮断されIF信号は通過する平面フィルタの実装 後段の冷却IF系とのインピーダンス整合をとるIF基盤の設計 新フィルタの単位構造 RF反射 IF反射 RF通過 設計中のチョークフィルタ(x5)の特性
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