Universität zu Köln

Justen, Matthias (2007). Broadband IF Circuits for Superconductor Isolator Superconductor (SIS) Mixers for the Heterodyne Instrument for the Far Infrared on the Herschel Space Observatory and for Sideband Separating Mixers. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis describes the development and manufacturing of the IF circuits for two different heterodyne receivers used for sub-mm radio astronomy. The first project is the broadband 4-8 GHz IF circuitry for the mixer units for band 2 of the Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI). This instrument will be operating onboard of ESA's Herschel space observatory. The band 2 mixer units for HIFI, built by KOSMA, implement low noise SIS mixers in a very compact, modular design. The complete IF path in the mixer units consist of the mixer block (with the SIS mixer chip) and the bias-T, which is needed to apply a bias voltage to the SIS-junction and to extract the IF signal. The detailed investigation of the IF performance of the mixer block must consider the geometric capacitances of the SIS-junction and the tuning structure as well as the inductance of the bond wires used to establish the contact between the mixer chip and the SMA output connector. The calculations presented in this thesis show that the design can be used for IF frequencies up to 12 GHz. The bias-T, which is implemented in the mixer unit, is a dedicated, new development with high performance and high reliability complying with the special requirements for a spaceborne instrument. These include the survival under high mechanical stress such as vibration during the launch and extensive thermal cycling to cryogenic temperatures during the tests of the mixer unit and the instrument. An excellent (S21 > -0.25 dB) IF signal transmission of the bias-T is achieved by special high reliability connections in the signal path. Different coefficients of thermal expansion are compensated by the mechanical flexibility of the connections. These special parts have been developed, manufactured, integrated and tested within this work in a three phase design cycle (Demonstration Model(DM) - Qualification Model (QM) - Flight Model (FM)). In addition to the high transmission, the bias-T provides filter circuits, which effectively protect the signal path from electromagnetic interference (EMI) entering the mixer unit via the unshielded bias lines. The mixer units have passed all performance and environmental tests and are presently integrated into the HIFI instrument. The second project is the development and fabrication of very broadband nonuniform couplers, which can be used as -3 dB 90°-hybrids on the IF side of sideband separating mixers with large IF bandwidth. By the smooth (e.g., nonuniform, not stepped-uniform) change of the even- and odd-mode impedances along the wave propagation direction, uncontrolled reflections are avoided, which is indispensable to achieve a large bandwidth. Strong power coupling (-3 dB, e.g., 50%) is achieved with broadside coupled lines in a homogeneous stripline configuration, which ensures TEM mode propagation. This TEM mode propagation and the smooth distribution of the electrical parameters allow to achieve a large bandwidth. The impedances can be calculated by Fourier transformation of the power coupling bandshape. In order to determine the actual geometry (e.g., stripline width and spacing) from even mode line impedances, a design procedure has been developed, which is presented in this thesis. It includes an appropriate mix of analytic calculations and an interpolation scheme which uses results from a commercial 2D EM-field solver. This procedure has been successfully applied in order to design various couplers, which have been manufactured and tested. By introducing mode launchers in the vicinity of the coupler ports, the TEM mode purity could be improved, which led to an increased coupler bandwidth of 1.9-9.3 GHz.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Breitband ZF-Schaltkreise für Supraleiter Isolator Supraleiter (SIS) Mischer für das Heterodyn-Instrument für fernes Infrarot des Herschel Weltraumteleskops und für Seitenband-Separierende Mischer German
Translated abstract:	Abstract Language Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und die Fertigung von ZF-Schaltkreisen für zwei verschiedene Heterodynempfänger für sub-mm Radioastronomie. Das erste Projekt befasst sich mit den ZF-Schaltkreisen für die SIS-Mischer für Band 2 des "Heterodyne Instrument for the Far Infrared" (HIFI) für das Herschel Satellitenobservatorium der ESA. Diese hochempfindlichen Mischer mit einem kompakten, modularen Design wurden hier bei KOSMA entworfen und gefertigt. Der ZF-Signalweg in diesen Mischern besteht aus dem Mischerblock (mit dem SIS-Mischelement) und einem Bias-T, welches für die Einspeisung einer Biasspannung und die Separierung des ZF-Signals notwendig ist. In einer detaillierten Untersuchung der ZF-Eigenschaften des Mischerblocks wurden die geometrischen Kapazitäten des SIS-Kontaktes und der Tuning-Struktur sowie die Induktivität der Bonddrähte gesondert charakterisiert und dann insgesamt bewertet. Die hier dokumentierten Berechnungen zeigen, dass diese Mischerblöcke bis zu einer ZF von 12 GHz verwendet werden können. Das Bias-T für HIFI ist eine Neuentwicklung mit exzellenten Eigenschaften und hoher Ausfallsicherheit, die den speziellen Anforderungen eines satellitengestützten Instruments entsprechen. Die härtesten Anforderungen an eine zuverlässige Funktion stellen die starken Vibrationen während des Starts und wiederholte Temperaturwechsel zu kryogenen Temperaturen (cryogenic thermal cycling) während der Mischertests und der Instrumenttests dar. Eine sehr verlustarme ZF-Signalübertragung (S21 > -0.25 dB) konnte mit speziellen, sehr zuverlässigen Verbindungen im Signalweg erreicht werden. Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden dabei durch eine mechanisch flexible Bauweise ausgeglichen. Diese speziellen Verbindungsteile wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, gefertigt und nach dem Einbau in die Mischer ausgiebig getestet. Neben der verlustarmen ZF-Signalübertragung gewährleisten die im Bias-T eingebauten Filter einen guten Schutz vor elektromagnetischen Störungen, die über die ungeschirmten Versorgungsleitungen eindringen können. Nach erfolgreichen Qualitäts- und Zuverlässigkeitstests werden die Mischer zur Zeit in das HIFI-Instrument eingebaut. Das zweite Projekt im Rahmen dieser Arbeit ist die Entwicklung und Fertigung von extrem breitbandigen Richtkopplern, die als -3 dB 90°-Hybride auf der ZF-Seite von Seitenband-Separierenden Mischern mit großer ZF-Bandbreite benutzt werden können. Durch einen stetigen Verlauf der even- und odd-Mode Impedanzen können unkontrollierte Reflexionen der elektrischen Wellen verhindert werden. Durch Verwendung von Striplines in einem homogenen Dielektrikum, die über ihre breite Seite elektrisch gekoppelt werden, ist es möglich, hohe Kopplungskoeffizienten zu erreichen. Durch die Homogenität des Mediums kann sich eine TEM-Mode ausbilden, die zusammen mit dem stetigen Impedanzverlauf Voraussetzung für eine hohe Bandbreite ist. Der Impedanzverlauf kann über die Fourier-Transformation des Kopplungsbandes berechnet werden. Um die tatsächliche Geometrie (d.h. Breite und Abstand der Striplines) aus dem Impedanzverlauf bestimmen zu können, wurde ein Interpolationsverfahren entwickelt, das Resultate eines kommerziellen 2D EM-Simulationsprogramms verwendet. Dieses Verfahren wurde erfolgreich angewendet, um verschiedene Koppler zu entwerfen, die hergestellt und getestet wurden. Durch Einführung von Mode-Launchern an den Übergängen von Koaxialleitung zu Stripline konnte die TEM-Moden Qualität verbessert werden, und die Bandbreite der Koppler auf 1.9-9.3GHz erhöht werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Justen, Matthias justen@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-21943
Date:	2007
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language SIS-Mischer , Zwischenfrequenz , Breitband , Richtkoppler , Bias-T German SIS-Mixer , Intermediate Frequency , Broadband , Directional Coupler , Bias-T English
Date of oral exam:	8 January 2007
Referee:	Name Academic Title Stutzki, Jürgen Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2194