Universität zu Köln

Barrueto González, Ignacio alberto Hugo (2024). Development of superconducting planar components for the focal plane units of CCAT-prime Heterodyne Array Instrument. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis focuses on the development of superconducting planar components for the CCAT Heterodyne Array instrument (CHAI). Planned to operate in two bands simultaneously, CHAI will feature two independent 64-pixel arrays covering 455 - 495 GHz (Low Frequency Array) and 780 - 820 GHz (High Frequency Array). The basic unit composing the arrays are 4-pixel waveguide blocks, fabricated in split block technology and designed to house four planar mixers fabricated on silicon substrates, which are suspended inside waveguide cavities. Each 4-pixel block also contains the local oscillator distribution network. The two topics of this thesis are the development of a power divider based on superconducting planar chip technology to perform the 1-to-4 power division for the LFA and the design of an integrated balanced mixer for the HFA. For the power division, a total of five different power dividers were designed in planar technology and fabricated in the I. Physikalisches Institut (Ph.I) microstructure fabrication laboratory. The individual components of the balanced mixers for the HFA have been designed and simulated, but could not be manufactured yet due to time constraints. Due to the impossibility of Vector Network Analyzer (VNA) measurement to characterise the power dividers fabricated in this work, the SIS junctions found in the Integrated BAlanced Mixer (IBAMI), the mixer of choice for the LFA, are used as power detectors. The experimental setup is then composed of two IBAMI connected by waveguides to the power divider’s outputs. This configuration has the advantage that it represents half of the 4-pixel block for CHAI, allowing for testing the components meant to populate the LFA in a simpler setup. This setup allows only for power division measurements with no possibility for direct measurement of the reflections at the waveguide ports of the power divider. Four units of the 2-pixel test block were fabricated in the mechanical workshop of the I. Physikalisches Institut. Three of the blocks have beamlead pockets to reduce the wear on the beamleads and the chips. The fabricated power dividers were based on 90? hybrids and a Wilkinson power divider. The experimental and simulated results showed how the transmission to the junctions in the IBAMI mixers is affected by the phase difference between the power divider outputs and the phase difference introduced by the coupler in the balanced mixer. Of the five power dividers fabricated only the Wilkinson power divider has the highest potential to achieve a balanced power division. Furthermore, it is concluded that the best choice of components for a heterodyne array is in-phase power dividers, such as the Wilkinson power divider, in combination with balanced mixers based on 180 couplers

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Entwicklung von supraleitenden planaren Komponenten für die Fokalebeneneinheiten des CCAT-Prime Heterodyne Array-Instruments German UNSPECIFIED Akan
Translated abstract:	Abstract Language Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung von supraleitenden planaren Komponenten für das CCAT Heterodyne Array Instrument (CHAI). CHAI ist für den gleichzeitigen Betrieb in zwei Bändern geplant und wird zwei unabhängige 64-Pixel-Arrays für 455 - 495 GHz (Niederfrequenz-Array) und 780 - 820 GHz (Hochfrequenz-Array) umfassen. Die Grundeinheit, aus der die Arrays bestehen, sind 4-Pixel-Wellenleiterblöcke, die in Split-Block-Technologie hergestellt werden und vier auf Siliziumsubstraten hergestellte planare Mischer beherbergen, die in Wellenleiterhohlräumen aufgehängt sind. Jeder 4-Pixel-Block enthält auch das lokale Oszillator-Verteilungsnetz. Die beiden Themen dieser Arbeit sind die Entwicklung eines Leistungsteilers auf der Grundlage supraleitender planarer Chiptechnologie zur Durchführung der 1-zu-4-Leistungsteilung für die LFA und der Entwurf eines integrierten symmetrischen Mischers für die HFA. Für die Leistungsteilung wurden insgesamt fünf verschiedene Leistungsteiler in Planartechnik entworfen und im Mikrostruktur-Fertigungslabor des I. Physikalischen Instituts (Ph.I) hergestellt. Die einzelnen Komponenten der symmetrischen Mischer für die HFA wurden zwar entworfen und simuliert, konnten aber aus Zeitgründen noch nicht gefertigt werden. Da es nicht möglich ist, die in dieser Arbeit hergestellten Leistungsteiler durch Messungen mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) zu charakterisieren, werden die SIS-Übergänge im Integrated BAlanced Mixer (IBAMI), dem Mischer der Wahl für die LFA, als Leistungsdetektoren verwendet. Der Versuchsaufbau besteht dann aus zwei IBAMI, die über Hohlleiter mit den Ausgängen des Leistungsteilers verbunden sind. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass sie die Hälfte des 4-Pixel-Blocks für CHAI darstellt und es ermöglicht, die Komponenten, die das LFA bestücken sollen, in einem einfacheren Aufbau zu testen.Dieser Aufbau erlaubt nur Messungen der Leistungsteilung ohne die Möglichkeit einer direkten Messung der Reflexionen an den Hohlleiteranschlüssen des Leistungsteilers.Vier Einheiten des 2-Pixel-Testblocks wurden in der mechanischen Werkstatt des I. Physikalischen Instituts hergestellt.Drei der Blöcke verfügen über Strahlführungstaschen, um den Verschleiß der Strahlführung und der Chips zu verringern. Die hergestellten Leistungsteiler basierten auf 90?-Hybriden und einem Wilkinson-Leistungsteiler. Die experimentellen und simulierten Ergebnisse zeigten, wie die Übertragung zu den Knotenpunkten in den IBAMI-Mischern von der Phasendifferenz zwischen den Leistungsteilerausgängen und der Phasendifferenz, die durch den Koppler im symmetrischen Mischer eingeführt wird, beeinflusst wird. Von den fünf hergestellten Leistungsteilern hat nur der Wilkinson-Leistungsteiler das größte Potenzial, eine ausgeglichene Leistungsteilung zu erreichen. Darüber hinaus wird der Schluss gezogen, dass die beste Wahl von Komponenten für ein Heterodyn-Array phasengleiche Leistungsteiler wie der Wilkinson-Leistungsteiler in Kombination mit symmetrischen Mischern auf der Basis von 180-Kopplern sind German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Barrueto González, Ignacio alberto Hugo barrueto@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-734774
Date:	2024
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 superconductivity, superconducting electronic devices, superconducting heterodyne frequency mixers, superconducting detectors, mesoscopic physics, terahertz radiation, Focal plane arrays English Supraleitung, Supraleitende elektronische Devices, Supraleitende Heterodynfrequenzmischer, Supraleitende Detektoren, Mesoskopische Physik, Terahertz Strahlung, Focal plane arrays German
Date of oral exam:	26 February 2024
Referee:	Name Academic Title Stutzki, Jürgen Prof. Dr Labadie, Lucas Prof. Dr
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73477