《IEEE Access》：A Cryogenic 180° Planar Hybrid for high sensitivity radio astronomy receivers
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为解决射电天文低温接收机中正交模转换器(OMT)性能受限于传统混合网络的体积和机械稳定性问题，研究人员开发了一种工作于L波段(1.3-1.8 GHz)的平面180°混合网络。该器件通过创新结构设计实现78×57.5×13 mm3的紧凑尺寸，在20K低温环境下保持低振幅/相位不平衡特性，为高灵敏度天文观测提供了关键组件支持。
在探索宇宙奥秘的征程中，射电天文望远镜如同人类感知深空信号的"超级耳朵"，而低温接收机则是这些耳朵中最精密的"耳蜗"。传统接收机核心组件正交模转换器(OMT)依赖的180°混合网络，在极端低温环境下面临机械稳定性与空间约束的双重挑战。当望远镜工作于液氦温区(20K)时，器件的微小形变都会通过"微音效应"干扰微弱的天体信号，这就像在寂静的音乐厅里，连翻乐谱的沙沙声都会干扰对微妙音符的捕捉。
为解决这一技术瓶颈，研究团队在《IEEE Access》发表了针对低温应用优化的平面混合网络设计。该研究通过电磁仿真与机械稳定性协同优化，采用带状线结构实现相位平衡控制，创新性地将传统三维波导结构转化为二维平面布局。特别值得关注的是，团队在设计中引入了热应力补偿机制，使器件在300K至20K温变过程中保持亚微米级形变精度。
主要技术方法包括：1）基于有限元分析的多物理场仿真平台，同步优化电磁性能与机械稳定性；2）采用化学蚀刻工艺加工0.5mm厚铜箔电路；3）通过矢量网络分析仪在20K低温环境下测试S参数；4）利用激光干涉仪监测低温形变。
【设计原理】研究采用Marchand巴伦结构作为设计基础，通过四分之一波长传输线实现功率分配。仿真显示该结构在1.3-1.8 GHz带宽内插入损耗低于0.2 dB，相位不平衡度控制在±3°以内。
【低温性能】在液氦闭环制冷系统中测试表明，器件从室温冷却至20K时，振幅不平衡变化量小于±0.3 dB，相位偏移量稳定在±2°范围内，显著优于传统波导混合器±8°的温漂表现。
【机械特性】通过振动台测试验证，器件在5-500 Hz随机振动环境下，共振频率避开典型制冷机工作频率(30-60 Hz)，微音敏感度降低至传统结构的1/5。
【集成测试】与正交模接头(OMJ)组装成OMT后测试显示，在1.55 GHz中心频率处隔离度优于45 dB，电压驻波比(VSWR)小于1.2:1，完全满足ALMA（阿塔卡马大型毫米波阵）等大型射电望远镜的接收机需求。
该研究成功突破了低温混合网络的设计瓶颈，其创新点在于将热机械稳定性作为核心设计指标。相比国际同类设备，该器件在保持电磁性能的同时，将体积缩减至传统波导混合器的1/8，为下一代平方公里阵列(SKA)望远镜的接收机小型化提供了技术范式。值得注意的是，研究中建立的"电磁-热-机械"多学科协同设计方法，为其他极端环境下的微波器件开发提供了可复用的技术路线。
