1 .科学背景
　　毫米波射电是观测研究宇宙各层次结构和演化的一个重要波段，上世纪70年代逐渐发展起来。我国在国际上起步较早，上世纪80年代初就部署研制了国内唯一的大中型设备13.7米毫米波望远镜，也是迄今为止国际上为数不多的中型亚毫米波天文观测设备。13.7米毫米波望远镜是我国毫米波段重要的开放设备，自1996年该望远镜3毫米波段接收机建成使用以来，已在国内外开放观测中完成了上百个天文研究课题，取得了一系列重要的天文发现。
　　随着天文观测研究的发展，现有的毫米波接收机性能越来越难以满足要求。如星系中的恒星形成和演化、银河系结构、太阳系天体物理研究等各层次天文研究的发展，一台天线配备一个接收单元的单点铅笔束扫描方式限制了在空间上实现大范围的观测覆盖，需要能够在空间上同时进行多点接收的“成像”探测器（或焦面阵列接收机）以提高空间覆盖的能力。其次，原有的SIS接收机混频器以双边带方式工作，上、下边带的毫米波信号在混频后同时进入一个中频信号。随着研究工作的深入对整个望远镜系统探测灵敏度要求越来越高，需要探测的谱线信号都是更为微弱的信号，因此，上下边带谱线在同一路中频内的混淆问题逐渐显现出来。在河外星系的观测中，由于星系整体速度场常常达到几百千米/秒，相应的频率展宽>400MHz。在这种情况下，目前的双边带工作模式在观测河外12CO和13CO (J=1-0) 谱线的时候，在中频空间将出现严重的谱线混淆（重叠）现象。再者，由于118 GHz附近大气中O2分子和大气水汽的影响，工作在110 GHz附近的毫米波接收机上、下边带大气的不透明度差异大并且变化剧烈，给观测数据的校准精度带来了严重的限制。
　　针对上述问题，在guo jia重大科研装备研制专项支持下，紫金山天文台利用最新开发成功的毫米波边带分离混频技术，开展我国第一台超导SIS混频器的多像元成像频谱仪的研制工作。该设备研制成功后，将使我国在毫米波探测技术上实现从单像元向空间成像的突破，将目前毫米波望远镜的观测能力提升9倍，达到国际同类设备的领先水平，为河外星系中的毫米波谱线观测研究、分子云与恒星形成研究、大气科学研究等提供最强有力的观测支持，使我国在毫米波段的空间探测技术进入国际前沿。
　　2 .装置综述
　　超导成像频谱仪是基于超导隧道结混频技术和边带分离技术的焦平面阵列接收机，是为我国大型毫米波望远镜自主研制的新一代接收系统。该设备在研制过程中发展了边带分离无调谐超导SIS混频技术、高性能低温中频技术、毫米波数字合成本振及功率分配技术，成功实现了大规模毫米波系统集成。该设备是国际上毫米波段的第一例基于边带分离技术原理的多波束接收机，也是我国射电天文领域研制的第一台多波束接收机。
　　超导成像频谱仪主要包括：边带分离SIS混频器、无调谐本振源、数字偏置源、独立IF（Intermediate Frequency）以及数字频谱仪等主要部分，具体由3×3个接收馈源，18套由超导SIS混频器、低噪声HEMT（High Electron Mobility Transistor）放大器、低温SiGeHBT（Heterojunction Bipolar Transistor）放大器、数字SIS偏置电源和HEMT偏置电源、1GHz带宽16 384通道数字频谱仪组成的接收机，1套数字本振、4-K致冷杜瓦、前端控制台及后端控制台计算机等组成。
　　在每一个边带分离SIS混频器单元中，毫米波信号从馈源被均分成两路，输入到两个等同的（集成的）混频器中，本振信号也同时被分配到两个混频器上，其中一路的相位被延迟90°。从两个混频器中输出的中频信号IF连接到一个中频耦合器上并移相90°，在这里上、下边带的IF信号被分离出来，分别从耦合器的两个输出端导出，信号的边带分离度在10 dB以上。输出的18路上、下边带IF信号经过独立的放大，输入到数字频谱仪进行频谱分析。经过分离的上下边带的IF信号经过独立放大，用FFT（Fast Fourier Transformation）数字频谱仪进行频谱分析，最终获得毫米波天体谱线信息。
　　在该设备中，紫金山天文台首次应用数字合成本振源LO（Local Oscillator）。LO信号来自数字合成的微波信号发生器（12.5—20 GHz），经过倍频器（×2×3），提供75—120 GHz的本振信号，使混频器工作在标准的75—116 GHz频段内。使用这种数字合成本振源相比毫米波接收机普遍采用的耿氏振荡器本振信号解决方案而言具有显著的技术优点，最主要的体现是接收机工作频率的切换可以在瞬间完成，使系统进行频率切换和大范围频谱巡查能力有新的提高。