Sistema de Lectura de 300 MHz a 6 GHz para detectores de inductancia cinética

Abstract

Este Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo el diseño, desarrollo e integración de un sistema de lectura de 300 MHz a 6 GHz para la medida de detectores de Inductancia Cinética (KIDs). Los KIDs son unos detectores extremadamente sensibles, con aplicaciones en radioastronomía y computación cuántica, basados en micro-resonadores superconductores que operan a temperaturas criogénicas dentro de un criostato, y cuya lectura requiere potencias muy débiles en la banda del sistema desarrollado en este trabajo. El sistema de lectura está compuesto por amplificadores de bajo ruido (LNA), conmutadores de doble vía (SPDTs), un atenuador programable, un divisor de potencia y un demodulador I/Q. Los SPDTs permiten seleccionar entre dos configuraciones de medida: mediante un analizador vectorial de redes (VNA) o a través del demodulador I/Q. En una primera fase se ha llevado a cabo el análisis, diseño y simulación del sistema de amplificación, evaluando diferentes configuraciones de LNA y SPDTs para seleccionar los componentes más adecuados. A partir de este estudio, se diseñó una PCB que posteriormente fue fabricada y corregida tras detectar problemas en una primera versión. El sistema ha sido caracterizado experimentalmente en laboratorio, tanto a nivel de placa como de componentes individuales, comprobando su comportamiento en frecuencia y en ruido. Finalmente, se ha llevado a cabo la integración de todos los elementos en una única caja, formando un sistema compacto y funcional, preparado para la lectura de KIDs mediante distintas configuraciones de medida.

This Bachelor's Thesis presents the design, development, and integration of a 300 MHz to 6 GHz readout system intended for the interrogation of Kinetic Inductance Detectors (KIDs). KIDs are extremely sensitive detectors, based on superconducting microresonators, with applications in radio astronomy and quantum computing. They operate at cryogenic temperatures inside a cryostat and require very low readout power within the frequency band targeted by the system developed in this work. The readout system includes low-noise amplifiers (LNAs), single-pole double-throw (SPDT) switches, a programmable attenuator, a power divider, and an I/Q demodulator. The SPDT switches allow switching between two measurement configurations: using a Vector Network Analyzer (VNA) or the I/Q demodulator. In the initial phase, various LNA and SPDT configurations were analyzed, simulated, and evaluated to select the most suitable components for the amplification stage. Based on this analysis, a PCB was designed, fabricated, and later revised due to issues encountered in the first version. The system was then experimentally characterized in the lab, both at the board level and through individual component testing, assessing frequency response and noise behavior. Finally, all components were integrated into a single enclosure, resulting in a compact and functional system ready for KID readout using different measurement schemes.