Among the parameters that specify a radio astronomy receiver, two of them take particular importance: Effective Noise Temperature and Gain Stability. The Effective Noise Temperature (ENT) is determined by the receiver's input stages noise contribution: feeder and low noise amplifiers. It also determines the receiver's sensitivity. Gain Stability, unlike the ENT, is affected by the inherent stability of the whole receiver's stages. The present paper makes a review on the fundamentals involved in a receiver with cryogenically cooled stages.Asociación Argentina de Astronomí

Bava, José Alberto

Groisman, Jorge

Sanz, Aurelio Juan

Servicio de Difusión de la Creación Intelectual

RECEPTORES CRIOGENICOS PARA RADIOASTRONOMIAIngs. José Alberto Bava, Jorge Groisman y Aurelio Juan Sanz Instituto Argentino de RadioastronomíaABSTRACTAmong the parameters that specify a radio astronomy receiver, two of them take particular importance: Effective NoiseTemperature and Gain Stability.The Effective Noise Temperature (ENT) is determined by the receiver's input stages noise contribution: feeder and low noise amplifiers. It also determines the receiver's sensitivity.Gain Stability, unlike the ENT, is affected by the inherent stability of the whole receiver's stages.The present paper makes a review on the fundamentals involved in a receiver with cryogenically cooled stages.MEJORAS DE RUIDO EN AMPLIFICADORES ENFRIADOS A TEMPERATURAS CRIOGENICASEn los receptores donde la señal detectada es débil, uno de los parámetros más importantes que caracterizan al sistema, es latemperatura efectiva de ruido. Un amplificador amplifica tanto la señal como el ruido de entrada, amplificador real, agrega ruido degradando la señal/ruido.perfecto pero un relaciónEl ruido que deteriora a la señal de entrada se puede determinar con la expresión de potencia de ruido térmico:Pn = K Tsíet B (1)K = constante de BoltzmanB = ancho de bandaTetet = Temperatura de ruido del sistemaSiendo la temperatura de ruido del sistema, en el caso de un radiotelescopio, la suma de la temperatura de antena (T&nt) más la temperatura equivalente del receptor (T*q.  r*cp.).La ecuación general de la temperatura de ruido total de n etapas en cascada (que en nuestro caso serán las distintas etapas del receptor) está dada por:165Toq. recep.= Tl+T2/Gl+T3/(Gi.G2)+....+Tn/(Gl...Gn-l) (2)de donde se desprende que las características de ruido y ganancia de las primeras etapas son de vital importancia para determinar el ruido del sistema.INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA FISICALa temperatura equivalente de ruido de un componente pasivo está directamente vinculada con la temperatura física del mismo. Para un atenuador, por ejemplo:Toq. ctt^n. = (L - 1) T (3)L = atenuación (expresada en veces) T = temperatura física del atenuador (K)En este caso particular, la temperatura equivalente de ruido es directamente proporcional a la temperatura física.En los elementos activos sucede un fenómeno similar. Trabajos realizados sobre el tema, han demostrado que el comportamiento de los transistores de silicio a bajas temperaturas no es bueno, pues su ganancia decrece notablemente. En cambio, los transistores de efecto de campo (FET), además de mejorar sus características de ruido, aumentan su ganancia.Cuando la impedancia es compleja, la temperatura de ruido de un FET está dada por:2 f T [ T fí- 2 2Toq.FET= _______ kg Gm m + ______  [(R - Rop) + (X - Xop) ]ft R (4)Gn = conductancia de ruidoR = resistencia del circuito adaptadorRop = resistencia óptima de ruidoX = reactancia del circuito adaptador Xop = reactancia óptima de ruido ft = frecuencia de transición f = frecuencia de operación (Ghz)T = 290K independiente de la temperatura ambiente kg = representa la corriente de ruido en la compuerta proporcional a la temperatura ambiente (sin unidad)Gm = transconductancia (prácticamente invariable con la temperatura, registrando un leve aumento al disminuir ésta -mho-)166m = resistencia de ruido, proporcional a la temperatura ambiente (ohm)Puede entonces apreciarse la influencia de la temperatura ambiente en el término que está, afectado por la raíz cuadrada, para la determinación de Icq.FET y también observar que debido a la variación del término Gm con la temperatura, debe aumentar la ganancia del elemento.Una forma de evaluar la mejora es comparando la relación seHal/ruido del receptor (C/H) con etapas a temperatura ambiente y etapas enfriadas.Se define el Factor de Mejora M como:M - (C/N) Tenf / (C/N) Tctmb = NTctmb / NT^nf (5)= K lei-Ht Tctmb B / K Tstst enf BLuego: M = Tnist Tctmb / Isist *nf  (6)Resutando el factor de mejora M (de la relación sefSal/ruido) como la relación de la temperatura de sistema en ambos casos. El siguiente es un cálculo que ejemplifica, con cierta aproximación, los objetivos propuestos en este proyecto. Se dispone de una antena cuya Tctnt = 25K y la temperatura del receptor asociado (con amplificadores FET) a temperatura ambiente es T*q.  rec*p.  = 55K, mientras que con amplificadores FET enfriados a 15K es de unos 25K. Aplicando la ecuación (6) tendremos:M = (25K + 55K) / (25K + 25K) = 1,6 veces o 2 dBSiendo ese valor, el aumento de la relación seKal/ruido del sistema que deseábamos mejorar.AMPLIFICADOR ENFRIADO A 15 KPara lograr temperaturas criogénicas se utilizó un equipo refrigerador CTI modelo 22C.El sistema consta de una unidad compresora y un cabezal enfriador. La unidad compresora tiene por objetivo producir la circulación del gas refrigernate, que en este caso es helio. El cabezal enfriador es la fuente de temperatura criogénica propiamente dicha. Posee la particularidad de operar en cualquier posición sin detrimento en su desempeño. Esta característica es indispensable en la presente aplicación, puesto que el amplificador a enfriar es colocado en el foco de 167un reflector parabólico que posee movimientos en torno a dos ejes.La columna cilindrica del cabezal enfriador tiene dos etapas de enfriamiento: la superior de 77K y 5W de capacidad de disipación, y la inferior de 15K y 1W de disipación (Fig. 1).Chos<s det LNAE(dpa de 77*KEtapa de 15'KCUFigura 1 Esquema general del crióstatoComo puede apreciarse en la figura, las etapas del cabezal enfriador (también llamadas estaciones frías) se hallan ubicadas dentro de un recipiente cilindrico de acero inoxidable (Termo exterior), dentro del cual se practica vacío (que llega hasta 10 Tor). En su interior se encuentra un termo de cobre, rodeando la etapa de 15K, adosado térmicamente a la estación de 77K. Este montaje lo hace funcionar como pantalla contra la radiación térmica, que se produce entre la cara que está a temperatura ambiente y la zona de más baja temperatura.El amplificador está montado sobre una placa térmicamente conductora (cobre), adosada a la estación de menor temperatura. El objetivo de esta disposición es lograr la temperatura más baja posible en la zona de 15K y por consiguiente en el amplificador. Es por eso que deban disminuirse las pérdidas térmicas en la mayor medida posible, para aprovechar así toda la capacidad disipativa de la cabeza, en enfriar el amplificador. De esta manera, las pérdidas por convección, se disminuyeron con168un buen vacío a la etapa de pérdidas por los cables de alimen tación, térmicas". Las de radiación77K, conducción,entrada y salida de señal asíse disminuyeron mediante la solidarias a las etapas de 77Kyrodeando la etapa de 15Kmediante una pantalla conectada las por demasasPor último, que son producidas principalmente loscomo por creación de y de 1 5K.Figura 2 Diagrama completo de instalación del amplificadorRECEPTOR POLARIMETRO CRIOGENICO 18/21 cmEl receptor que se describe a continuación, constituye otro ejemplo de sistemas criogénicos.Fue construido en el tlax-Planck-Institut für Radioastronomie de Bonn, Alemania Federal, como parte de un convenio de cooperación científica entre ambos países, para ser instalado en el Instituto Argentino de Radioastronomía. En las tareas participaron profesionales de ambas instituciones.Por tratarse de un polarímetro, cuenta con dos canales simétricos para procesar cada una de las polarizaciones recibidas (PCI = polarización circular izquierda, PCD = ídem derecha), tal como lo muestra el diagrama de bloques de la figura 3.169RECEPTOR POLARIMETRO CRIOGENICO19/11 cm (1.1-1.9 CtH)Fig. 3 Diagrama de bloques del receptor de 18/21 cmcomenzando por el constitutído poréste se encuentralado izquierdo una bocinadel diagrama, ci11 nd ri cala guía de través lasonda que de ésta seFíaleslo se deque LaPuede observarse, el alimentador, corrugada.A continuación deconecta al separador de polarizaciones. A inyectan, mediante una sonda especial, calibración originadas en la etapa correspondiente.A la guía de onda le sigue el separador de polarizaciones, está alojado en el recipiente criostático (Dewar),continuidad electromagnética entre ambas etapas se consigue mediante una ventana de vacio. Ella está construida con un material que resulta transparente para la sefSal entrante, siendo a la vez mecánicamente capaz de soportar, la diferencia de presión establecida entre el interior y exterior del dewar.El separador de polarizaciones está formado por la combinación de un Transductor Ortomodo y un acoplador híbrido de 3 dB.Los amplificadores de bajo ruido (LNA) emplean transistores HEMT (High-Electron-flobility Transistor), alcanzando ruido equivalente, tan bajas como 3K en 1425 asociada mayor a 32 dB, tal como lo muestra el figura 4. Se tiene allí una representacióntemperaturas de MHz y ganancia gráfico de la de TemperaturaEquivalente de Ruido versus Frecuencia, en forma paramétrica con la temperatura ambiente, siendo éste una buena muestra del 170efecto térmico en el comportamiento de los amplificadores. Aplicando la definición de Factor de Mejora (ec. 6), se verifica que a 1425 MHz resulta M = 12 veces.Vale recordar que tanto los LNA como el separador de polarizaciones se encuentran dentro del dewar y por ende a temperatura ambiente que, en la posición de los LHA, alcanza los 21K. Esta es una de las diferencias con el ejemplo presentado antes, en el que solo se enfriaba el LHA.EREQUENCY (MHt)Figura 4 Temperatura Efectiva de Ruido del LNA (canal A)La etapa siguiente a los LNA está constituida por amplificadores de respuesta plana que se ubican a la entrada del banco de filtros. El banco permite seleccionar en forma remota, el filtro pasabanda adecuado a la porción de espectro que se desea observar (filtro para observaciones de Hl, OH y de banda ancha). De la señal presente a la entrada del banco de filtros, se toma una muestra mediante un acoplador direccional. Dicha señal, luego de detectarse, es convertida en frecuencia y enviada a la sala de control para observaciones de Potencia Total.La etapa conversora está formada por un mezclador doble balanceado, amplificadores de frecuencia intermedia (150 MHz), filtros pasabanda y amplificadores de salida.La señal de oscilador local es aplicada al mezclador a través de llaves coaxiales que permiten seleccionar la señal proveniente del oscilador local patrón (ULO) ó del oscilador local auxiliar 171ubicado en el mismo receptor. Esta configuración tiene por finalidad facilitar las tareas de mantenimiento del equipo.Las señales de calibración (que se inyectan en la guía de onda) son generadas a partir de diodos de ruido, para el caso de la calibración propiamente dicha, y es posible seleccionar su nivel. En la misma etapa se genera una señal de barrido, cuya finalidad es la verificación general del funcionamiento del receptor.Una vista en corte del sistema puede verse en la figura 5. Allí se aprecia la ubicación de componentes en el dewar: ventana de vacío, OMT, híbrido y LNA, así como la cabeza enfriadora. Los restantes componentes electrónicos han sido montados en tres placas metálicas, que son instaladas alrededor del dewar; por razones de claridad no aparecen en la vista.El alimentador y la guía de onda se encuentran en la parte superior del mismo. La sonda de inyección de señales de calibración, se ubica en la cara posterior a la vista mostrada. Tanto el dewar como la guía de onda y el alimentador, fueron construidos en aleación de aluminio.Figura 5 Vista en corte del receptor de 18/21 cm 172

Receptores criogénicos para radioastronomía

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/146515/Documento_completo.pdf?sequence=1

Receptores criogénicos para radioastronomía

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Servicio de Difusión de la Creación Intelectual