Receptor de polarización a 31 GHz para radioastronomía

This document describes the scheme and prototype test results of a broadband radioastronomy receiver aimed to obtain polarisation data of Cosmic Microwave Background (CMB) radiation from the sky. Nominal receiver bandwidth is 26 to 36 GHz. The radiometer will work as a polarimeter to obtain the polarisation Stokes parameters (Q, U and I) of the incoming electromagnetic signal to the feed-horns. Prototype tests have demonstrated the receiver concept based on electronic phase switching in two balanced branches. The correlation between signals is performed directly at 31 GHz by a broadband 3 dB/180o hybrid coupler. I. INTRODUCCION El analisis de la polarizacion de la senal del Fondo Cosmico de Microondas (CMB) es una herramienta muy valiosa para mejorar el conocimiento de las leyes fisicas del universo. El experimento QUIJOTE [1] es un proyecto coordinado para el diseno, la fabricacion y puesta en funcionamiento de varios instrumentos a instalar en radiotelescopios del Observatorio de El Teide en la isla de Tenerife. La polarizacion de la senal del CMB es baja y se requieren receptores muy sensibles para captar la senal con la calidad suficiente para obtener datos fiables. Los receptores del segundo instrumento de QUIJOTE, que operan en la banda Ka, en el margen de 26 a 36 GHz, son radiometros de muy bajo ruido, y permiten obtener los valores de los parametros de Stokes (Q, U, I) que definen la polarizacion de una onda electromagnetica. El esquema del receptor se basa en la conmutacion de fase (de 90o y de 180o) en cada una de las dos ramas equilibradas del sistema. Para probar el concepto se ha disenado y medido un prototipo demostrador, como paso previo a la fabricacion de todos los receptores del instrumento, cuyo numero sera del orden de 30. La correcta obtencion de los parametros de Stokes requiere un buen equilibrio en la respuesta de amplitud y fase de cada rama, siendo esta propiedad un punto critico del receptor. En la medida del prototipo se ha demostrado que con un componente de ajuste de fase es posible optimizar el funcionamiento de todo el receptor, consiguiendo buenos aislamientos entre la magnitud del parametro I y los parametros Q y U. II. ESQUEMA DEL RECEPTOR El radiometro consta de un Modulo Frontal (Front End Module FEM) enfriado a 20 K, que incluye la antena de bocina (feedhorn), el polarizador y los amplificadores de bajo ruido criogenicos (LNA). El esquema se muestra en la Fig. 1. El polarizador esta compuesto a su vez por un desfasador diferencial de 90o en guia de onda cuadrada, seguido de un transductor ortomodo (Ortho Mode Transducer OMT). A su salida se obtienen las componentes de polarizacion circular a izquierdas (L) y a derechas (R) de la onda que se ha recibido en la antena de bocina. Fig. 1. Esquema del receptor de polarizacion A la salida del Modulo Frontal le sigue el Modulo Posterior (Back End Module BEM) que realiza la funcion de correlacion y deteccion. Su operacion es a temperatura ambiente (298 K). Las senales de cada rama se amplifican (LNA) y se fija la banda de 26 a 36 GHz con filtros paso banda. El siguiente bloque de conmutadores de fase (Phase Switches) contiene desfasadores conmutables de 0o/90o y 0o/180o, de forma que en cada rama se dispone de cuatro posibles estados de fase (0o, 90o, 180o y 270o). El ultimo bloque, Modulo de Deteccion, realiza varias funciones: la correlacion entre las senales mediante el uso de dos acopladores hibridos de 180o, la deteccion con diodos de barrera Schottky y la amplificacion en baja frecuencia (DC) con amplificadores operacionales de bajo ruido. Las cuatro salidas del radiometro son basicamente senales de corriente continua si los conmutadores de fase estan en un estado fijo, y son senales de baja frecuencia, del orden de las decenas de kHz, cuando se realiza la conmutacion con una senal de dicha frecuencia. La conmutacion permite obtener las diferentes combinaciones de los parametros de Stokes y a la vez permite cancelar el efecto del ruido de espectro 1/f mediante el procesado posterior de las senales almacenadas. El modulo de conversion analogico-digital y de procesado de las senales que sigue al BEM no esta incluido en el esquema de la Fig. 1. III. PRINCIPIO DE OPERACION. PARAMETROS DE STOKES. Todos los receptores estaran situados en el plano focal del radiotelescopio. El alimentador de cada receptor es una bocina corrugada, seguida de un polarizador y un transductor ortomodo [2], de forma que las dos senales a la salida del FEM son proporcionales a las componentes de polarizacion circular a izquierdas (L) y a derechas (R) de la onda incidente en la bocina. El principio de operacion se puede entender utilizando el esquema simplificado del receptor de la Fig. 2, en el que no se incluyen los amplificadores ni los detectores. Fig. 2. Esquema simplificado del receptor La medida de la polarizacion que se usa habitualmente en astronomia es el conjunto de cuatro parametros de Stokes [3]. Estos parametros estan relacionados con las amplitudes de las dos componentes ortogonales de campo electrico, normales a la direccion de propagacion. Si se usan coordenadas circulares (l, r), los cuatro parametros son los definidos en (1). El parametro I es una medida de la intensidad total de la onda, es decir de su potencia, los parametros Q y U miden la polarizacion lineal, y V mide la polarizacion circular. Los parametros de Stokes presentan la ventaja de que experimentalmente se pueden obtener mediante suma o diferencia de potencias medibles en un receptor. Una forma posible, la utilizada en este receptor, es midiendo las combinaciones de senales a la salida de un polarizador de ondas circulares a izquierdas y a derechas. Los valores en (1) son promedios temporales.