receivers for radio astronomy
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2019년 전파천문 여름학교
Receivers for Radio Astronomy
한국천문연구원
한석태
2019년 8월 27일
CONTENTS
I. How to obtain observing data from stars
II. History of receiver development in Korea
Radio Telescope
Receiver
Digital Signal Processing Computer
Astronomers
Orion
Radio Telescope system
Radio Telescope
Orion
Radio Telescope system
1. From Star to Radio Telescope
그대(H)와 나(E)한석태
그대가(H)가 있어 내가(E) 있음을앙페르가 알려 주었고
내가(E)가 있어 그대가(H) 있음을파라데이가 알려 주었지.
그대가 나이고내가 그대라는공동운명체임을
멕스웰이 알려 주었지
우리(E,H)는홀로서는 절대로 존재할 수 없는
언제나 함께 하는 운명항상 수직으로 서로를 의지하며
너와 나는 욕심 없이모든 것을 똑같이 나누어 가진다.
우리는포인팅 벡터라는 에너지로
377옴이라는 고유 임피던스의 길을빛의 속도로
저 광활한 우주공간을누빈다.
6
= × [w/] = = 3 × 10[m/sec]
= = 120 = 377[�]
, = cos( − )
, = cos( − )Vertical/Horizontal polarization
(Ampere : 1826)
. = .
(Faraday : 1831)
. = − Φ
t¶¶
-=´ÑBE
t ¶¶
+=´ÑDJH
(Maxwell: 1873)
Radio Telescope
Quasi-optical circuit
Orion
Radio Telescope system
2. From Antenna to Receiver
cassW
Cassegrainfocus
Dichroic filter
Quasi-optical circuit• Maximum power(beam) deliver to feed horn from antenna• Frequency Independent for wide band observations
221)( ÷÷ø
öççè
æ+=
lp ow
zzzR
5.02
2 ]1[)( ÷÷ø
öççè
æ+=
oo w
zwzwpl
÷÷ø
öççè
æ= -
21tan
oo w
zplf
of
úû
ùêë
é-+-÷÷
ø
öççè
æ÷÷ø
öççè
æ= - jkzj
zRrj
zwr
zwwzrE o
0
22
)(exp
)(exp
)(),( f
lp
Gaussian
Quasi-optical circuit design based on Gaussian beam propagation
5.022 )( yxr +=where,
l Beam radius
l Radius of curvature
l Beam growth angle
)( zwr = dB686.8=
- Focal length of component and horn slant length
- Size of components, edge taper of antenna
- Antenna illumination edge taper, and horn pattern
Beam waist Beam radius :8.686 dB
11
111fLLi
=+
11 LL
ww ii =
úû
ùêë
é++= )1(111
111 i
ii
rL
LL
Lr
Example : Quasi-optical circuit for CTR(Compact Triple Band Receiver)
Frequency Independent Image
Dielectric Lens
Ellipsoidal Mirror Feed horn
Radio Telescope
Receiver
Orion
Receiver
Heterodyne Receiver
LO : Local Oscillator
RF : Radio Frequency
IF : Intermediate Frequency
Ø The most receiver is the heterodyne receiver
RF LO
IF
30dB
� = [dB]
1. Low noise amplifier
Noise figure : dB or K
LO : Local Oscillator
RF : Radio Frequency
IF : Intermediate Frequency
If we apply 100 dB(i.e., )amplifications to this signal ,We obtain 4.2 only !!!!., but can make wide band width such 1 GHz or more.
= 12 = 18 = 18 × 0.6 × 3.145 × 30 × 1 × 10 × 200 × 10 = 4.2 × 10Effective flux density() : 1 Jy30 m diameter antenna Aperture efficiency : 60 %Frequency bandwidth(receiving bandwidth) : 200 MHz
Why low noise amplifier are needed for receivers
30dB30dB40dB RF
1. Low noise amplifier
2. mixer
LO LO
IF RF
RF
IF
∶ = [dB]
Nonlinear I/V curve = ∆∆ =
Heterodyne Receiver = cos =cos
= { cos � + cos + } = ( / )= { cos � + cos + }
USB(Upper side band)
LSB(Low side band)
() ()
() ()//
USB(Upper side band)
LSB(Low side band)
2. Mixer (Frequency down convertor)
Ø Double Side Band(DSB) : LSB + USBØ Single Side Band(SSB) : LSB or USB
100 GHz 4GHz96 GHz
96 GHz 100GHz92GHz
4GHz4GHz
[Courtesy : Dr. Sasao]
92 GHz
RF
LO
IF
=cos
대덕전파천문대Taeduk Radio Astronomy Observatory
TRAO 14m Radio Telescope14m 전파망원경
한국전파천문학의 태동 (1986 . 3. )
우리나라 우주전파 수신기 개발 역사
curved mirror M3
curved mirror M2
telescope beam
quasi-optical sideband rejection filter
signal lens
lens for image termination
flat mirror
SRAO(SNU) 6m telescope
• RF frequency: 85-115 GHz• DSB noise: 50 K• 2002-2006
SIS mixer block
SRAO 100 GHz Receiver(2000) 이정원 박사
100 GHz path
telescope beam
230 GHz path
4 K stage
20 K stage
80 K stage 1.4 GHz HEMT amplifier
• RF frequency: 210-265 GHz• Avg. SSB noise: 80 K• waveguide sideband rejection• Dual polarization by wire grid • Facility receiver: 2008-
SRAO 230 GHzReceiver(2008) 이정원 박사
KVN Yonsei Radio Observatory
KVN Receiver(2003~ 2011)
4 channel receivers for simultaneous observations (2003 ~ 2011)
K-band : 18~26GHzObserving bandwidths
Q-band : 35~50GHzW-band : 85~116GHz
IF bandwidthsGiven next page
Receiver noise temperature
Compact Triple band Receiver(2015~2018)
PolarizationRHCP LHCP
8~16GHz
W-band horn
K-band horn
Q-band horn
HPF
LPF Mirror
Mirror
380 mm
600 mm x 600 mm
Beams from antenna
Operation ModeSSB
Effelsberg 100m radio telecope, Germany
Compact Triple-band Receiver(CTR)의 국제 전파천문대 관심Germany
USA (NRAO, VLBA)
2018년 10월 European VLBI workshop 발표 자료 VLBA : 미국 우주전파 관측망
Italy
Metsahovi Radio Telescope, Finland
Millimetron 10 m space telescope, Russia
EHTTaiwan (GLT : Green land telescope)
국가 별 추진 상황 구분
Italy 3 셋트 구매 추진, 2019년 3월 최종 선정 완료 및 계약 추진
구매 요청
Finland 2018년 10월 방문 시스템 사양 협의1 set 2020년 하반기 구매 추진 예정
구매 요청
Germany 현재 안테나 사양 검토 중이며, 가능성이 있으면 도입협의
도입 검토
USA 도입 협의하고자 2019년 9월VLBA 시스템 총괄책임자 방문예정
도입 검토
Taiwan 100/230/345GHz 수신시스템 도입협의2019년 1월 20일 ~ 23일 방문 및 사양 검토
도입 검토
Australia 2018년 11월 Mopra 전파망원경 방문 도입 검토
Sweden 2019년 1월 화상통화, 도입 협의 도입 검토
Russia 2028년 우주망원경 수신기 도입 검토 도입 검토
Japan 2016년 K-/Q-band 초소형 수신기 설치KVN과 연결 연구 수행
관측 운영 중
Spain 2015년K-/Q-band 초소형 수신기 설치연구수행, 금년 W-band 설치 예정
관측 운영 중
Compact Triple-band Receiver(CTR)의 국제 수탁 과제 수주 및 추진 현황 요약
Radio Telescope
Receiver
Digital Signal Processing Computer
Astronomers
Orion
A various research fields
맺음말Ø Pride
- Many radio telescope such TRAO, KVN, ALMA, JCMT- Leading for Science and Technology
Be ambitious !
Hertz30
여러분 중에서 한사람Ampere MaxwellFaraday
31
Not only I am very much proud of my colleagues and their achievements,But also I would like to really appreciate for their perspiration and passion for KVN
Thanks for your attention