NANTEN2 マルチビーム受信機 開発の現状 - 酒井研究室(UEC)...速度分解能 :...
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NANTEN2 マルチビーム受信機開発の現状
2016/03/08
名古屋大学 (理) 大浜 晶生
第16回 ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ@電通大
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マルチビーム受信機の仕様
l マルチビーム受信機の仕様 ビーム数 :115GHz 4ビーム、230GHz 1ビーム ミラー :常温と冷却ミラー
115GHz :RFフィルターを用いた両偏波SSB 230GHz :RFフィルターを用いた片偏波2SB、 (可能であれば、両偏波2SB) システム雑音温度 : 200K(115GHzと230GHzともに)(SSB換算) 分光計 : XFFTS(SMARTのもの併用) 速度分解能 : 0.238 km/s(115GHz)、0.128 km/s(230GHz) 周波数帯域 : 2 GHz 輝線輝線 : 12CO、13CO、C18O(J=2-1, 1-0)
2
デュワ内
M5
主鏡 副鏡
M3
M4
コルゲートホーン
円偏波分離機
SSBF
ミクサブロック
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標高4800mという特殊な環境
3
開発目標 ・ リモートで受信機をチューニングできるシステムにすること ・ 高地で極力調整しない機構にすること ・ コンパクトな機器の選定による省スペース化 ・ ミラーやホルダー、デュワの軽量化
我々は、アタカマ高地での10年以上の運用から様々な苦労を経験 ・ 計算能力や記憶力の低下 ・ 筋力や視力の低下 ・ 限られたサイト滞在時間と作業者 ・ 自家発電による電力の不安定さ
多少、受信機の性能を落としてでも ・調整機構の少ない ・リモートでチューニングできる 受信機を開発することを目標にした
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4
115GHz帯マルチビーム受信機の1カートリッジの開発 1. 円偏波分離機の設計と評価 2. SSBフィルターの評価 3. SIS素子評価
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試作機の配置設計 5
試作機の3D CAD図
受信器とIF系のユニット化 → 取り付け、取り外しが容易に
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115GHz帯 導波管型円偏波分離器
円偏波分離器の原理 導波管中央にある階段状の障壁(セプタム構造)で 垂直偏波の伝送方向を変更し、位相を遅らせる
6
水平偏波
垂直偏波
※位相が90度遅れる
input
L-port R-port
input
L-port R-port
右旋円偏波
左旋円偏波
各円偏波を出力ポートで分離できる
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円偏波分離器 の開発 7
l Ansoft社の3次元電磁解析シミュレータ「HFSS」を使用 l 各パラメータを振り、要求精度に対して最適なモデルを作成
セプタム部
上図: 円偏波分離器の解析モデル
input
L-port R-port
交差偏波分離度 本来分離されるポートとは反対側へ出力される電力の割合
挿入利得 入力信号の電力と出力信号の電力の比
反射損失 入力ポートから出てきてしまう電力の割合
• 周波数帯域: 108 - 117 GHz • 挿入利得: - 0.5 dB 以上 • 反射損失: -20 dB 以下 • 交差偏波分離度: -20 dB 以下
要求精度
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8 モデルの解析
パラメータの数: 16 すべてのパターンを解析することは不可能
i. 最も性能に敏感な箇所を探る
ii. 敏感なパラメータを順に最適化を行う
1. 一つの特性について(例:交差偏波分離度)
2. 残りの特性についても1のように最適化
3. 仕様を満たさない場合、1に戻り再解析を行う
sl4
交差
偏波
分離
度 [d
B]
sl1
交差
偏波
分離
度 [d
B]
sl1
sl4
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-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
100 104 108 112 116 120 周波数 [GHz]
測定結果
挿入
利得
[dB
] 交
差偏
波分
離度
・反
射損
失[d
B]
-50
-40
-30
-20
-10
0
104 108 112 116 周波数 [GHz]
測定結果(V) 測定結果(H) 測定結果(CPTL)
9 ミリ波アナライザ評価(常温測定)
交差偏波分離度・反射損失 要求精度 (< -20 dB)
を満たす
常温において円偏波分離器の仕様を満たす
反射損失(垂直偏波) 交差偏波分離度
反射損失(水平偏波)
20mm四方
-10
-20
-30
-40
-50
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SSBフィルターの設計 (府大長谷川方式)
10
出力
1. SSBフィルタの原理 90度ハイブリットカプラと ハイパスフィルタHPFを組み合わせ、 特定の周波数のみを通過させる。 2. 12CO(J =1-0)、13CO、C18O輝線 NASCO計画では、CO輝線を観測する ことに特化しており、周波数106GHzから 116GHzまで使用できるように設計した。 3. VNAを用いたSSBFの評価 挿入損失: -0.5dB以上 反射損失: -20dB以下
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SSBフィルターの評価 (府大長谷川方式)
11
挿入損失 入力ポート反射損失 LOポート反射損失 LOカップリング率 アイソレーション
1. SSBフィルタの原理 90度ハイブリットカプラと ハイパスフィルタHPFを組み合わせ、 特定の周波数のみを通過させる。 2. 12CO(J =1-0)、13CO、C18O輝線 NASCO計画では、CO輝線を観測する ことに特化しており、周波数106GHzから 116GHzまで使用できるように設計し た。 3. VNAを用いたSSBFの評価 挿入損失: -0.5dB以上 反射損失: -20dB以下
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試作機の冷却試験
実験室での試作機搭載の様子 試験機の雑音温度測定結果
60
70
80
90
100
110
120
104 105 106
受信
機雑
音温
度 [K
]
局部発信器周波数 [GHz]
[160115] 実験室 pol#1L+ssbf#1+mix#1 -2
円偏波分離器評価 - 左port 円偏波分離器評価 - 右port
測定結果を再現(80 - 90 K) 試作機の冷却試験に成功した
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13
115GHz帯マルチビーム受信機の光学系設計 1. GRASPによるモデル解析 2. ミラー設計
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14
天球免状におけるビームパターン
M5
主鏡 副鏡
M3
M4
マルチビーム受信機の光学系
1. コンセプト 光軸に230GHzのビームを置き、 その周辺に4つの115GHzのビームを配置した 2. 冷却ミラーの採用 各ビーム間の距離を狭くするため、 冷却ミラーを用いた。 3. 各ボームの開口能率 230GHz : 0.72 115GHz : 0.69 ビームパターンは右の図の通り
4. デュワを回したときのビーム指向特性 デュワを90度回したとき、各ビームは円周 上にほぼのっており、開口能率は 0.69から0.65まで下がる程度である
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15
天球面上におけるビームパターン
M5
主鏡 副鏡
M3
M4
マルチビーム受信機の光学系 評価
1. コンセプト 光軸に230GHzのビームを置き、 その周辺に4つの115GHzのビームを配置した
2. 冷却ミラーの採用 各ビーム間の距離を狭くするため、 冷却ミラーを用いた。
3. 各ボームの開口能率 230GHz : 0.72 115GHz : 0.69 ビームパターンは右の図の通り
4. デュワを回したときのビーム指向特性 デュワを90度回したとき、各ビームは円周 上にほぼのっており、開口能率は 0.69から0.65まで下がる程度である
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冷却ミラーの設計と 各コンポーネントの配置
16
デュワ
M6
1. 冷却ミラーの利点 鏡面からビームが漏れても、システム雑音温度の 上昇が抑えられ、ミラーを小型化することができるため、 ミラーを4Kに冷やす 2. 冷却ミラーの設計 M7を楕円鏡にすることで電波窓を小さくする。 これは、熱流入をおさえるためである。また、 デュワ内の調整を容易にするため、M8を平面鏡にした 3. 各コンポーネントの配置 ホーンのアライメントを容易にするため、ノックピンとネジで 冷却ミラーとホーンを固定する構造にする。 ホーンからHEMTまで一体化のユニットにする。 230GHzのコンポーネントが光軸の中心に置き、 冷却ミラーとホーン等の2段ステージにする
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今後のマルチビーム受信機開発
17
光学系 ・ミラー設計と製作(加藤、稲葉) ・冷却ミラーの設計
受信機 ・デュワの設計と製作(名大技術職員) ・ホーンからHEMTまでのユニット化 ・リモート制御(漆原) ※ HEMTバイアスボックスの製作 ※ SISバイアスボックスの製作 ※ LO ATTの制御 ・SIS素子の評価(栗田、新四年生)
IF系 ・IF系の製作(横山、栗田、新四年生)
分光計 ・分光計XFFTSの制御(漆原、NRO西村)
2016/04~ 2017/09~
チリの現地作業 ・ NANTEN2に受信機を搭載 ・ ビームのアライメント ・ ビームの位置出し ・ 高地での冷却と真空引きのテスト ・ SIS素子のリモートチューニング ・ IF系の搭載 ・ XFFTSの制御 ・ 各値のモニター ・ ファーストライト
~2018/03
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まとめ
18
・115GHz帯マルチビーム受信機の1カートリッジの開発 Ø 円偏波分離機の設計と評価 Ø SSBフィルターの評価 Ø SIS素子評価
・115GHz帯マルチビーム受信機の光学系設計 Ø GRASPによるモデル解析 Ø 各ミラーの設計 Ø 望遠鏡の仰角Elに対する光学系の評価 Ø デュワを回したときのビーム指向特性 Ø デュワ内の配置
・今後のマルチビーム受信機の開発 Ø デュワの設計 Ø ミラーの製作 Ø ホーンからHEMTのユニット化 Ø 各機器のリモート制御化 Ø IF系の製作 Ø XFFTSの制御