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FGI

1. Introducción

El proyecto EPI (Exploring the Physics of Inflation), ref. CSD2010-00064 dentro del marco del programa CONSOLIDER-Ingenio 2010, tiene como principales objetivos de ingeniería el desarrollo de un nuevo instrumento a 41 GHz (banda 35 – 47 GHz), llamado FGI (Forty-Gigahertz Instrument), y construir un segundo telescopio de 3 metros que complemente las capacidades del proyecto QUIJOTE, el cual está en funcionamiento con el MFI (Multi-Frequency Instrument, de 10 – 14 GHz y de 16 – 20 GHz) y el TGI (Thirty-Gigahertz Instrument, 26 – 36 GHz).

El nuevo instrumento a 41 GHz, el cual ocupa una franja segura por debajo de la banda de absorción del oxígeno a 60 GHz, incrementará significativamente la sensibilidad del proyecto QUIJOTE para detectar el parámetro r (relación tensor a escalar). La razón para esto no es sólo la significativa reducción del ruido debido al número de polarímetros que incorporará sino también al menor nivel de señal de sincrotrón de nuestra galaxia que se espera a estas frecuencias más altas.

Figura 1. Temperatura del cielo esperada en la localización del observatorio (Izaña, Tenerife, España) con las bandas de los diferentes instrumentos definidas mediante barras de colores.

El experimento QUIJOTE opera en el observatorio de Izaña, Tenerife, España (ver Fig. 2), con el primer telescopio y el MFI instalado hasta ahora. El segundo telescopio, diseñado dentro del proyecto EPI, está ya instalado en el observatorio a la espera de la finalización del TGI. Se espera que el FGI sea instalado en un telescopio cuando el instrumento esté completamente ensamblado antes del final del proyecto EPI. Para cuando ese momento llegue, el MFI habrá terminado su campaña de medidas y podrá ser intercambiado.

         

Figura 2. Instalaciones con los dos telescopios (izquierda) y el MFI operando en el observatorio de Izaña (derecho).

2. Funcionamiento

El objetivo científico principal del proyecto EPI es combinar datos de la misión espacial Planck de la ESA, los instrumentos del proyecto QUIJOTE y el nuevo instrumento a 41GHz (FGI) para estudiar la física del periodo inflacionario del universo. Se pone un especial énfasis en la detección del fondo de ondas gravitacionales primordiales (GWB) con el objetivo de reducir la incertidumbre en el parámetro r en un orden de magnitud aproximadamente.

Estos objetivos científicos demandan el diseño y operación de polarímetros muy sensibles (receptores capaces de medir el estado de polarización de la señal electromagnética incidente). Por tanto, se han diseñado esquemas de polarizador adecuados para el MFI, el TGI y finalmente el FGI. En el caso del FGI, el esquema del receptor (que se llamará píxel de aquí en adelante) se muestra en la Fig. 3.

 

Figura 3. Esquema del píxel del FGI.

El polarímetro obtiene la polarización de la señal a través de la medida de los llamados parámetros de Stokes, I, Q y U, simultáneamente. El parámetro V = 0 ya que se asume que la radiación de fondo de microondas está linealmente polarizada. La señal incidente polarizada linealmente pasa a través de la antena de bocina del píxel y alcanza el polarizador y el transductor ortomodo (OMT). En las salidas del OMT hay dos señales de tipo ruido blanco y ortogonales entre sí que son proporcionales a las componentes a derecha e izquierda de esa radiación incidente, Er y El respectivamente. Estas dos señales son amplificadas en los amplificadores de bajo ruido criogénicos del módulo frontal (FEM). Estos amplificadores son unos componentes clave del receptor que determinan su funcionamiento en ruido y, por tanto, definen la obtención de un instrumento muy sensible.

En el módulo posterior (BEM), el cual trabaja a temperatura ambiente, las señales se amplifican aún más y se filtran para definir el ancho de banda operativo. Un módulo conmutador de fase antes de la etapa de detección introduce varias diferencias de fase relativas entre las ramas del píxel las cuales ayudan a minimizar los errores sistemáticos del receptor. Finalmente, las señales llegan al módulo del detección donde son correladas en dos acopladores híbridos y detectadas en detectores basados en diodo Schottky, antes de ser amplificadas con los amplificadores de vídeo y acomodadas a los niveles de señales adecuados para el sistema de adquisición de datos (DAS).

De acuerdo con el esquema de la Fig. 3, y asumiendo que la fase relativa entre las ramas del píxel es cero, entonces

Estas señales, las cuales se pueden obtener de manera fácil con simples cálculos matemáticos en el DAS, son proporcionales a los parámetros de Stokes, definidos en un sistema de referencia circular como

Por tanto, está claro que

Cuando los conmutadores de fase cambian sus estados en el módulo aparecen dieciséis estados diferentes, cuatro diferencias de fase relativas repetidas cuatro veces. Estos cambios producen que los parámetros de Stokes sean obtenidos de la combinación de diferentes salidas a través del ciclo completo de los dieciséis estados añadiendo redundancia y, por tanto, haciendo al píxel menos sensible a los errores sistemáticos.

3. Número de Píxeles

Como se ha indicado anteriormente, la consecución de los objetivos científicos requiere del uso de receptores muy sensibles. Para mejorar la sensibilidad del instrumento aún más, se necesita aumentar el número de píxeles, ya que este número, N, y la sensibilidad del instrumento están íntimamente relacionados como se muestra en (11), la ecuación del radiómetro.

              

Donde K es una constante de proporcionalidad que depende de la configuración del receptor, Tsys es la temperatura de ruido del sistema, B es el ancho de banda del píxel, y t es el tiempo de integración, el cual es el tiempo durante el cual el receptor está tomando medidas.

De (11) se desprende que cuanto mayor es el número mayor de píxeles menor es la diferencia de temperatura que puede ser medida, es decir, mayor es la sensibilidad. Siguiendo esto, el FGI se equipa con 29 píxeles, que es el número máximo de píxeles que pueden ser instalados en el interior del criostato manteniendo la compatibilidad entre los proyectos QUIJOTE y EPI. Esta compatibilidad es aconsejable para reducir el coste de diseño y fabricación del proyecto.

 

4. Subsistemas del Píxel

4.1. Componentes en guía de onda antes del módulo frontal

4.1.1. Antena de bocina

El primer componente del píxel, de acuerdo a la Fig. 3, es la antena de bocina. Se trata de una antena corrugada diseñada para tener más de 20 dBi de ganancia, una polarización cruzada muy pequeña, menos de -25 dB de pérdidas de retorno en el puerto de entrada y un perfil Gaussiano con bajos lóbulos laterales.

 

Figura 4. Vista artística de la sección transversal de la antena de bocina de EPI con las dimensiones principales.

 

Figura 5. Datos medidos de una antena típica del FGI: funcionamiento vs. Frecuencia (a); patrón de radiación a 41 GHz (b).

4.1.2. Polarizador

La señal de entrada a la antena de bocina pasa a través del polarizador, el cual es una sección de guía cuadrada provista de aletas convenientemente diseñadas en sus paredes internas de tal forma que las componentes ortogonales de la señal son desfasadas 90° a la salida del polarizador. Si el polarizador se instala con una rotación de 45° respecto al eje de referencia marcado por el OMT, entonces las componentes ortogonales de la señal de entrada en la salida de la antena de bocina se convierten en las componentes a derecha e izquierda en la salida del polarizador.

Figura 6. Vista artística de la sección transversal del polarizador de EPI con las dimensiones principales.

Figura 7. Características medidas de un polarizador fabricado: adaptaciones en el puerto siguiendo un eje ortogonal (a); y diferencia de fase a la salida entre las señales ortogonales (b).

 

4.1.3. Transductor Ortomod (OMT)

Un transductor ortomodo con salidas en fase separa las componentes circulares a izquierda y derecho de la señal de entrada proporcionando señales adecuadas al receptor para el cálculo de los parámetros de Stokes.

Figura 8. Vista artística de la configuración interna del OMT.

Figura 9. Funcionamiento medido de un OMT fabricado: adaptación en los puertos rectangulares y aislamiento entre estos puertos (a); pérdidas de inserción (b).

Los subsistemas anteriores se conectan utilizando transiciones compactas en guía de onda octogonales. La Fig. 10 muestra dos conjuntos de subsistemas totalmente ensamblados y 20 unidades de polarizadores y OMTs.

 

Figura 10. Dos conjuntos de antena de bocina, polarizador y OMT ensamblados (a) y 20 unidades de polarizadores y OMTs (b).

4.2. Amplificadores de Bajo Ruido Criogénicos (Cryo-LNA)

Un componente fundamental en el funcionamiento del instrument es el cryo-LNA. Tiene que proporcionar una ganancia muy alta para minimizar la contribución al ruido de las etapas posteriores mientras que su propio ruido debe ser lo más bajo posible. Por esta razón, estos amplificadores son enfriados a temperaturas criogénicas, alrededor de 20 K (-253 °C).

Los cryo-LNAs diseñados para el FGI se montan con dos LNAs monolíticos del IAF (Instituto Fraunhofer, Friburgo, Alemania) y un ecualizador microstrip entre ellos. Cada LNA monolítico es un diseño de cuatro etapas fabricado en tecnología metamórfica mHEMT con una longitud de puerta de 100 nm. Estos dispositivos se montan en un chasis de aluminio dorado con puertos de acceso en guía de onda WR-22.

 

    

(a)

(b)

Figura 11. Fotografías de algunos cryo-LNAs: 20 unidades montadas y listas para ser entregadas (a); vista detallada de la cavidad de RF (b).

Figura 12. Temperatura de ruido de 60 unidades de cryo-LNAs medidas bajo condiciones criogénicas.

 

4.3. Módulos de Ganancia y Filtraje

El primer subsistema en el BEM es un módulo que proporciona más amplificación y filtra la señal para definir el ancho de banda efectivo del píxel. El filtro se ha diseñado en tecnología microstrip sobre sustrato de Alúmina. La tecnología microstrip permite la definición de la banda de paso de forma no muy abrupta, lo cual ayuda a compensar las limitaciones de ancho de banda de otros subsistemas para mantener el ancho de banda efectivo requerido.

(a)

(b)

Figura 13. Fotografía del prototipo de filtro montado con transiciones de Jmicro (a); y características medidas (b).

 

Estos módulos de ganancia se completan con dos LNAs monolíticos comerciales de OMMIC y con un ecualizador que permite obtener una pendiente de ganancia positiva de forma que se compensan parte de las pérdidas dependientes con la frecuencia de todo el receptor. En la Fig. 14, se presenta una foto de tres unidades de estos módulos de ganancia, junto con las característica de ganancia medida de 60 unidades.

 

        

(a)

(b)

Figura 14. Fotografía de tres unidades de módulos de ganancia (a) y ganancia medida de 60 unidades (b).

4.4. Módulo Conmutador de Fase

Un número total de 30 unidades de módulos conmutadores de fase se han montado y medido para ser incluidos en los racks del BEM. Estos módulos incluyen dos ramas con circuitos que proporcionan cuatro estados de fase en cada una (0°, 90°, 180° y 270°). Los módulos proporcionan capacidad total de conmutación mediante circuitos TTL. La Fig. 15 presenta una fotografía de algunas unidades de este módulo y la diferencia de fase medida de una unidad.

 

 

Figura 15. Foto de 27 unidades de módulos de conmutación de fase (a); diferencia de fase típica medida de una unidad (b); foto del circuito desfasador de cuatro estados (c).

 

4.5. Módulo de Correlación y Detección

Este módulo proporciona los voltajes detectados (Vd1 a Vd4) correlando las señales de entrada, proporcionales a Er y El, y detectando esas señales mediante detectores a diodo Schottky. El módulo está completamente diseñado en tecnología de guía de onda excepto los detectores, los cuales están diseñados en tecnología microstrip sobre sustrato Alúmina.

El esquema eléctrico del módulo se muestra en la Fig. 3. Los acopladores híbridos de entrada separan las señales de entrada con la misma potencia y desfasadas 90°. Por tanto, la entrada sobrante de cada acoplador híbrido se carga con material absorbente (Eccosorb MF124) al cual se le ha dado forma de manera conveniente para funcionar como una carga en guía de onda. Dos acopladores híbridos adicionales realizan las operaciones de correlación, suma y resta, entre sus señales de entrada. Un desfasador de 90° en una de las ramas permite obtener las señales que se necesitan para calcular los parámetros de Stokes de acuerdo a la Sección 2.

Figura 16. Fotografía de un módulo de correlación y detección.

 

El módulo contiene cuatro detectores basados en el diodo Schottky HSCH-9161 de Agilent Technologies y diseñados en tecnología microstrip sobre sustrato de Alúmina. Estos detectores convierten las señales de microondas en voltejes de DC medibles. Han sido diseñados y fabricados utilizando líneas de transmisión microstrip junto con una capa resistiva de 50 Ohm/cuadro como solución para proporcionar una respuesta de sensibilidad plana a la vez que una buena adaptación en todo el ancho de banda del receptor. En la Fig. 17 se muestran una unidad del detector junto con la respuesta medida de sensibilidad desde 33 a 49 GHz.

 

Figura 17. Foto del prototipo de detector a diodo Schottky (a); y medida de la curva de sensibilidad con una potencia de entrada de -30 dBm (b).

 

Después de los detectores, las señales detectadas son amplificadas utilizando amplificadores de vídeo (no se muestran en la Fig. 16 porque van instalados en la parte posterior) en configuración diferencial. Cada amplificador de vídeo sigue el esquema eléctrico de la Fig. 18. Una resistencia variable (potenciómetro) dentro del circuito permite variar la ganancia del mismo, lo cual ayuda a acomodar el nivel de señal a los requerimientos del DAS.

Figura 18. Esquema eléctrico del amplificador de vídeo para cada salida.

Se ha llevado a cabo un barrido en frecuencia a los módulos de correlación y detección encontrando los resultados típicos mostrados en la Fig. 19, junto con una foto de 16 unidades de estos módulos. Para este test, las entradas eran dos señales de tipo ruido blanco polarizadas linealmente con la misma amplitud y desfasadas 90°; por tanto, la definición de los voltajes detectados tiene que ser intercambiada respecto a (1) – (10).

(a)

(b)

Figura 18. Voltajes detectados medidos en las salidas del módulo de correlación y detección (a); fotografía de 16 unidades ensambladas.

 

5. Balance de Potencia y Voltajes de Salida del Radiómetro

A continuación, los niveles de potencia de las señales y las contribuciones de los diferentes subsistemas son utilizados para calcular los voltajes esperados a la salida del píxel funcionando en un entorno real de forma que se pueda comprobar la configuración del receptor y su idoneidad para obtener los niveles adecuados que pueden ser utilizados para extraer los parámetros de Stokes; es decir, el balance de potencias. Estos cálculos se basan en señales de entrada realistas y las características medidas de los subsistemas.

La potencia de entrada al FEM se calcula como:

Donde k es la constante de Boltzmann (1.38·10-23 J/K), Tsys es la temperatura de ruido del sistema que incluye todas las contribuciones, y Beff es el ancho de banda efectivo, que se ha calculado con los datos disponibles hasta este momento, obteniendo un valor entorno a 12.6 GHz.

El cálculo de Tsys requiere considerar diferentes contribuciones: la temperatura del cielo, el ruido adicional captado por la antena de los lóbulos secundarios (spillover), el ruido de los componentes en guía de onda debido a sus pérdidas, la temperatura de ruido de los cryo-LNAs, y la contribución del BEM, la cual es minimizada en gran parte por la ganancia de los cryo-LNAs.

De acuerdo con la gráfica de la Fig. 1, la cual se ha obtenido con datos tomados en el observatorio de Izaña, la temperatura a la frecuencia central es alrededor de Tsky = 15 K. El spillover de la antena se ha estimado en 5 K; la contribución de todos los componentes en guía de onda enfriados a temperaturas criogénicas se ha calculado entorno a 5 K; los cryo-LNAs tienen una temperatura de ruido media de 23 K y una ganancia mayor de 45 dB, lo cual hace que la contribución de las siguientes etapas sea despreciable. Por tanto, Tsys está alrededor de 48 K.

La potencia de entrada obtenida es de Pin = -81 dBm. Esta potencia es amplificada por la ganancia del FEM y la del BEM, mientras que los cables coaxiales que conectan el FEM y el BEM y los módulos de conmutación introducen pérdidas notables resultando en un nivel de potencia alrededor de -20 dBm en las entradas del módulo de correlación y detección. Considerando las pérdidas de dicho módulo, la sensibilidad del detector (sobre 1100 mV/mW), y la ganancia de los amplificadores de vídeo, el voltaje esperado a la salida del módulo, listo para ser digitalizado en el DAS, es de unos 1.5 V (este voltaje corresponde a la salida de máximo nivel).

 

6. Integración de los Racks del Back-End

Una vez que todos los subsistemas del BEM han sido ensamblados, se conectan juntos formando una cadena receptora. Esta cadena se integra en un PCB dedicado que permite polarizar todos estos subsistemas y extraer los voltajes detectados. Para conectar estos módulos, secciones de guía de onda han sido adquiridas de un proveedor externo. Se han comprado un total de 122 tramos de guía WR-22. En la Fig. 19 se muestra una fotografía de todas estas secciones de guía junto con una foto de dos cadenas receptoras totalmente ensambladas en su correspondiente PCB.

 

  

Figura 19. Foto de 122 secciones de guía de onda WR-22 (a); foto de dos cadenas receptoras del BEM montadas en sus correspondientes PCBs (b).

La conexión entre el criostato y el BEM se lleva a cabo mediante cables coaxiales. Dado que las entradas del BEM se diseñaron en guía de onda (WR-22), se han necesitado adaptadores coaxial a WR22 durante el montaje. Debido  al alto coste de estos adaptadores comercialmente y el gran número de ellos requeridos (60 unidades) se decidió diseñarlos y montarlos en nuestras instalaciones. Los adaptadores se mecanizaron en el taller del IFCA y se montaron y midieron en los laboratorios del DICOM. La Fig. 20 muestra una fotografía de gran cantidad de estos adaptadores y una gráfica con la adaptación de entrada de todos ellos.

 

        

Figura 20. Foto de 40 unidades de adaptadores de coaxial a WR22 (a); adaptación de entrada medida de todas las unidades (b).

 

Debido al mayor grosor de los módulos del FGI comparados con los módulos del TGI, el número total de cadenas receptoras que se pueden instalar en cada rack de 19 pulgadas es de 10 (en vez de 16 del TGI). Por tanto, para el FGI, se han necesitado tres racks del BEM, los cuales ya han sido montados y enviados al IAC. Estos racks también incorporan el mismo sistema de control térmico que se solicitó para los del TGI. Por otro lado, los racks del FGI incluyen algunas mejoras respecto a las unidades del TGI; por ejemplo tienen puntos de control de corriente y conectores para las señales TTL individuales para cada píxel, evitando interferencias y problemas mecánicos. La Fig. 21 presenta algunas fotos de estos tres racks.

 

 

 

Figura 21. Foto del panel frontal del rack#3 (a); foto del panel trasero del rack#3 (b); foto de la configuración interna del rack#2 (c); vista de detalle de algunos sensores de temperatura y  esteras térmicas dentro del rack (d).

 

Antes de ser enviados al IAC, estos racks fueron medidos en los laboratorios del DICOM bajo condiciones representativas, es decir, las señales de entrada eran similares a aquellas que se esperan durante el normal funcionamiento excepto por los niveles de potencia, que son mucho más grandes que en las condiciones reales. En la Fig. 22, se muestra una foto de la configuración del banco de medida y una gráfica del funcionamiento típico bajo estas condiciones.

 

 

Figura 22. Foto del banco de medida del rack del BEM (a); gráfica de los voltajes detectados (b).

 

 

7. Sistema de Adquisición de Datos

 

8. Calibración del FGI