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Interferómetro

Prototipo de interferómetro a 30 GHz

1. Introducción

Si nos referimos a instrumentos terrestres para la observación del FCM, las bandas de frecuencias más habituales en el rango de microondas vienen determinadas por la opacidad de la atmósfera (Figura 1).

En concreto, para frecuencias mayores de 20 GHz la banda más apropiada, en la que la atmósfera es más transparente, está entorno a los 30 GHz. Esta es la razón por la que muchos instrumentos -entre ellos el TGI de QUIJOTE y el prototipo de interferómetro propuesto en este proyecto- se diseñan para funcionar en la banda de 26 a 36 GHz.

 

Figura 1: Opacidad de la atmósfera en el rango de frecuencia 1-275 GHz (extraido de "CRAF Handbook for Radio Astronomy", Editado por Jim Cohen, Titus Spoelstra, Roberto Ambrosini y Wim van Driel, Tercera Edición – 2005).

 

Aunque hasta el momento actual los instrumentos de imagen directa se han utilizado de forma habitual, debido en gran medida a su mayor simplicidad, los errores sistemáticos y el hecho de que requieran del uso de un telescopio hacen que se considere el uso de interferómetros como la solución de futuro para obtener medidas ultra-sensibles del FCM. La sensibilidad de estos instrumentos es proporcional al número de receptores ya que, suponiendo que todos los receptores sean iguales, se tendría un ancho de banda efectivo equivalente al producto del ancho de banda efectivo de un receptor multiplicado por el número de receptores. Así, mientras en los instrumentos de imagen directa el número de receptores queda limitado por el área del plano focal del telescopio, este último con un coste elevado que encarece en gran medida el coste de los experimentos, los interferómetros no presentan esta limitación ya que no requieren de un telescopio.

 

Sin embargo, se puede comprobar en la bibliografía que el número de receptores de los interferómetros de microondas construidos hasta el momento actual no es muy alto (<20) debido a la complejidad técnica y tecnológica de correlar gran cantidad de señales de microondas de banda ultra-ancha (típicamente > 25%). En este sentido, dentro del marco del proyecto Consolider EPI se ha realizado un estudio detallado para determinar el tipo de correlador óptimo para un interferómetro de gran formato.

2. Correladores Digitales

Se estudió la posibilidad de utilizar correladores digitales, implementados mediante FPGAs (“Field Programmable Gate Arrays”), GPUs (“Graphics Processing Units”), o módulos similares, por su gran flexibilidad y facilidad de control de errores sistemáticos y de fase.

En este sentido se analizaron las capacidades y el funcionamiento de un tipo de FPGAs comerciales de Agilent Technologies, en concreto el modelo U1071A, con 2 canales y 500 MHz de ancho de banda por canal (Figura 2).

Figura 2: Tarjetas digitalizadotas programables (FPGAs) U1071A de Agilent Technologies.

 

Se hicieron pruebas de correlación tanto de señales sinusoidales como de señales de ruido blanco filtrado en banda. La función de correlación se programó mediante Labview.

Se hicieron pruebas de correlación tanto de señales sinusoidales de 100 y 250 MHz (Figura 3a) como de señales de ruido blanco de 80 MHz de ancho de banda, centradas en 100 y 200 MHz (Figura 3b). La función de correlación se programó mediante Labview.

In the particular case of the FPGAs of Figure 2, the real-time operation bandwidth (“throughput”) is of about 200 MHz, so the number of FPGAs needed to implement a 100 receiver interferometer would be 5.000. This makes totally nonviable the digital implementation of the correlator.

 

 

(a)                                                                   (b)

Figura 3: Correlación digital de dos señales sinusoidales (a) y dos señales de ruido blanco filtrado en banda (b).

 

A pesar de los buenos resultados obtenidos en cuanto a precisión y control de fases, la correlación digital presenta varios problemas como el elevado coste, el alto consumo eléctrico, volumen y peso y el ancho de banda, que aunque ha aumentado mucho en los últimos años, sigue siendo reducido respecto a las especificaciones de los instrumentos de observación astronómica del FCM. En el caso concreto de estas tarjetas, el ancho de banda de operación en tiempo real (“throughput”) es de unos 200 MHz, por lo que el número de tarjetas necesarias para implementar un interferómetro con 100 receptores sería 5.000, lo que lo hace totalmente inviable.

3. Correladores Analógicos tipo Michelson

Otra posibilidad que se analizó consiste en utilizar correladores analógicos diseñados para funcionar tanto en banda base como a la frecuencia de microondas. En principio se consideraron estructuras de interferómetro tipo Michelson (correlación de señales por pares) como en el VSA (“Very Small Array”). Se implementó un correlador en banda base siguiendo el esquema de la Figura 4(a) y que se muestra en la Figura 4(b).

(a)

(b)

Figura 4: Correlador en configuración ‘Plus-minus’ (a) y circuito sobre substrato FR4 (b).

 

Se ha utilizado un correlador basado en la configuración de Ryle en el que se aplican  conmutaciones de fase en ambas señales de entrada. Este tipo de correlador ya fue implementado en el instrumento VSA. Se comprobó el correcto funcionamiento del mismo introduciendo dos señales sinusoidales, una de ellas con una frecuencia igual a 250 MHz y la otra con una frecuencia 1 KHz mayor. El resultado se puede ver en la Figura 5a. Por otro lado la Figura 5b muestra una medida del ancho de banda de video del correlador que en este caso es de unos 10 KHz.

(a)                                                                   (b)

Figura 5: Correlación analógica de dos señales sinusoidales (a) y medida del ancho de banda de video del correlador (b).

 

También se implementó un correlador en la banda de 26 a 36 GHz utilizando un módulo de correlación y detección diseñado para el TGI de QUIJOTE. La Figura 6 muestra el set-up de medida. Se comprobó que el funcionamiento era correcto y se midió un ancho de banda de video de 70 KHz.

Figura 6: Set-up de medida del módulo de correlación del TGI de QUIJOTE. En este caso se aplicó modulación de las señales de entrada.

A pesar de los buenos resultados, finalmente se desechó la idea de usar este tipo de correladores, debido a la complejidad resultante del número de líneas de base (n(n-1)/2 siendo n el número de señales a correlar) así como del enrutado de las señales de microondas que por otro lado encarecen en gran medida el correlador resultante. En cualquier caso, este tipo de correladores podría ser utilizado en instrumentos con pocas líneas de base, como los substractores de fuentes.

4. Correladores Analógicos tipo Fizeau

Para solucionar ese tipo de problemas los interferómetros tipo Fizeau, en los que las señales se combinan todas con todas, podrían ser la solución ya que simplifican mucho la estructura de correlación. En este sentido se analizó la posibilidad de utilizar lentes de Rotman implementadas sobre dieléctricos de uso típico en circuitos de RF y microondas. La Figura 7, en particular, muestra un esquema simplificado de un interferómetro con un correlador analógico basado en Lentes de Rotman (RL), los mapas de entrada T(I), Q, U y los caminos hacia los detectores.

Se hizo un diseño de lente de Rotman utilizando el software específico de diseño de lentes de Rotman RLD de Remcom. La lente tiene dos puertos de entrada y 4 de salida. Puesto que el análisis que realiza este software es bastante idealizado, se trasladó el diseño a un software de análisis electromagnético, mucho más preciso, como HFSS para verificar los resultados. La Figura 8 muestra el diseño de la lente simulada en HFSS y las adaptaciones de los puertos de entrada y salida. En la Figura 8(b) se puede ver que el diseño funciona bien en el centro de la banda, pero en los extremos los resultados no son buenos.

 

Figura 7: Esquema de un interferómetro basado en Lentes de Rotman

 

 

     

(a)                                                                                                                 (b)

Figura 8: Diseño de una lente de Rotman con 2 puertos de entrada y 4 de salida (a) y adaptación de los puertos de la lente (b).

 

Esto mismo se puede observar en la Figura 9 donde se muestran los desfases entre las señales de entrada y salida.

 

(a)                                                                                                      (b)

Figura 9: Desfase entre los puertos de salida y el primero de los de entrada (a) y lo mismo respecto del segundo puerto de entrada (b).

 

Como se observa en la figura anterior, el problema mayor que presenta este tipo de combinador de señales es que debido al gran ancho de banda, el control de las fases resulta muy complicado y teniendo en cuenta que este es un punto crítico para un interferómetro se decidió desechar esta opción.

 

5. Correladores Ópticos

Actualmente se considera como opción más viable el uso de moduladores ópticos tipo Mach-Zehnder (MZM) para reducir en gran medida la complejidad del correlador y del interferómetro resultante (Figura 10).

 

Figura 10: Modulador Mach- Zehnder LN86P de Thorlabs con 40 GHz de ancho de banda.

 

Los moduladores dividen la señal óptica en dos ramas que presentan un substrato de LiNbO3 con un índice de refracción que puede ser modificado mediante un campo eléctrico (Figura 11).

La modulación aparece por la interferencia de las dos ramas. Aplicando voltajes opuestos en las dos ramas se puede cancelar cualquier tipo de modulación de fase para ser utilizado como modulador de amplitud.

La Figura 12 muestra la medida de los MZM de la Fig. 10 modulando una señal óptica de 1550 nm con una señal sinusoidal de 30 GHz (a) y los resultados obtenidos en un analizador de espectros óptico (b). Se comprobó que la eliminación de una de las bandas laterales era realizable, pero que debido a la gran potencia de la portadora óptica será necesario el uso de filtros que permitan su atenuación hasta los valores requeridos (20 o 30 dB inferiores a la banda lateral).

 

Figura 11: Esquema del funcionamiento de los MZMs.

 

La idea básica para implementar un interferómetro con correlador óptico consiste en modular señales láser en banda L (1550 nm) de forma similar a la Figura 12 pero con las señales de microondas provenientes del FCM para, una vez en el rango óptico, enrutar y correlar las señales mediante un sistema óptico basado en fibras, lentes y cámaras sensibles al infrarrojo cercano. La Figura 13 muestra un esquema simplificado de dicho interferómetro.

El uso de esta tecnología permite la implementación tanto tipo Michelson como Fizeau. En principio nos planteamos un interferómetro tipo Fizeau, en el que todas las señales se combinan con todas a la vez gracias a las lentes del sistema óptico citado, por su mayor simplicidad pero no desechamos la posibilidad del Michelson ya que seguramente presente menos efectos sistemáticos.

 

(a)

(b)

Figura 12: Montaje para la medida de los MZM (a) resultado obtenido mediante un Analizador de Espectros Optico (b).

Figura 13: Esquema simplificado del interferómetro basado en MZMs.

 

Durante el tiempo que queda de proyecto, el objetivo es implementar un prototipo de interferómetro para 2 receptores (una línea de base) basándonos en el esquema de la Figura 13.