Receptor de radioastronomía en la banda de 10-14 GHz con guías de onda integradas en substrato

Abstract

RESUMEN: El proyecto QUIJOTE es un experimento instalado en dos radiotelescopios en el Observatorio del Teide (Tenerife), con instrumentos que trabajan en el rango de 10-42 GHz recibiendo del cielo las ondas provenientes del Fondo Cósmico de Microondas, para tratar de obtener el porcentaje de polarización de dichas ondas mediante la obtención de sus parámetros de Stokes Q, U e I. Estos parámetros describen el grado de polarización de cualquier onda electromagnética. A partir de los resultados experimentales de la polarización de las ondas del Fondo Cósmico de Microondas, los astrofísicos esperan comprobar de forma indirecta la existencia de las ondas gravitatorias. Los receptores de los instrumentos de las bandas de 31 GHz (26-36 GHz) y de 41 GHz (35-47 GHz) se diseñaron y construyeron, con la financiación de varios proyectos de investigación del Plan Nacional de Investigación Científica y Técnica, desarrollados en el Departamento de Ingeniería de Comunicaciones de la Universidad de Cantabria, en colaboración con el Instituto de Astrofísica de Canarias. Tras varios resultados experimentales del instrumento de 31 GHz de QUIJOTE, llamado TGI (Thirty GHz Instrument), en el que el Módulo de Correlación y Detección estaba realizado con circuitos en línea microstrip, se decidió que, en el receptor para la banda de 41 GHz, llamado FGI (Forty GHz Instrument), los circuitos del Módulo de Correlación y Detección se realizaron con guías rectangulares metálicas. Aunque los receptores del FGI se realizaron con circuitos en guía rectangular metálica convencional, se llevó a cabo un proyecto para realizar un prototipo del Módulo de Correlación y Detección utilizando guías de onda integradas en substrato, como forma más económica y de menor volumen y peso. En un receptor de radioastronomía se suelen utilizar decenas de receptores, cada uno constituye un píxel, por lo que la reducción de peso y volumen es siempre un objetivo deseable. Las guías de onda integradas en substrato dieléctrico, en inglés “SIW” de Substrate Integrated Waveguides, permiten implementar circuitos en guía de onda con un tamaño más compacto y permiten una mayor facilidad de integración en un receptor. Este trabajo se centra en un Módulo de Correlación de 6 puertos que funciona en los dos canales más bajos del experimento QUIJOTE, siguiendo el mismo esquema que el del prototipo realizado para la banda de 41 GHz. El Módulo de Correlación está formado por dos divisores de potencia de 3 dB, dos acopladores de 3 dB/90º, un desfasador de 90º y tres líneas de referencia. Estos subsistemas se han diseñado y construido por separado, obteniéndose unos resultados aptos para su funcionamiento en la banda de 10-14 GHz, comprobados experimentalmente mediante las correspondientes medidas de laboratorio, por lo que finalmente se han integrado en un único Módulo de Correlación mediante conexiones entre todos los y se ha realizado una posterior caracterización experimental del Módulo de Correlación completo.

ABSTRACT: QUIJOTE Project is an experiment installed in two radio telescopes located in El Teide Observatory (Tenerife), with Instruments working in 10-42 GHz frequency range, receiving Cosmic Microwaves Background waves from the sky, aiming to know the polarization percentage of these waves through the Stokes parameters Q, U and I achievement. These parameters describe the polarization degree of a certain electromagnetic wave. From experimental results of wave polarization from the Cosmic Microwaves Background, the astronomers hope to check indirectly the existence of gravitational waves. Instruments receivers for 31 GHz (26-36 GHz) and 41 GHz (35-47 GHz) bands were designed and built, with several projects funded by the Plan Nacional de Investigación Científica y Técnica, developed in the Departamento de Ingeniería de Comunicaciones at the Universidad de Cantabria, in collaboration with the Instituto de Astrofísica de Canarias. After several experimental results of the QUIJOTE 31 GHz instrument, named TGI (Thirty GHz Instrument), in which the Correlation and Detection Module was built with microstrip lines, it was decided to use rectangular metallic waveguides for the 41 GHz receiver, named FGI (Forty GHz Instrument). Correlation and Detection Module (CDM) circuits were manufactured with rectangular metallic waveguides. Although the FGI receivers were made with conventional metallic rectangular waveguides, another research project developed a prototype for the Correlation and Detection Module using substrate integrated waveguides as cheaper and less volume and weight way for the CDM. In a radio astronomy receiver, there are commonly tens of receivers, each one forms a pixel, so the weight and volume reduction is always a desirable objective. The Substrate Integrated Waveguides (SIW), allow to implement waveguide circuits with a more compact size and to ease their integration in a receiver. This work deals with a 6 ports Correlation and Detection Module, working in the two lowest channels of QUIJOTE experiment, following the same scheme as the prototype made for 41 GHz band. The Correlation Module is made by two 3 dB power dividers, two 3 dB/90º couplers, a 90º phase shifter and three reference lines. Those subsystems have been designed and built separately, achieving good results for their operation in the 10-14 GHz band, experimentally checked through laboratory measurements, and finally have been integrated in a Correlation Module, through connections between all subsystems. A further experimental characterization of the complete Correlation Module has been performed.