Caratterizzazione dei Ricevitori a Microonde di PLANCK LFI

Caratterizzazione dei Ricevitori a Microonde
di PLANCK LFI (Low Frequency Instrument)
Dott.ssa P. Battaglia, Dott. C. Franceschet
Laboratorio di Strumentazione Spaziale
Lezione 09
6 novembre 2012
RF, MW, Onde Millimetriche
●
Radiofrequenze (RF): 100 Mhz – 1 GHz (lv= 3m - 1cm)
●
Microonde (MW): 1-30 GHz (lv= 30cm – 1cm)
●
Onde Millimetriche: 30 GHz – 100 GHz (lv= 30cm - 3mm)
Esperimenti dedicati alla CMB
COBE (NASA, 1989) risoluzione 7°
T/T~10-5
MAP (NASA, 2001) risoluzione 14’-56’
T/T ~ 4 x 10-5
PLANCK (ESA, 2009) risoluzione 10’ (100 GHz)
T/T ~ 6,6 x 10-6
Mappa simulata
Lancio
 Terza Medium-Sized Mission (M3) del
programma scientifico ESA, Horizon
2000.
 Nome originale: COBRAS/SAMBA.
Cambiato nel 1996 in PLANCK.
 Lancio: 2009 da Guiana Space Centre
(Kourou, Guiana Francese), assieme
al telescopio Herschel
 Vettore: Ariane V
 Massa totale di lancio (per il solo
PLANCK): 1800 kg circa
Obiettivi scientifici di missione
 Misure di anisotropia della CMB
(parametri cosmologici: H 0, W0,…)
 Test del modello inflazionario
dell’Universo primordiale
 Studio delle tracce lasciate nella
CMB da difetti topologici
 Misura
delle
ampiezze
delle
strutture della CMB su scala
compresa tra 100 e 1000 h-1Mpc
 Misura
dell’effetto
Zeldovich
Sunyaev-
PLANCK: Satellite Criogenico
50K (~ -223°C)
~50K
~100K
LFI
~150K
HFI
~300K
Image: ESA
Piano focale
Low Frequency Instrument (LFI)
11 catene radiometriche: 2 @ 30 GHz, 3 @ 44 GHz, 6 @ 70 GHz
Struttura superiore
supporto guide
Focal Plane Unit
50K
Guide d’onda
20K
4K
50K
Back End Unit
Struttura inferiore
supporto guide
300K
Low Frequency Instrument (LFI)
Low Frequency Instrument (LFI)
Radiometri a pseudo-correlazione
Sky = 2.7 K
Ref. load
Hybrid
Hybrid
Sky
LNAs
Reference
load = 4 K
Phase Switches
20
20KKFront
FrontEnd
End
01100
00101
LNAs
Filters
1 / 4096 sec
01111
00101
00011
Data
Acquisition
Electronics
Diodes and
DC amp.
Signal
Processing
Unit
01100
01100
01111
00101
Telemetry
00011
1/4096 s
300
300KKBack
BackEnd
End
 Integrate
 Integrate
 Digitize
 Digitize
 Downsample
 Downsample
 Difference
 Difference
 Requantise
 Requantise
 Compress
 Compress
Caratterizzazione RF componenti stand-alone
Ingredienti di un radiometro di LFI:






Feed horn corrugato
Antenne del riferimento a 4K
OMT (Trasduttore Orto Modo)
Modulo di Front End (HEMT, Phase Switch, Accoppiatori Ibridi)
Guide d'onda
Modulo di Back End (Amplificatori, filtri, diodi di conversione)
Su ciascun componente:
- test funzionali
(componenti attive)
- test di performance
(prestazione del
componente vs. specifiche
di progetto)
Vector Network Analyzer (VNA)
Analizzatore di Rete Vettoriale = generatore e ricevitore a due o
quattro porte operante nelle microonde realizzato per processare sia
l'ampiezza che la fase delle onde trasmesse e riflesse dalla rete.
Misura dei parametri S e di una serie di quantità ad essi correlati
(return loss, guadagno, impedenza, etc).
Analizzatore di Rete Scalare (SNA,
Scalar
Network
Analyzer):
dispositivo che processa solo
l'ampiezza delle onde riflesse e
trasmesse.
Vector Network Analyzer (VNA)
Esempio di misura di guadagno d'antenna:
●
●
●
●
●
●
●
●
si montano un lanciatore ed uno Standard Gain Horn (SGH) su di un supporto
stabile
si collega il lanciatore alla porta 1 del VNA (generatore) e lo SGH alla porta 2
(ricevitore)
si allineano le due antenne in termini di polarizzazione ed intensità del
segnale
si attiva la misura del parametro S 21
si seleziona sul SNA la frequenza di interesse
si calibra la misura in modo che il parametro S 21 abbia una risposta piatta su
tutto il range di frequenza → G normalizzato a SGH
si sostituisce il SGH con l'antenna da misurare (AUT), mantenendo
allineamento e posizione
si attiva la misura del parametro S 21 (GREL)
GAUT = GREF + GREL
Vector Network Analyzer (VNA)
Vector Network Analyzer (VNA)
Caratterizzazione RF radiometri LFI
VERIFICHE
funzionamento componenti attive del radiometro (elettronica di front
end e di back end)
 temperatura di rumore (T
noise)
 isolamento
 guadagno
 linearità
 frequenza di ginocchio
 offset
 sensibilità del segnale in uscita a cambi di temperatura su FEM, BEM,
V-grooves

OTTIMIZZAZIONI




Tnoise (tuning Vgate1)
isolamento (tuning Vgate2) (power consumption!)
phase switches
risposta spettrale
Elettronica Front End e Back End
FEM @ 30, 44, 70 GHz
BEM @ 30, 44, 70 GHz
Test set-up

Reference Load
Sky Load



Riproduce le condizioni
di volo (environment,
elettriche)
Segnali di corpo nero
a
temperatura
variabile
Soddisfa
requisiti
scientifici
(stabilità
termiche, temperature
alle interfacce, ESD
safety)
Acquisizione parametri
ambientali e scientifici
Test set-up
4K
FEM (20K)
62K
112K
40K
300K
CTI
ARS
DE210
●


Leybold
5/100
Temperature
interfacce
programmabili
Tensioni di alimentazione degli LNA
di front end programmabili (T
rumore, isolamento)
Correnti di alimentazione dei phase
switch programmabili
171K
PBEM
= 2.5 x 10-6 mbar
T315K
loads= 4K
TFEU = 20K
T1st V-groove = 60K
TBEU = 300K
Preparazione del radiometro ai test
Multi Layer Insulator per ottimizzare T
interfacce
Collegamento sensori T
Collegamenti termici ai criostati
Preparazione del radiometro ai test
Reference Load: dettaglio
Resistenza corazzata per regolazione T
Preparazione del radiometro ai test
Dettagli sky load
Cavi alimentazione / segnali output radiometro
(back end @ T ambiente)
Flusso di test
Test Funzionali




Tutti i test condotti secondo TEST
PLAN e TEST PROCEDURE
RCA in camera
Pressione e temperatura ambiente
Applico tensioni di gate e correnti ai
PS/SW
Verifica qualitativa e quantitativa del
segnale di output

Vuoto e temperature criogeniche
Verifica qualitativa e quantitativa
segnale di output
Test Calibrazione e Performance
Linearità: step in temperatura su sky load e reference load

Offset: valutazione dell'input offset

Test Calibrazione e Performance
Phase Switch

verifica stato funzionale (curva I-V)

bilanciamento: si lavora su un canale alla
volta per radiometro, abilitando lo
switching a 4 kHz. Si controlla un diodo alla
volta (polarizzazione!)
Phase switch Channel A
V1out, CH_A
V1out, CH_B
O utput voltage, V
0.7000
0.6000
0.5000
0.4000
0.3000
0.2000
0.1000
0.0000
Combined
Sky-ref difference (V)
Channel M1 Vg1 Tuning
Ch C
Isolation D
0.0
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Ch D
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
1
27.00
-4.0
25.00
-8.0
-10.0
2
3
4
20
-2.0
-6.0
23.00
21.00
19.00
-12.0
17.00
-14.0
15.00
-16.0
A7
Measurement index
Delta VB
5
6
7
Measurement index
Noise temperature (K)
Isolation (dB)
6
Delta VA
0.10
29.00
5
800
0.12
Channels M1 and M2 Isolation
4
600
0.14
isolamento
3
400
Channel M1 Phase Switch Tuning
- Tuning Vgate2: ottimizzare
2
200
current, uA
LNA
- Tuning Vgate1: minimizzare TNOISE
1
V2out, CH_B
0.8000
0
Isolation C
V2out, CH_A
AD
B4
BA
C0
C7
CD
D4
DA
Vg1 (HEX code)
E0
E7
ED
F3
FA
FF
8
9
10
11
12
Test Calibrazione e Performance




RCA_THF: sensibilità ai cambi di temp. sul FEM
RCA_THB: sensibilità ai cambi di temp. sul BEM
RCA_THV: sensibilità ai cambi di temp. sui V-grooves
RCA_ELE: disturbo sinusoidale (1 mV p-p) su gate e drain lines
Risposta spettrale


Misura della risposta spettrale del radiometro all'interno della banda
operativa
Il segnale generato tramite uno sweep generator è iniettato nello sky
load attraverso una guida d'onda flessibile