Radioastronomie-Empfänger

Radioastronomie-Empfänger verstärken, wandeln herunter und detektieren die extrem schwachen Radiosignale, die von einer Antenne gesammelt werden, wobei sie so wenig Rauschen wie möglich hinzufügen.

Definition

Ein Radioastronomie-Empfänger ist die Elektronik, die das Hochfrequenzsignal vom Antennenspeisekopf (Antenna Feed) aufnimmt und es verstärkt, frequenzwandelt, filtert und detektiert, wobei die Leistung hauptsächlich durch das hinzugefügte Rauschen bestimmt wird, zusammengefasst als Systemtemperatur.

Scope

Dieses Thema behandelt die Empfängerkette vom Speisekopf (Feed) bis zum Detektor, Heterodyn-Empfänger und Lokaloszillatoren, rauscharme Verstärker einschließlich gekühlter HEMT- und SIS-Mischertechnologie, Systemtemperatur und Rauschbeiträge, Kalibrierung mit Rauschdioden und Lasten sowie Spektrometer und Backends, die das Signal kanalisieren.

Core questions

• Was begrenzt die Empfindlichkeit eines Radioempfängers?
• Wie ermöglicht die Heterodyn-Abwärtswandlung Detektion und Spektroskopie?
• Warum werden Empfänger-Frontends auf kryogene Temperaturen gekühlt?
• Wie werden Radiomessungen auf einer Temperaturskala kalibriert?

Key theories

Systemtemperatur und die Radiometergleichung

Alle Rauschquellen werden als äquivalente Temperatur ausgedrückt, und die Radiometergleichung zeigt, dass sich die erreichbare Empfindlichkeit mit der Quadratwurzel aus Bandbreite mal Integrationszeit geteilt durch die Systemtemperatur verbessert.

Heterodyn-Detektion

Das Mischen des Himmelssignals mit einem Lokaloszillator verschiebt es auf eine niedrigere Zwischenfrequenz, die leichter zu verstärken und zu kanalisieren ist, wobei Amplitude und Phase für Spektroskopie und Interferometrie erhalten bleiben.

Kryogene rauscharme Frontends

Das Kühlen von Verstärkern und supraleitenden Mischern auf wenige Kelvin reduziert das thermische Rauschen drastisch, und SIS-Übergänge bieten eine nahezu quantenlimitierte Empfindlichkeit bei Millimeterwellenlängen.

Clinical relevance

Die Rauschleistung des Empfängers bestimmt direkt, wie schwach eine Radioquelle in einer bestimmten Zeit detektiert werden kann; Fortschritte bei kryogenen Verstärkern und supraleitenden Mischern haben die Millimeter- und Submillimeter-Spektroskopie von kaltem molekularem Gas routinemäßig gemacht.

History

Frühe Radioastronomie verwendete relativ rauscharme Verstärker, und Dickes schaltendes Radiometer aus den 1940er Jahren reduzierte Instabilitäten. Maser- und parametrische Verstärker wichen gekühlten Transistorverstärkern und, bei höchsten Frequenzen, Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Mischern, die sich der fundamentalen Quantenrauschgrenze nähern.

Key figures

• Robert Dicke
• Harry Nyquist

Seminal works

• wilson2013
• rieke2003

Frequently asked questions

Warum werden die Frontends von Radioempfängern auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt?

Die dominierende Begrenzung der Radioempfindlichkeit ist das thermische Rauschen, das durch die eigene Elektronik des Empfängers hinzugefügt wird. Das Kühlen des ersten Verstärkers oder Mischers auf wenige Kelvin senkt dieses Rauschen drastisch, wodurch der Empfänger Signale detektieren kann, die weitaus schwächer sind, als es ein System bei Raumtemperatur könnte.

Was bedeutet Systemtemperatur für ein Radioteleskop?

Die Systemtemperatur ist ein einziger Wert, der das gesamte Rauschen im System, einschließlich Empfänger, Atmosphäre und Boden, als Temperatur eines Widerstands ausdrückt, der das gleiche Rauschen erzeugen würde. Eine niedrigere Systemtemperatur bedeutet ein empfindlicheres Teleskop für eine gegebene Integrationszeit.