Récepteurs en radioastronomie

Les récepteurs en radioastronomie amplifient, convertissent en fréquence inférieure et détectent les signaux radio extrêmement faibles collectés par une antenne, tout en ajoutant le moins de bruit possible.

Definition

Un récepteur en radioastronomie est l'ensemble électronique qui prend le signal radiofréquence de l'alimentation de l'antenne et l'amplifie, le convertit en fréquence, le filtre et le détecte, sa performance étant principalement déterminée par le bruit qu'il ajoute, résumé par sa température système.

Scope

Ce sujet couvre la chaîne de réception, de l'alimentation au détecteur, les récepteurs hétérodynes et les oscillateurs locaux, les amplificateurs à faible bruit, y compris la technologie des mélangeurs HEMT et SIS refroidis, la température du système et les contributions au bruit, l'étalonnage avec des diodes de bruit et des charges, ainsi que les spectromètres et les unités de traitement (backends) qui canalisent le signal.

Core questions

• Qu'est-ce qui limite la sensibilité d'un récepteur radio ?
• Comment la conversion hétérodyne vers une fréquence inférieure permet-elle la détection et la spectroscopie ?
• Pourquoi les étages d'entrée des récepteurs sont-ils refroidis à des températures cryogéniques ?
• Comment les mesures radio sont-elles étalonnées sur une échelle de température ?

Key theories

Température système et équation du radiomètre

Toutes les sources de bruit sont exprimées comme une température équivalente, et l'équation du radiomètre montre que la sensibilité atteignable s'améliore avec la racine carrée du produit de la bande passante par le temps d'intégration, divisé par la température système.

Détection hétérodyne

Le mélange du signal du ciel avec un oscillateur local le décale vers une fréquence intermédiaire plus basse, plus facile à amplifier et à canaliser, préservant l'amplitude et la phase pour la spectroscopie et l'interférométrie.

Étages d'entrée cryogéniques à faible bruit

Le refroidissement des amplificateurs et des mélangeurs supraconducteurs à quelques kelvins réduit considérablement le bruit thermique, et les jonctions SIS offrent une sensibilité proche de la limite quantique aux longueurs d'onde millimétriques.

Clinical relevance

La performance en bruit du récepteur détermine directement la faiblesse d'une source radio qui peut être détectée dans un temps donné ; les avancées dans les amplificateurs cryogéniques et les mélangeurs supraconducteurs ont rendu la spectroscopie millimétrique et submillimétrique du gaz moléculaire froid courante.

History

Les débuts de la radioastronomie utilisaient des amplificateurs relativement bruyants, et le radiomètre à commutation de Dicke des années 1940 a réduit les instabilités. Les amplificateurs à maser et paramétriques ont cédé la place aux amplificateurs à transistors refroidis et, aux fréquences les plus élevées, aux mélangeurs supraconducteur-isolant-supraconducteur qui approchent la limite fondamentale du bruit quantique.

Key figures

• Robert Dicke
• Harry Nyquist

Seminal works

• wilson2013
• rieke2003

Frequently asked questions

Pourquoi les étages d'entrée des récepteurs radio sont-ils refroidis à seulement quelques degrés au-dessus du zéro absolu ?

La principale limite à la sensibilité radio est le bruit thermique ajouté par l'électronique propre du récepteur. Le refroidissement du premier amplificateur ou mélangeur à quelques kelvins réduit drastiquement ce bruit, permettant au récepteur de détecter des signaux bien plus faibles qu'un système à température ambiante ne le pourrait.

Que signifie la température système pour un radiotélescope ?

La température système est un nombre unique qui exprime tout le bruit du système, y compris celui du récepteur, de l'atmosphère et du sol, comme la température d'une résistance qui produirait le même bruit. Une température système plus basse signifie un télescope plus sensible pour un temps d'intégration donné.