電波天文学受信機

電波天文学受信機は、アンテナによって収集された極めて微弱な電波信号を、可能な限りノイズを付加することなく増幅し、ダウンコンバートし、検出します。

Definition

電波天文学受信機とは、アンテナフィードからの高周波信号を受け取り、増幅、周波数変換、フィルタリング、検出を行う電子機器であり、その性能は主として付加されるノイズによって決定され、これはシステム温度として要約されます。

Scope

このトピックでは、フィードから検出器までの受信機チェーン、ヘテロダイン受信機と局部発振器、冷却HEMTおよびSISミキサー技術を含む低ノイズ増幅器、システム温度とノイズ寄与、ノイズダイオードと負荷による校正、信号をチャネル化する分光計とバックエンドについて扱います。

Core questions

• 電波受信機の感度を制限するものは何ですか？
• ヘテロダインダウンコンバージョンは、どのように検出と分光を可能にしますか？
• 受信機のフロントエンドはなぜ極低温に冷却されるのですか？
• 電波測定はどのように温度スケールに校正されますか？

Key theories

システム温度と電波計方程式

すべてのノイズ源は等価温度として表現され、電波計方程式は、達成可能な感度が帯域幅と積分時間の平方根をシステム温度で割った値に比例して向上することを示しています。

ヘテロダイン検出

空からの信号を局部発振器と混合することで、信号は増幅やチャネル化が容易なより低い中間周波数にシフトされ、分光法や干渉法のために振幅と位相が保持されます。

極低温低ノイズフロントエンド

増幅器と超伝導ミキサーを数ケルビンに冷却することで熱ノイズが大幅に低減され、SIS接合はミリ波帯でほぼ量子限界の感度を提供します。

Clinical relevance

受信機のノイズ性能は、特定の時間内に検出できる電波源の微弱さを直接的に決定します。極低温増幅器と超伝導ミキサーの進歩により、冷たい分子ガスのミリ波およびサブミリ波分光法が日常的に行われるようになりました。

History

初期の電波天文学では比較的ノイズの多い増幅器が使用されており、1940年代のディッケのスイッチング電波計は不安定性を低減しました。メーザー増幅器やパラメトリック増幅器は、冷却されたトランジスタ増幅器に取って代わられ、最高周波数では、基本的な量子ノイズ限界に近づく超伝導体-絶縁体-超伝導体ミキサーが使用されるようになりました。

Key figures

• Robert Dicke
• Harry Nyquist

Seminal works

• wilson2013
• rieke2003

Frequently asked questions

電波受信機のフロントエンドはなぜ絶対零度からわずか数度高い温度に冷却されるのですか？

電波感度の主要な制限は、受信機自身の電子機器によって付加される熱ノイズです。最初の増幅器またはミキサーを数ケルビンに冷却することで、このノイズが劇的に低下し、受信機は室温システムでは検出できないほど微弱な信号を検出できるようになります。

電波望遠鏡にとってシステム温度とは何を意味しますか？

システム温度とは、受信機、大気、地面を含むシステム内のすべてのノイズを、同じノイズを生成する抵抗器の温度として表現した単一の数値です。システム温度が低いほど、特定の積分時間において望遠鏡の感度が高くなります。