Receptores de Radioastronomia

Os receptores de radioastronomia amplificam, convertem para frequências mais baixas (downconvert), e detectam os sinais de rádio extremamente fracos coletados por uma antena, adicionando o mínimo de ruído possível.

Definition

Um receptor de radioastronomia é o conjunto de componentes eletrónicos que recebe o sinal de radiofrequência do alimentador da antena e o amplifica, converte em frequência, filtra e detecta, com o desempenho determinado principalmente pelo ruído que adiciona, resumido como a sua temperatura de sistema.

Scope

Este tópico abrange a cadeia do receptor, desde o alimentador (feed) até o detector, receptores heterodinos e osciladores locais, amplificadores de baixo ruído, incluindo tecnologia HEMT e misturadores SIS resfriados, temperatura do sistema e contribuições de ruído, calibração com diodos de ruído e cargas, e espectrômetros e backends que canalizam o sinal.

Core questions

• O que limita a sensibilidade de um recetor de rádio?
• Como a conversão heteródina para frequências mais baixas (downconversion) permite a deteção e a espectroscopia?
• Por que as extremidades frontais dos recetores são arrefecidas a temperaturas criogénicas?
• Como as medições de rádio são calibradas numa escala de temperatura?

Key theories

Temperatura do sistema e a equação do radiómetro

Todas as fontes de ruído são expressas como uma temperatura equivalente, e a equação do radiómetro mostra que a sensibilidade alcançável melhora com a raiz quadrada da largura de banda multiplicada pelo tempo de integração, dividida pela temperatura do sistema.

Deteção heteródina

A mistura do sinal do céu com um oscilador local desloca-o para uma frequência intermédia mais baixa, que é mais fácil de amplificar e canalizar, preservando a amplitude e a fase para espectroscopia e interferometria.

Extremidades frontais criogénicas de baixo ruído

O arrefecimento de amplificadores e misturadores supercondutores a poucos kelvins reduz drasticamente o ruído térmico, e as junções SIS proporcionam sensibilidade próxima do limite quântico em comprimentos de onda milimétricos.

Clinical relevance

O desempenho do ruído do receptor determina diretamente a quão fraca uma fonte de rádio pode ser detectada num dado tempo; avanços em amplificadores criogénicos e misturadores supercondutores tornaram rotineira a espectroscopia de gás molecular frio em comprimentos de onda milimétricos e submilimétricos.

History

A radioastronomia inicial utilizava amplificadores relativamente ruidosos, e o radiómetro de comutação de Dicke da década de 1940 reduziu as instabilidades. Amplificadores maser e paramétricos deram lugar a amplificadores transistorizados resfriados e, nas frequências mais altas, a misturadores supercondutor-isolante-supercondutor (SIS) que se aproximam do limite fundamental do ruído quântico.

Key figures

• Robert Dicke
• Harry Nyquist

Seminal works

• wilson2013
• rieke2003

Frequently asked questions

Por que as extremidades frontais dos recetores de rádio são arrefecidas a apenas alguns graus acima do zero absoluto?

O limite dominante na sensibilidade de rádio é o ruído térmico adicionado pela própria eletrónica do recetor. Arrefecer o primeiro amplificador ou misturador a poucos kelvins diminui drasticamente este ruído, permitindo que o recetor detete sinais muito mais fracos do que um sistema à temperatura ambiente conseguiria.

O que significa temperatura do sistema para um radiotelescópio?

A temperatura do sistema é um único número que expressa todo o ruído no sistema, incluindo o recetor, a atmosfera e o solo, como a temperatura de um resistor que produziria o mesmo ruído. Uma temperatura de sistema mais baixa significa um telescópio mais sensível para um dado tempo de integração.