Приемники в радиоастрономии

Радиоастрономические приемники усиливают, преобразуют по частоте и детектируют чрезвычайно слабые радиосигналы, собираемые антенной, при этом добавляя как можно меньше шума.

Definition

Радиоастрономический приемник — это электронное устройство, которое принимает радиочастотный сигнал от облучателя антенны и усиливает, преобразует по частоте, фильтрует и детектирует его, при этом его характеристики в основном определяются добавляемым им шумом, который суммируется как его системная температура.

Scope

Эта тема охватывает приемный тракт от облучателя до детектора, гетеродинные приемники и гетеродины, малошумящие усилители, включая охлаждаемые HEMT и смесители SIS, системную температуру и вклады шума, калибровку с помощью шумовых диодов и нагрузок, а также спектрометры и бэкэнды, которые разделяют сигнал на каналы.

Core questions

• Что ограничивает чувствительность радиоприемника?
• Как гетеродинное преобразование частоты позволяет осуществлять детектирование и спектроскопию?
• Почему входные каскады приемника охлаждаются до криогенных температур?
• Как радиоизмерения калибруются по температурной шкале?

Key theories

Системная температура и уравнение радиометра

Все источники шума выражаются в эквивалентной температуре, и уравнение радиометра показывает, что достижимая чувствительность улучшается пропорционально квадратному корню из произведения полосы пропускания на время интегрирования, деленного на системную температуру.

Гетеродинное детектирование

Смешивание сигнала с неба с сигналом гетеродина сдвигает его на более низкую промежуточную частоту, которую легче усиливать и разделять на каналы, сохраняя амплитуду и фазу для спектроскопии и интерферометрии.

Криогенные малошумящие входные каскады

Охлаждение усилителей и сверхпроводящих смесителей до нескольких кельвинов резко снижает тепловой шум, а SIS-переходы обеспечивают чувствительность, близкую к квантовому пределу, на миллиметровых длинах волн.

Clinical relevance

Шумовые характеристики приемника напрямую определяют, насколько слабый радиоисточник может быть обнаружен за заданное время; достижения в области криогенных усилителей и сверхпроводящих смесителей сделали рутинной миллиметровую и субмиллиметровую спектроскопию холодного молекулярного газа.

History

В ранней радиоастрономии использовались относительно шумные усилители, и радиометр-переключатель Дикке 1940-х годов уменьшил нестабильности. Мазерные и параметрические усилители уступили место охлаждаемым транзисторным усилителям, а на самых высоких частотах — сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (SIS) смесителям, которые приближаются к фундаментальному квантовому пределу шума.

Key figures

• Robert Dicke
• Harry Nyquist

Seminal works

• wilson2013
• rieke2003

Frequently asked questions

Почему входные каскады радиоприемников охлаждаются до нескольких градусов выше абсолютного нуля?

Доминирующим ограничением радиочувствительности является тепловой шум, добавляемый собственной электроникой приемника. Охлаждение первого усилителя или смесителя до нескольких кельвинов значительно снижает этот шум, позволяя приемнику обнаруживать сигналы гораздо слабее, чем это могла бы сделать система комнатной температуры.

Что означает системная температура для радиотелескопа?

Системная температура — это единое число, выражающее весь шум в системе, включая приемник, атмосферу и землю, как температуру резистора, который производил бы такой же шум. Более низкая системная температура означает более чувствительный телескоп для заданного времени интегрирования.