เครื่องรับสัญญาณดาราศาสตร์วิทยุ

เครื่องรับสัญญาณดาราศาสตร์วิทยุจะขยายสัญญาณวิทยุที่อ่อนมากซึ่งถูกรวบรวมโดยเสาอากาศ ลดความถี่ลง และตรวจจับสัญญาณเหล่านั้น โดยเพิ่มสัญญาณรบกวนให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

Definition

เครื่องรับสัญญาณดาราศาสตร์วิทยุคืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รับสัญญาณความถี่วิทยุจากฟีดเสาอากาศและทำการขยาย, แปลงความถี่, กรอง, และตรวจจับสัญญาณ โดยประสิทธิภาพหลักจะถูกกำหนดโดยสัญญาณรบกวนที่เพิ่มเข้ามา ซึ่งสรุปได้ว่าเป็นอุณหภูมิระบบ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวงจรเครื่องรับสัญญาณตั้งแต่ฟีดไปจนถึงตัวตรวจจับ, เครื่องรับสัญญาณแบบเฮเทอโรไดน์และออสซิลเลเตอร์ภายใน, เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำรวมถึงเทคโนโลยี HEMT แบบระบายความร้อนและ SIS mixer, อุณหภูมิระบบและการมีส่วนร่วมของสัญญาณรบกวน, การสอบเทียบด้วยไดโอดสัญญาณรบกวนและโหลด, และสเปกโตรมิเตอร์และแบ็คเอนด์ที่แยกช่องสัญญาณ

Core questions

• อะไรคือข้อจำกัดความไวของเครื่องรับสัญญาณวิทยุ?
• การลดความถี่แบบเฮเทอโรไดน์ช่วยให้สามารถตรวจจับและทำสเปกโทรสโกปีได้อย่างไร?
• เหตุใดส่วนหน้าของเครื่องรับสัญญาณจึงถูกทำให้เย็นลงถึงอุณหภูมิไครโอเจนิก?
• การวัดค่าทางวิทยุถูกสอบเทียบเป็นมาตราส่วนอุณหภูมิได้อย่างไร?

Key theories

อุณหภูมิระบบและสมการเรดิโอมิเตอร์

แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนทั้งหมดจะถูกแสดงเป็นอุณหภูมิเทียบเท่า และสมการเรดิโอมิเตอร์แสดงให้เห็นว่าความไวที่ทำได้จะดีขึ้นตามรากที่สองของแบนด์วิดท์คูณด้วยเวลาการรวมสัญญาณหารด้วยอุณหภูมิระบบ

การตรวจจับแบบเฮเทอโรไดน์

การผสมสัญญาณจากท้องฟ้ากับออสซิลเลเตอร์ภายในจะเปลี่ยนสัญญาณไปยังความถี่กลางที่ต่ำกว่า ซึ่งง่ายต่อการขยายและแยกช่องสัญญาณ โดยยังคงรักษาแอมพลิจูดและเฟสไว้สำหรับการทำสเปกโทรสโกปีและอินเตอร์เฟอโรเมตรี

ส่วนหน้าที่มีสัญญาณรบกวนต่ำแบบไครโอเจนิก

การทำให้เครื่องขยายสัญญาณและเครื่องผสมสัญญาณแบบตัวนำยิ่งยวดเย็นลงเหลือเพียงไม่กี่เคลวินจะช่วยลดสัญญาณรบกวนจากความร้อนได้อย่างมาก และรอยต่อ SIS ให้ความไวที่ใกล้เคียงขีดจำกัดเชิงควอนตัมที่ความยาวคลื่นมิลลิเมตร

Clinical relevance

ประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนของเครื่องรับสัญญาณกำหนดโดยตรงว่าสามารถตรวจจับแหล่งกำเนิดวิทยุที่อ่อนมากได้ในเวลาที่กำหนด การพัฒนาเครื่องขยายสัญญาณแบบไครโอเจนิกและเครื่องผสมสัญญาณแบบตัวนำยิ่งยวดทำให้การทำสเปกโทรสโกปีของก๊าซโมเลกุลเย็นในย่านมิลลิเมตรและซับมิลลิเมตรเป็นเรื่องปกติ

History

ดาราศาสตร์วิทยุในยุคแรกใช้เครื่องขยายสัญญาณที่มีสัญญาณรบกวนค่อนข้างสูง และเครื่องวัดรังสีแบบสวิตช์ของ Dicke ในทศวรรษ 1940 ช่วยลดความไม่เสถียรลง เครื่องขยายสัญญาณแบบเมเซอร์และพารามิเตอร์ได้ถูกแทนที่ด้วยเครื่องขยายสัญญาณทรานซิสเตอร์แบบระบายความร้อน และที่ความถี่สูงสุดคือเครื่องผสมสัญญาณแบบตัวนำยิ่งยวด-ฉนวน-ตัวนำยิ่งยวด (superconductor-insulator-superconductor) ซึ่งเข้าใกล้ขีดจำกัดสัญญาณรบกวนเชิงควอนตัมพื้นฐาน

Key figures

• Robert Dicke
• Harry Nyquist

Seminal works

• wilson2013
• rieke2003

Frequently asked questions

เหตุใดส่วนหน้าของเครื่องรับสัญญาณวิทยุจึงถูกทำให้เย็นลงเหลือเพียงไม่กี่องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์?

ข้อจำกัดหลักของความไววิทยุคือสัญญาณรบกวนจากความร้อนที่เพิ่มเข้ามาโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเครื่องรับสัญญาณเอง การทำให้เครื่องขยายสัญญาณหรือเครื่องผสมสัญญาณตัวแรกเย็นลงเหลือเพียงไม่กี่เคลวินจะช่วยลดสัญญาณรบกวนนี้ได้อย่างมาก ทำให้เครื่องรับสัญญาณสามารถตรวจจับสัญญาณที่อ่อนกว่าระบบที่อุณหภูมิห้องได้มาก

อุณหภูมิระบบหมายถึงอะไรสำหรับกล้องโทรทรรศน์วิทยุ?

อุณหภูมิระบบคือค่าเดียวที่แสดงถึงสัญญาณรบกวนทั้งหมดในระบบ รวมถึงเครื่องรับสัญญาณ บรรยากาศ และพื้นดิน โดยเทียบเท่ากับอุณหภูมิของตัวต้านทานที่จะสร้างสัญญาณรบกวนเดียวกัน อุณหภูมิระบบที่ต่ำลงหมายถึงกล้องโทรทรรศน์ที่มีความไวสูงขึ้นสำหรับเวลาการรวมสัญญาณที่กำหนด