Receptores de Radiotelescopios

Principios generales de los receptores de radiotelescopios

Introducción

Un receptor de radiotelescopio detecta y mide emisiones de radio de las fuentes celestiales. Éstas suelen consistir en radiación incoherente cuyas propiedades estadísticas no difieren del ruido originado del receptor o de la radiación de fondo acoplada al receptor por la antena. El nivel de potencia de la señal en este tipo de receptores suele ser muy pequeña (10-15 a 10-20 W). La potencia recibida de la radiación de fondo debería ser mucho mayor, por lo que es importante que el receptor sea lo más sensible y estable posible. Pero hay casos, como las explosiones solares o la radiación joviana, donde la radiación es relativamente fuerte, y cobran importancia otras características del receptor, como la habilidad de detectar la señal como una función en el tiempo.

Tipos de receptor

Los receptores de radiotelescopios más comunes se asemejan en su construcción al receptor superheterodino, cuyo diagrama de bloques se muestra en la figura:

[Receptor Superheterodino]

La señal a frecuencia central fRF se acopla al receptor mediante una antena y pasa por un amplificador de RF (radiofrecuencia) con una ganancia del orden de 10 a 30 dB.

La próxima etapa es un mezclador, donde la débil señal se mezcla con una señal mayor de un oscilador local a la frecuencia fo obteniendo una salida a frecuencia intermedia (IF), siendo su espectro directamente proporcional al de la señal de RF.

Entonces la señal a IF pasa por una etapa amplificadora (de 60 a 90 dB). La mayor parte de la ganancia en un receptor superheterodino se obtiene aquí, y también suele determinar el ancho de banda del predetector del receptor.

El amplificador IF va seguido de un detector de envolvente (square-law detector), cuya tensión de salida en contínua es la amplitud de la tensión de entrada al cuadrado, siendo así directamente proporcional a la potencia de ruido de salida de la sección de predetección del receptor.

Las etapas finales pueden consistir en un amplificador paso bajo/integrador y un sistema de adquisición de datos, que puede ser un grabador analógico o un computador que realiza un almacenamiento digital de la señal.

En los receptores superheterodinos, la sección después del mezclador es la misma para todas las frecuencias. Sólo el amplificador de RF, el mezclador y el oscilador local se diseñan por separado para cada banda de frecuencias. La sección anterior al detector es conocida como la parte de alta frecuencia del receptor o sección de predetección. La sección a continuación del detector es la parte de baja frecuencia o sección de postdetección.

[Detector]

La figura muestra un receptor superheterodino de dos canales. Éste era el receptor estándar en microondas previo a la aparición de los amplificadores de microondas de bajo ruido, todavía muy utilizado, particularmente en banda mm. Si no se utilizan filtros entre la antena y el receptor, no hay selectividad en las radiofrecuencias antes del mezclador. En este caso puede recibirse la señal a la frecuencia de la señal de RF

VRF = Vo + VIF

y a la frecuencia imagen

V'RF = Vo - VIF

Ambas frecuencias son igual de efectivas en dar el espectro a potencia intermedia, por lo que el receptor tiene dos señales de entrada separadas en frecuencia por 2VIF. Ambos canales pueden ser prácticamente iguales en potencia y estadísticamente independientes, resultando en un receptor con una sensibilidad alrededor del doble de la de un receptor de un solo canal.

El diagrama de bloques del así llamado receptor directo sería el que sigue:

Este tipo se utiliza para realizar medidas en banda muy difusa (del orden de una octava). La sección RF podría consistir en un amplificador FET.

El siguiente diagrama de bloques pertenece a un receptor de vídeo. Su primera etapa activa es el detector. La selectividad en radiofrecuencia puede obtenerse por filtro RF. Es un receptor muy utilizado en la región submm., donde los superheterodinos estándar son más difíciles de construir.

Desde el punto de vista de la radioastronomía, los receptores pueden dividirse en receptores contínuos y receptores de líneas espectrales. En el primer grupo la frecuencia exacta de operación no es crítica, pero en el segundo grupo la frecuencia precisa de recepción puede ser de suma importancia y también necesitar ser variable (mediante sintonización cambiando fo).

Un esquema alternativo para las observaciones espectrales es utilizar un receptor de canal multisalida. Puede ser un receptor superheterodino normal donde una parte del amplificador IF y el resto del receptor consisten en varias etapas de banda ancha en paralelo. Este tipo de receptores son usuales en radioastronomía al ser más fácil construir varios canales igualmente sensibles que mantener constante la sensibilidad mientras se realiza el barrido a la frecuencia del oscilador local.

Ruido del Sistema

Varias clases de ruido afectan a un receptor de radiotelescopio. Todo receptor se perjudica por el ruido térmico producido en sus componentes electrónicos, el ruido shot de los transistores, etc. Y las pérdidas en el cable (coaxial o guiaonda) entre antena y receptor añadirán más ruido.

La temperatura total de ruido del sistema de los radiotelescopios varía desde diez a varios miles de grados Kelvin, dependiendo de la frecuencia y el tipo de antena y de receptor. La temperatura de la señal puede ser una pequeña fracción de 1º K. Así, el receptor debe estar capacitado para detectar pequeñas diferencias en el ruido total, lo que implica una altísima sensibilidad.

Receptor de Dicke

Las medidas muestran que las fluctuaciones de ganancia decrecen rápidamente al incrementarse la frecuencia. Estas fluctuaciones de ganancia pueden reducirse si la entrada del receptor conmuta contínuamente entre la antena y una fuente del ruido de comparación a una frecuencia lo bastante alta como para que la ganancia no tenga tiempo de cambiar durante un ciclo. La frecuencia de conmutación fM en la práctica va desde 10 a 1000 Hz. Los receptores normalmente emplean conmutadores de diodos semiconductores o conmutadores de ferrita teniendo una atenuación de 0,2 a 0,3 dB en posición ON y de 30 a 40 dB en la posición OFF.

Si la potencia de ruido de la carga de comparación es igual a la potencia de ruido de la antena, entonces la potencia de la señal corresponde a la amplitud de onda cuadrada modulada a la frecuencia de conmutación. Esta señal modulada en amplitud es detectada y alimentada al multiplicador (también llamado detector sensible a fase o demodulador síncrono).

Un multiplicador conmuta la salida del detector en sincronismo con el interruptor de la antena. Por tanto, la tensión de salida del integrador será directamente proporcional a la temperatura de la señal, y no habrá tensión de salida en contínua si la temperatura de comparación coincide con la temperatura de la antena sin que haya señal. Esto implica que las ganancias y temperaturas de ruido del receptor permanecen invariantes en ambas posiciones del conmutador. Las fluctuaciones por la inestabilidad de ganancia desparecen, y la sensibilidad sólo la determinará el ruido del sistema.

El receptor de Dicke sufre de inestabilidad de ganancia cuando está presente la señal, especialmente si ésta es relativamente grande. Las inestabilidades distorsionarán la forma de onda de la señal y reducirán la exactitud de los resultados. Por eso los receptores de Dicke tienen numerosas variantes que tratan de minimizar estos efectos desfavorables.

Receptor Interferométrico

Un interferómetro de radio consiste en varias antenas separadas una distancia de varias longitudes de onda. Para mayor sensibilidad puede estar equipado con su propio preamplificador o toda la sección de predetección del receptor. Se supone que las antenas y los receptores son idénticos y que las antenas apuntan en la misma dirección. La fuente de radiación celeste inducirá idénticas señales de tensión a los receptores con una diferencia de fase según la dirección de la fuente.

Las tensiones de salida a frecuencia intermedia se introducen en un detector de envolvente. Si éstas tienen igual fase a frecuencia intermedia, su la amplitud alcanzará unas cotas máximas y mínimas dependiendo de la distancia d entre antenas, la longitud de onda, y el ángulo a de dirección medido desde la línea base.

La conmutación síncrona en ambos receptores puede utilizarse para estabilización contra las variaciones de ganancia, pero suele preferirse el método utilizado en los receptores de correlación.

La interferometría es una de las técnicas más prometedoras para superar las observaciones de los mayores radiotelescopios de forma individual, y también pretende utilizarse en telescopios. Las técnicas de interferometría, junto con las de óptica activa y adaptativa, son muy prometedoras en el campo de la observación en el visible, dado que en la Tierra la propia atmósfera impone unos límites a la calidad de observación del cielo nocturno.

Receptor de Correlación

Tiene la salida IF de los receptores por separado. Como en un interferómetro, es multiplicado en vez de ser sumado, y detectado. Cuando las tensiones de ruido incorrelado debido a las temperaturas de ruido se multiplican, el resultado se aproxima a cero. Las componentes debidas a la tensión de ruido incorrelado de ambos receptores se contrarrestan, resultando en una tensión de ruido de salida de baja frecuencia y fluctuante.

Realizando numerosos cálculos se llega a la conclusión de que la sensibilidad de un receptor de correlación es, por tanto, 2*sqr(2) veces mejor que la sensibilidad de un receptor de Dicke con el mismo sistema de temperaturas de ruido y una antena.

A causa de que sólo las tensiones de ruido correlado dan una tensión de salida en DC, las inestabilidades de ganancia no aceptarán a la sensibilidad del receptor correlado. La variación de ganancia cambiará sólo la calibración del receptor. Sin embargo, las variaciones aleatorias de fase en los amplificadores de las secciones de predetección son indeseables por la misma razón que los brillos en la ionosfera reducirán la sensibilidad. Una de las ventajas del receptor de correlación es que no hay conmutador y, por lo tanto, no hay pérdidas extra entre la antena y el receptor, que significa que la temperatura de ruido del receptor será más baja.

Receptores de Bajo Ruido

Para mejorar la sensibilidad puede emplearse como primera etapa un LNA (Low-Noise Amplifier). Para frecuencias de trabajo por debajo de 1 GHz se utilizan transistores bipolares. Desde 0,5 a 40 GHz los amplificadores LNA se basan en amplificadores FET, amplificadores paramétricos y másers. En el rango mm. a partir de 40 GHz, todo depende del aguante de los amplificadores a frecuencias tan altas. Si no existen dispositivos LNA para esas frecuencias se instala un mezclador.

Sin profundizar en los principios de funcionamtiento de los LNA, diremos que para conseguir sus objetivos aprovechan las propiedades de amplificadores cuya resistencia es negativa.

El amplificador paramétrico (paramp), es un aparato de resistencia negativa que emplea las propiedades de las reactancias no lineales para obtener la amplificación.

Un máser (Microwave Amplificarion by Stimulated Emission Radiation, amplificación de microondas mediante emisión de radiación de forma estimulada) es como un láser pero que estimula la emisión de radiación microondas en vez de luz. Los máser se construyen utilizando un cristal de rubí com unas impurezas como cromo en las que los iones de cromo actúan como partículas activas. Si se mete el máser en helio líquido se consigue que la resistencia sea negativa.

Y en cuanto a los amplificadores FET, decir que si se los compara con un amplificador de resistencia negativa el amplificador FET tiene una mayor estabilidad y es más conveniente de usar porque es mucho menos crítico a las impedancias del circuito que un amplificador de resistencia negativa y está alimentado por corriente contínua en vez de un oscilador de burbuja (pump-oscillator) trabajando varias veces a la frecuencia de operación.

También pueden utilizarse los diodos Schocttky como mezcladores para la banda mm.

Otro tipo de mezclador está basado en tecnología de superconductores, tal es el caso del mezclador de cuasipartículas SIS (Superconductor-Aislador-Superconductor). Aporta un elemento de mezcla resistiva capaz de convertir la ganancia. Además de la ganancia potencial, el SIS tiene otras ventajas sobre el diodo Schottky, como que no tiene resistencia serie y sus capacidades parásitas no dependen de la tensión. Y la potencia necesaria del oscilador local es muy baja debido a su curva I-V. Inconvenientes: necesita menos de 4ºK, y un bajo nivel de saturación de la señal.

Receptores de Líneas Espectrales

Osciladores Locales Estables en Frecuencia

Un receptor de líneas espectrales se diferencia de un radiómetro utilizado para observaciones contínuas en dos aspectos en dos aspectos. El primero consiste en la necesidad de un oscilador local estable en frecuencia que se obtenga "enganchando" con la fase del oscilador(phase-locking). El segundo es el más complicado etapa final que debe ser capaz de un análisis espectral.

Las oscilaciones locales utilizadas en receptores de radioastronomía incluyen osciladores de estado sólido como osciladores de transistores en la región UHF y osciladores TEO (Transfered-Electron Gunn Oscilations, Oscilaciones de Gunn por Electrones Transferidos) en las longitudes de onda del centímetro y de 3 mm. A frecuencias más altas el los multiplicadores basados en los varicap Schottky se utilizan para multiplicar la frecuencia de salida de un TEO a longitudes de onda de 1 mm. En la región submm. los osciladores de onda reflejada (carcinotrones), y los láseres ópticos se utilizan como osciladores locales. Todos los osciladores mencionados anteriormente tienen niveles de ruido AM y FM bajísimos, pero el filtrado extra es necesario para reducir aún así algo de ruido AM. El ruido FM se reduce y la deriva puede usualmente ser eliminada por enganche de fase.

Bases del análisis espectral

El analizador de espectros es un filtro escaneador con un estrecho ancho de banda. La ventana de filtrado, controlada por un generador de corriente en diente de sierra, periódicamente barre el rango de medida en el dominio de la frecuencia. Un detector de envolvente conectado a la salida del filtro detecta una señal a una frecuencia y un tiempo determinados. En ese tiempo, la ventana de filtrado se centra a esta frecuencia. Así se obtiene el espectro en frecuencia a partir del dominio del tiempo.

Espectrómetros

Banco de Filtros

El espectrómetro de banco de filtros se basa en que mide la energía obtenida en varias divisiones del espectro. Esto es muy difícil de realizar en la práctica. El problema reside en que si cada filtro tiene el mismo ancho de banda, el ancho de banda relativo (ancho de banda dividido por la frecuencia central en cada filtro) es diferente. Es decir, que cada filtro deberá ser diseñado de forma individual.

Autocorrelador Digital

La señal primero se limita para adaptarla a las tensiones utilizadas por el sistema digital, y sólo se observan las transiciones. Utilizar la autocorrelación surge del hecho de que la autocorrelación en el origen equivale a la energía de la señal.

Espectrómetro Acústico-Óptico

La señal IF a analizar es convertida a onda ultrasónica en un transductor piezoeléctrico y lanzada a un medio transparente. La onda ultrasónica causa una modulación de densidad y, por tanto, la modulación de la onda que se refracta en el medio. Si un rayo de luz monocromática de un laser es guiado a través del medio en una dirección casi perpendicular al frente de ondas ultrasónico, parte del rayo láser es difractado a través de un ángulo que es una función de la longitud de onda ultrasónica (difracción de Bragg). La intensidad de la luz refractada en una dirección dada depende de la potencia de la señal a la frecuencia correspondiente. Así, la distribución enfocada de la luz láser difractada es igual al espectro de potencia de la señal IF.

Y esto es, a grandes rasgos, una síntesis de este tema, que es muy extenso, y muy interesante al menos desde el punto de vista de las telecomunicaciones. Se puede observar que los problemas de ingeniería están contínuamente relacionados con conseguir unos aparatos receptores lo más sensibles posible, porque en definitiva, se trata de "escuchar" el ruido, pero no un ruido cualquiera, sino el ruido del cielo.
 

84036@neumann.teleco.ulpgc.es
David Fernández Vigo