Radyo Astronomi için Gürültü Şekillerini Anlayın

Radyo astronomisi, alıcı elektroniklerinin kendi başına üretilen gürültüden çok daha zayıftır. Anahtar Kelimeler ve bilim adamları, son derece hassas ön uç bileşenlere güvenirler, çünkü radyo teleskopları tarafından alınan sinyaller ekstraordinly zayıftır - milyarlarca kez baytın.[Dönetici)[Döneticileri analiz etmek, alıcı elektronikleri tanımlamak için en önemli ölçümler için en önemli ölçümler için.

Gürültü Şekil Nedir?

Gürültü rakam, bir bileşen tarafından oluşturulan sinyal-noise oranının bozulmasını (SNR) ölçmektedir - bir amplifikatör - bir iletişim veya ölçüm sistemi. Formally, girdi sinyali-to-noise oranının oranının orantısızlığı oranının oranı olarak tanımlanır, decibels (dB):

[FONT=0) NF (dB) = 10 log10 (SNR[DÜT:2)[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜye Değeri: 4)[Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar İçin)[Üye Olmayanlar[Üyeler)[Üye Olmayanlar İçindir.

İdeal, gürültüsüz bir yükseltici gürültü yapmaz, bu yüzden giriş ve çıktı SNR eşit olacaktır, zayıf sinyalleri tespit etmek için doğrudan daha iyi bir duyarlılık verir. Tüm elektronik bileşenler aşırı gürültüyü doğrudan ifade eder. Gürültü rakam doğrudan o ideale göre daha fazla gürültü katkıda bulunur.

Gürültü rakamını standart bir sıcaklığa ayırt etmek önemlidir (genellikle 290 K), radyoda (T)[Dönetici:2).[Dönetici: 3 ). Gürültü rakam standart bir sıcaklık için logaritmik ve referans olsa da, gürültü sıcaklığının lineer ve sık sık sık tercih edilir, çünkü sistem sıcaklığı ile ölçeklenir.

[B][/0) NF (dB) = 10 log10 (1 + T_).

Böylece, 0,5 dB'nin gürültü rakam yaklaşık 35 K'ın eşdeğer bir gürültü sıcaklığına karşılık gelir, bir NF 1.0 dB yaklaşık 75 K. Radyo astronomisinde, alıcı gürültü sıcaklıklarının ağojenik soğutma kullanarak birkaç Kelvin aralığında olduğu, gürültü rakam çok az olur - 0.1 dB'den daha az.

Neden Radyo Astronomisinde Gürültü Şekil Maddeleri

Radyo astronomisi temel olarak gürültü kısıtlayıcı bir disiplindir. Bu sinyalleri tespit etmek için tek yol, alıcının kendisi tarafından eklenen gürültünün en aza indirgenmesidir.Bu, gürültünün belirleyici parametresi haline geldiği yerdir.

Hassasiyet ve Radyometre Equation

Bir radyo teleskopunun duyarlılığı radyometre denklemi tarafından tanımlanır, bu da sistem gürültü sıcaklığı, bant genişliği ve entegrasyon zamanı ile ilgili en az tespit edilebilir sinyal gücü ile ilgilidir. Sistem gürültü sıcaklığı (T₎

• [FONT:0)Antenna gürültü sıcaklığı) (T[D:2)[[Dönetici:0) - gök arka plan, zemin top ve kozmik kaynaklar nedeniyle.
• [FONT:0)Receiver gürültü sıcaklığı[DÜT:1)[T[DÜDÜ:2)[[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜye Olmayanlar İçindekiler) - ilk yükselteçmiş noktası tarafından doğrudan gürültü rakamla ilgili olarak.
• [FONT:0)Ohmik kayıplar , korelasyonlar, dalga kılavuzları ve yükselteçleri yükseltilmeden önce kablolar.

Çünkü ilk yükseltici aşaması T_{) üzerinde en büyük etkiye sahiptir[Dönetici[Dönetici: 1), gürültü rakamı en kritik tasarım hedefidir. Yüksek NF, çok sinyalleri maskeleyebilir, teleskopu gözlem süresini ne kadar uzun süre tespit edemez.}

Pratik Eşitlikler

1.4 GHz'de tipik bir radyo astronomi gözlemini düşünün ( 21 cm hidrojen hattı) Sessiz bir bölgedeki gökyüzü gürültü sıcaklığı 5-10 K. Eğer alıcının yaklaşık 20 K (NF ⁇ 0.3 dB) gürültü sıcaklığı aynı sinyal-to-noise oranını elde etmek için daha fazla entegrasyon gerektirir - veya, tersine, tüm bu sesin altındaki kaynaklarını tespit edebilir.

Gürültü Şekillerini Etkileyen Anahtar Faktörleri

Düşük bir güçlendiricisinin gürültü rakamı birkaç bağımsız faktör tarafından etkileniyor. Bu sayede mühendislere belirli bir frekans grubu ve uygulama için tasarımları optimize etmelerine ve optimize etmelerine izin veriyor.

Kalite ve Malzeme

Aktif cihaz -özellikle yüksek çözünürlükte bir transistör (HEMT) veya heterokz ikiz transistör (HBT) - temel gürültü kaynağı. Devlet-of-the-art InP (indium phosphide) ve GaAs (gallium arsenide) HEMTs, frekanslarda 0,5 dB'nin altında 100 GHz'ye kadar gürültüyü artırabilir. epit aksiyel tabakaların kalitesi ve kapı geometrisinin her şeyi etkiler.

Tasarım Mimarisi

Kombinasyonun devre topoloji önemli bir rol oynar. Key düşünceler şunları içerir:

• [[Dönetici:0)Input eşleştirme:[Dönetici:[Dönetici:0) Giriş ağı, en yüksek kazanç için en uygun şekilde transistöre uygun bir kaynak sunmalıdır.
• [FONT=0]Number of aşamalar:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir cascaded yükseltici zincirinin gürültü rakam ilk aşama tarafından yönetilir (aşağıdaki Friis formülüne bakınız). Ek aşamalar genel NF'yi önemli ölçüde yükseltilmeden yeterli kazanç için tasarlanmıştır.
• [FONT=0)Feedback ve istikrar: [Dönetici:[Dönetici:0) Geri dönüşüm ve istikrar sağlayabilir, ancak Johnson gürültüyü içerir.Inductive or cleive feedback (e.g., source dejenerasyon) daha düşük NF için ticaret kazanabilir.
• [FONT:0]Biasing:[Dönetici:[Dönetici:0) Yoktur ve gerilim transistörün gürültü performansını etkiler. HEMTs için, gürültü rakam tipik olarak belirli bir mevcut yoğunlukta en düşük, genellikle en yüksek kazanç için mevcut olandan daha düşük.

İşletim Koşulları

Sıcaklık en etkili çevresel faktördür. Termal gürültü (Johnson-Nyquist gürültü) dirençlilere ve transistörlerin kanal gürültülerini sıcaklıkla arttırır. Bu nedenle, 15 K'de çalışan bir krigensel HEMT amplifikatörü, radyo alıcılarının altında 5 K'i yaygın olarak kullanabilir.

Biasing ayrıca sıcaklık ile etkileşime girer. Ağojenik sıcaklıklarda bile minimum NF değişimleri için en uygun önyargı, dikkatli kalibrasyon gerektiren. Nem, baskı ve mekanik titreşimler de etkili NF'yi artıran mikrofonik gürültüyü ortaya çıkarabilir.

Ohmic, Pasif Bileşenlerinde Kayıplar

İlk yükselteçten önce herhangi bir pasif bileşen – dalga kılavuzu, ko aksiyel kablo veya dielektrik filtresi gibi – doğrudan gürültü rakamını artıran kaybı ekleyin.

[FONT:0)NF[DÜT:2) Toplam[DÜDÜ:2) = NF_{) + (NF)[FLT)}

G_{)passive[[Dönetici: 1 ), pasif ağın 1)'nden daha az kazançtır. Örneğin, amplifiğe göre yaklaşık 0,5 dB'yi genel gürültü rakamına ekleyin, çünkü yükselticinin NF düşük olduğu gibi radyo astronomik yükselteçleri mümkün olduğunca yakın bir şekilde gerçekleşir - doğrudan odak noktada - iç içe geçmiş kaybı.}

Gürültü Şekillerini Geliştirmek ve Geliştirmek

Ölçüm Teknikleri

Gürültü figürü genellikle aritFLT:0) bir kalibreli ses kaynağı (örneğin, bir diyot temelli kaynak) ile bir gürültü kaynağı ile ölçülür.En yaygın yöntem, [[FONTT:2|Dönetici tekniği) ve Y-fazlı gürültü kaynağı (örneğin, iki bilinen devlet arasında) yapılır.

[FONT:0)Y = P[DÜT:2) .[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜ TÜSİAD: 4]

Y-fak ve gürültü kaynağının bilinen aşırı gürültü oranı (ENR) tarafından hesaplanabilir. ultra-düşük yükselteç yükselticiler için, özel bakım gereklidir:

• Gürültü kaynağının düşük ENR (e.g., 5-6 dB) yükseltici yapmaktan kaçınmalıdır.
• Ölçümler, dış müdahaleyi önlemek için koruyucu bir ortamda yapılmalıdır.
• Ortam sıcaklığı kontrol edilmeli veya uygulanan düzeltmeler gerekir.

Krigen yükselteçleri için, ölçüm daha da zor. Test altındaki cihaz (DUT) bir kriostat içine yerleştirilir ve gürültü kaynağı genellikle oda sıcaklığındadır. Kalibrasyon standartları - bir soğutma yükünde son derece azaltıcı olarak - doğruyu geliştirmek için kullanılır.

İyileştirme için Stratejiler

Mühendisler gürültü rakamını temel sınırlara doğru itmek için birkaç teknik kullanırlar:

• Crygen soğutma: En etkili yöntem. Soğutma HEMTs'in 10-20 K'ye kadar, kanal gürültü ve termal gürültü büyük ölçüde azaltılır.Pryoptik helium veya pul-t buzdolabı kullanarak sıvı helium veya pul-tüp buzdolabı 10 GHz'nin altındaki 2 K'nin altındaki frekanslarda gürültü sıcaklıklar elde edebilir.
• [FONT:0)Optimum kaynağı engellendi: Tonable giriş eşleştirme ağlarını kullanarak (belirli girişli indüktörlerle) transistörlerin gürültü ölçülerini en aza indirmek için.
• [FONT:0) Parasitik elemanların azaltılması: Minimizing kapısı ve kaynak giriş, hava-bridge interconnects kullanarak ve düşük büyüklükteki substratları (örneğin, yarıkz veya bir ışık) tek kullanımlık mikrodalga entegre devre (MMIC) tasarımı.
• [FONT:0]Band genişlik yönetimi: [Dönder: [Dönder: 1) Narrowband tasarımları genişleyen tasarımlardan daha düşük NF elde edebilir, çünkü eşleşen tek bir frekansta optimize edilebilir. Birçok radyo astronomi uygulaması, gruba özel yükselteçleri kullanır.
• [[Dönetici:0)Feedback iptali:[Dönetici:0) Belirli frekans aralıklarında NF'yi azaltan ve ikincil bir yol tarafından çıkartılan LNA topolojileri gibi Gelişmiş teknikler.

Cascaded Gürültü Şekil: Friis Formula

Çok aşamalı bir alıcı zincirinde, genel gürültü rakam, [FONTT:0)Friis formülü[DÜT:1) tarafından belirlenir:

[FONT=0) NF[DÜŞMELER:0)[Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar İçindekiler)[Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar İçindekiler)

Bu, ilk aşamanın gürültü rakamını (NF1) hakim olduğu açıkça ortaya koyar, özellikle de kazanırsa (G1) yüksek. Örneğin, NF1 = 0.4 dB ( ⁇ 1.096 lineer), NF2 = 5 dB ( ⁇ 3.16 lineer), ve G1 = 20 dB (100 lineer), ikinci aşamanın katkısı (3.16-1)/100 = 0.0216 lineer NF - 0.09 dB. Yani toplam NF2 = 5 dB (D) sadece 10 dB idiyse, ikinci aşama da dB'yi ekleyecekti.

Gerçek Dünya Uygulamaları ve Araçları

Düşük gürültü rakamları ile düşük güç yükselteçleri, her büyük radyo astronomi tesisinin arka kemiğidir. Tasarımları genellikle sınıflandırılmış veya özeldir, ancak dünya çapında birçok proje ile ilgili ilkeler paylaşılmaktadır.

Single-Dish Radio Teleskoplar

Avustralya'daki 100 metre uzunluğundaki büyük tek katlı teleskoplar, odakta bulunan ağojenik alıcılara, 12-1.73 GHz arasında bir gürültü elde etti. Aynı şekilde, 305-meter Arecibo teleskopu (şimdi ihmal edildi) dB'nin etrafındaki S-band radar gözlemleri için 0.1 dB'den daha az gürültücü bir alıcıya ulaştı.

Interferometri Dizileri

Diziler: 0,3|Düzücü G. Jansky Çok Büyük Dizi (VLA) ) [Dörtücükler:2)LOFAR[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜNÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ

Çok Uzun Basel Interferometry (VLBI)

VLBI ağları - her istasyondaki gürültü rakamlarına eşdeğer olarak, sistem gürültüsüne ek olarak, tespit edilen yüksek çözünürlükte bulunan ve düşük dalgalı VLBI (örneğin, 86 GHz, 230 GHz), yükselteçmiş yükselteçlere eşdeğer olan yükselteçler gereklidir; bunlar neredeyse her zaman sistemik olarak serinletmeler ile karakterize edilen kuantum dalgaların ilk dalgalarını azaltır.

Front-Bit Entegrasyon Meydanları

Modern alıcılar genellikle LNA'yı serin bir yem boynuzu, kutupizasyon diplexer ve bazen bir dijital geri uçlu paketin tamamı, lekeli bir amplifikatörden daha yüksek olmalıdır - entegre sistemin gürültü rakamlarını azaltılabilir.

Ampiriklerin Ötesinde: Alıcı Zincirinin Rolü

Düşük boyutlu yükselteçlerin gürültü rakamı kritiktir, ancak sadece genel alıcı zincirinin bir parçasıdır. Diğer bileşenler -mixers, yerel oscillators, orta frekans yükselteçleri, analog-enerji dönüştürücüler - ayrıca LNA'nın toplam sistemi gürültü sıcaklığının (T_{)) daha sonraki aşamalardan gelen katkıların toplamı (Dönder) olması gerekir.}

Future rotası ve Gelişen Teknolojiler

Radyo astronomisi yüksek frekanslara (örneğin, 300-1000 GHz'deki alt blok gruplar) ve daha geniş anlık bantlara, düşük gürültü rakamlarına ulaşma zorluğunu talep ediyor. Bazı gelişmekte olan teknolojiler mevcut engellerle kırılmaya söz ediyor:

• [FONT:0)Graphene ve 2D malzeme transistörleri: Erken araştırma yüksek taşıyıcı hareketliliği ve düşük iletişim direnci nedeniyle çok düşük gürültü rakamları için potansiyel gösteriyor. Ancak, MMIC süreçleri ile entegrasyon hala olgunlaşmamış.
• [FONT:0) Mikromekanik anahtarlar ve yeniden yapılandırılabilir eşleştirme ağları: LNA'nın geniş bir bant boyunca en iyi NF için dinamik olarak ayarlanması, geniş bir bantda geniş bir maç kaybı olmadan.
• [FONT:0)Makine öğrenme-assisted kalibrasyon: [Dönetici: 0 3) Sıcaklık sürükleme ve enstrümanın ömrü boyunca minimum NF korumak için gerçek zamanlı önyargı puanlarının optimizasyonu.
• [FONT:0]Crygen dijital alıcılar: ADC ve dijital işlemeyi doğrudan ağojenik LNA'nın uzun kobiyal kabloları ve ilişkili kayıp ve gürültülerini ortadan kaldırmak için takip ediyor. Bu "dijital heterodyne" yaklaşımı SKA'nın orta frekans alıcıları için araştırıyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Gürültü rakam, Green Bank Teleskobunun düşük kaliteli yükselteçleri için en önemli performans ölçümleri olarak kalır ve her gözlem, mühendislere duyarlı ön uçları tasarlamayı sağlar ve devre tasarımı, büyük parabolik yemeklerini kullanarak, Event Horizon Teleskobunun global sentezlerini anlamak için devam eder ve her gözlem, mümkün olduğunca az gürültü eklemek için mühendislere bağlıdır.