[論文レビュー] A Resistive Wideband Space Beam Splitter

Nivedita Mahesh, R. Subrahmanyan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 11被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、0.1 m 角の180 Ω抵抗のグリッドから構成される広帯域抵抗性空間ビームスプリッターを提案する。このスプリッターは、宇宙電波背景の干渉計的測定を目的として、入射電波を反射成分と透過成分に分割する。スプリッターは50–250 MHzの周波数帯域で物理的光学モデルと5%以内の一致を示し、近似的に理想性能を達成しており、微弱な宇宙論的信号の正確で低ノイズなスペクトル測定を可能にする。

ABSTRACT

We present the design, construction and measurements of the electromagnetic performance of a wideband space beam splitter. The beam splitter is designed to power divide the incident radiation into reflected and transmitted components for interferometer measurement of spectral features in the mean cosmic radio background. Analysis of a 2-element interferometer configuration with a vertical beam splitter between a pair of antennas leads to the requirement that the beam splitter be a resistive sheet with sheet resistance ηo /2, where ηo is the impedance of free space. The transmission and reflection properties of such a sheet is computed for normal and oblique incidences and for orthogonal polarizations of the incident electric field. We have constructed such an electromagnetic beam splitter as a square soldered grid of resistors of value 180 Ohms (approximately ηo /2) and a grid size of 0.1 m, and present measurements of the reflection and transmission coefficients over a wide frequency range between 50 and 250 MHz in which the wavelength well exceeds the mesh size. Our measurements of the coefficients for voltage transmission and reflection agree to within 5% with physical optics modeling of the wave propagation, which takes into account edge diffraction.

研究の動機と目的

• 宇宙電波背景における微弱な宇宙論的信号を検出するために用いられるスペクトル放射計で生じる内部受信機ノイズの課題に対処すること。
• 均一な天の明るさの干渉計的測定を可能にしつつスペクトルの忠実度を保持する空間ビームスプリッターの開発。
• 自由空間の特性インピーダンスη₀の半分である180 Ω/スクエアの抵抗性シートに類似する抵抗グリッドを用いて、周波数に依存しないビームスプリッターを実現すること。
• 垂直および斜め入射に対して、測定と物理的光学モデルを用いてビームスプリッターの電磁特性を検証すること。
• ゼロスパッティング干渉計構成を用いて、宇宙電波背景の絶対スペクトル測定を可能にする。

提案手法

• 自由空間の特性インピーダンスη₀の半分に相当する180 Ω/スクエアの抵抗性シートに近似する、180 Ω抵抗からなる正方形抵抗グリッドの設計および製作。
• 4×3 m の抵抗シートまたは抵抗グリッドを半透明なビームスプリッターとして用い、入射放射を反射成分と透過成分に分割する。
• 50–250 MHzの周波数帯域で、ベクトルネットワークアナライザと線状偏光アンテナを用いてS₁₁（反射）およびS₂₁（透過）散乱パラメータを測定する。
• グリッドなしの状態と導電性アルミニウムシートを用いた基準測定を用いて、キャリブレーションを行い、ビームスプリッター固有の応答を分離する。
• 物理的光学を用いた波動の伝播モデリング（端縁効果を含む）により、反射および透過係数を予測する。
• 垂直および斜め入射、およびE面およびH面偏光の両方に対して、測定値とモデル値の反射および透過係数を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 抵抗グリッドは、電波天文における広帯域電磁波ビームスプリッティングにおいて、連続的抵抗シートを正確に模倣できるか？
• RQ2 抵抗性ビームスプリッターの反射および透過係数は、周波数、入射角、偏光状態にどのように依存するか？
• RQ3 有限サイズによる端縁 diffraction 効果やサイズ制限が、実用的構成における抵抗性ビームスプリッターの性能に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 抵抗性ビームスプリッターの測定Sパラメータは、回折を含む物理的光学予測と整合するか？
• RQ5 このビームスプリッターは、ゼロスパッティング干渉計が、システムノイズを最小限に抑えて宇宙電波背景の絶対スペクトル測定を可能にするか？

主な発見

• 抵抗グリッドによるビームスプリッターの測定された反射および透過係数は、50–250 MHz帯域全域で物理的光学モデルと5%以内の一致を示した。
• 波長がグリッドサイズよりもはるかに長い周波数領域では、周波数に依存しない動作を示し、広帯域部品としての適性を確認した。
• 垂直および斜め入射（最大30°）およびE面およびH面偏光の両方において、反射および透過係数が安定しており、耐障害性の高い性能を示した。
• ビームスプリッターの有限サイズは、周波数依存の端縁回折効果を引き起こすが、これは物理的光学でよくモデル化されており、測定値とも一致した。
• 抵抗グリッド設計は、連続的抵抗シートの性能を非常によく再現しており、大規模電波天文応用における実用的代替手段としての有効性を検証した。
• このビームスプリッターは、加法的受信機ノイズに影響されないゼロスパッティング干渉計構成を可能にし、宇宙電波背景の絶対スペクトル測定に最適である。