[論文レビュー] Electrical and electromagnetic co-simulations of the HERA Phase I receiver system including the effects of mutual coupling, and impact on the EoR window

Nicolas Fagnoni, Eloy de Lera Acedo+68 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、HERAフェーズIのアンテナ、RF受信機、ケーブル、相互結合効果を統合した共シミュレーションフレームワークを提示する。これにより、システムの色度の原因が特定された。150mケーブルは強い反射を引き起こし、相互結合効果によりアレイ全体に信号が伝搬され、1400 ns後にシステム応答が10⁴–10⁵にまで減衰することが判明した。これにより、150 MHzで0.7 h Mpc⁻¹を超えるEoRモードが観測可能でなくなり、EoR検出は従来の予想よりも困難であることが示された。

ABSTRACT

The detection of the Epoch of Reionization (EoR) delay power spectrum using a avoidance highly depends on the instrument chromaticity. The systematic effects induced by the radio-telescope spread the foreground signal in the delay domain, which contaminates the EoR window theoretically observable. Therefore, it is essential to understand and limit these chromatic effects. This paper describes a method to simulate the frequency and time responses of an antenna, by simultaneously taking into account the analogue RF receiver, the transmission cable, and the mutual coupling caused by adjacent antennas. Applied to the Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), this study reveals the presence of significant reflections at high delays caused by the 150-m cable which links the antenna to the back-end. Besides, it shows that waves can propagate from one dish to another one through large sections of the array because of mutual coupling. In this more realistic approach, the simulated system time response is attenuated by a factor $10^{4}$ after a characteristic delay which depends on the size of the array and on the antenna position. Ultimately, the system response is attenuated by a factor $10^{5}$ after 1400 ns because of the reflections in the cable, which corresponds to characterizable ${k_\parallel}$-modes above 0.7 $h m{Mpc}^{-1}$ at 150 MHz. Thus, this new study shows that the detection of the EoR signal with HERA Phase I will be more challenging than expected. On the other hand, it improves our understanding of the telescope, which is essential to mitigate the instrument chromaticity.

研究の動機と目的

• ケーブルおよび相互結合による機器的色度が、HERAフェーズIのEoR遅延パワー スペクトルに与える影響を理解すること。
• RF部品、ケーブル、アレイ全体の相互結合を含む、受信機チェーン全体の周波数および時間領域応答をモデル化すること。
• これらの効果がEoR信号の観測可能性、特に遅延パワー スペクトルに与える影響を定量化すること。

提案手法

• 電磁界および電気回路モデルを用いたHERAフェーズI受信機システムの共シミュレーション。
• 周波数依存応答およびインピーダンス不連続性を有する150m送信ケーブルの組み込み。
• フルウェーブ電磁界シミュレーションを用いた隣接アンテナ間の相互結合のモデル化。
• Sパラメータデータから時間領域応答を抽出し、システムの色度を評価。
• 遅延スペクトル解析を用いて、システム応答を観測可能なk∥-モードにマッピング。
• EoR窓の汚染に関する理論的期待値との照合による結果の妥当性検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 150mケーブルの反射が、システムの時間領域応答およびEoR観測可能性にどのように影響するか？
• RQ2 アンテナ間の相互結合が、アレイ全体にわたる信号伝搬をどの程度可能にするか？
• RQ3 色度効果によって、システム応答が著しく減衰する遅延の特徴的な時間は何か？
• RQ4 ケーブルの反射と相互結合が、EoRパワー スペクトルにおける観測可能なk∥-モードの範囲をどのように制限するか？
• RQ5 1400 nsを超えた遅延において、システム応答がどの程度劣化するか、そしてEoR検出に与える影響は何か？

主な発見

• 150mケーブルは、アレイサイズおよびアンテナ位置に依存する特徴的な遅延の後、システム応答を10⁴の係数で減衰させる顕著な反射を引き起こす。
• 相互結合効果により、アレイの大規模な領域にわたる波の伝搬が可能となり、システム応答の尾部が延長される。
• ケーブルの反射により、1400 ns後にシステム応答が10⁵の係数で減衰し、EoRモードの観測が制限される。
• この減衰は、150 MHzで0.7 h Mpc⁻¹を超えるk∥-モードの抑制に相当し、EoR窓のダイナミックレンジが低下する。
• ケーブルの反射と相互結合の併存効果により、システムの色度が増大し、EoR検出が従来の推定よりも困難になる。
• 本研究は、EoR実験における系統的効果の低減に不可欠な、HERAフェーズIの機器的応答のより現実的なモデルを提供する。