[論文レビュー] RHINO: A large horn antenna for detecting the 21cm global signal

Philip Bull, Ahmed El‐Makadema+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2024

Antenna Design and Optimization被引用数 5

ひとこと要約

RHINOはグローバルな21cm中性水素信号を測定するための大型ホーンアンテナ（60–85 MHz）を提案し、ゲインを安定化させるために連続波キャリブレーション源を使用、Jodrell Bankでプロトタイプを進行中。

ABSTRACT

The sky-averaged brightness temperature of the 21cm line from neutral hydrogen provides a sensitive probe of the thermal state of the intergalactic medium, particularly before and during Cosmic Dawn and the Epoch of Reionisation. This `global signal' is faint, on the order of tens to hundreds of millikelvin, and spectrally relatively smooth, making it exceedingly difficult to disentangle from foreground radio emission and instrumental artefacts. In this paper, we introduce RHINO, an experiment based around a large horn antenna operating from 60-85 MHz. Horn antennas are highly characterisable and provide excellent shielding from their immediate environment, which are potentially decisive advantages when it comes to the beam measurement and modelling problems that are particularly challenging for this kind of experiment. The system also includes a novel continuous wave calibration source to control correlated gain fluctuations, allowing continuous monitoring of the overall gain level without needing to rapidly switch between the sky and a calibration source. Here, we describe the basic RHINO concept, including the antenna design, EM simulations, and receiver electronics. We use a basic simulation and analysis pipeline to study the impact of the limited bandwidth on recovery of physical 21cm global signal model parameters, and discuss a basic calibration scheme that incorporates the continuous wave signal. Finally, we report on the current state of a scaled-down prototype system under construction at Jodrell Bank Observatory.

研究の動機と目的

• 従来のコンパクトなアンテナやアースプレーンに依存しない設計を持つグローバルな21cm信号実験を動機づけ、評価する。
• 60–85 MHz動作に適した大容量のピラミッド形/コリゲーテッドホーンアンテナと、そのビーム、帯域幅、反射特性を設計・評価する。
• 頻繁なスイッチングを必要とせずゲイン変動を監視・抑制する連続波キャリブレーション方式を開発・記述する。
• 筐体、キャリブレーション負荷、RFチェーン、制御を含むシステムアーキテクチャを説明し、スケールドプロトタイプへ向けた道筋を示す。
• 理想化された条件下での物理的な21cmグローバル信号パラメータの回復を予測し、現在のプロトタイプの状況を示す。

提案手法

• ホーンアンテナ理論をレビューし、RHINOの設計要件に適用する。
• CST Studio Suiteの全波電磁シミュレーションを用いてピラミッド型ホーンを最適化し、ビームパターン、リターンロス、サイドローブを評価する。
• ビームFWHM、リターンロス、サイドローブ/バックローブレベルといった具体的な設計要件を定義し、選択したホーン形状がこれらをどの程度満たすか評価する。
• ゲインを監視し相関ゲイン変動を抑制するために連続波キャリブレーション源を組み込み、急激な天空/キャリブレーションの切替を必要としないようにする。
• CWキャリブレーション経路、温度安定化負荷、RFフィルタリング、LNA、および現場での反射測定のための統合VNAを含むシステム設計を記述する。
• Jodrell Bankでのスケーラブルなプロトタイプ構築計画を概説し、コリゲーテッド設計とピラミッド型のオプションの可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RHINOのホーン設計を60–85 MHzに限定することは、グローバルな21cm信号パラメータの回復にどのような影響を与えるか。
• RQ2 連続波キャリブレーション源は相関ゲイン変動を効果的に抑制し、Dickeスイッチングへの依存を減らせるか。
• RQ3 大型のピラミッド型ホーンで実現可能なビームパターン、リターンロス、サイドローブ/バックローブレベルはどの程度で、代替のコリゲーテッド設計とどう比較されるか。
• RQ4 天文サイト（Jodrell Bank）でのスケールダウンしたプロトタイプの実現可能性と概念検証における性能影響は何か。

主な発見

• 開口7.3 x 6.0 m、フレア高 4.3 mの大型ピラミッド型ホーンは、設計帯域全体で65–80 MHzのビームFWHMを約44°、リターンロスを10 dBを超えるでシミュレーション上得られる。
• ベースラインのホーン設計は、65 MHzでバックローブが約 −18.4 dB、サイドローブが約 −15 dBを示し、指定目標を外れており、追加の複雑さなしで低サイドローブを達成する難しさを強調している。
• コリゲーテッド円錐ホーン設計はサイドローブおよびバックローブ抑制を大幅に改善し（帯域全体で−30 dBより良好）、クロス極性も改善するが、全体サイズが著しく大きくなり建設の複雑さが増す。
• コリゲーテッド設計は広い帯域とより良いビーム対称性を約束するが、約10 mスケールのホーンの場合の複雑さと費用への影響を著者は認識している。
• 本プロジェクトには頻繁なスイッチングなしにゲインを監視できる新規の連続波キャリブレーション方式が含まれ、1/fゲイン変動を緩和する可能性がある。
• Jodrell Bankでプロトタイプが建設中で、設計とキャリブレーション手法の試験・改善計画がある。