[논문 리뷰] 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 Acedo외 68명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 06.

Radio Astronomy Observations and Technology인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 HERA Phase I의 안테나, RF 수신기, 케이블 및 상호 커플링 효과를 통합하여 시스템 크로마티시티를 모델링하는 공동 시뮬레이션 프레임워크를 제시한다. 분석 결과 150m 케이블이 강한 반사성을 유도하며, 상호 커플링은 어레이 전반에 걸쳐 신호 전파를 가능하게 하여 1400ns 이후 시스템 응답을 10⁴–10⁵ 배 감쇠시키며, 이는 150MHz에서 0.7 h Mpc⁻¹ 이상의 관측 가능한 EoR 모드를 제한하여 이전에 예상된 것보다 EoR 탐지가 더 어려워지게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• HERA Phase I에서 케이블 및 상호 커플링으로 인한 기구적 크로마티시티가 EoR 지연 파wer 스펙트럼에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• RF 구성 요소, 케이블, 어레이 전반의 상호 커플링을 포함한 전체 수신기 체인의 주파수 및 시간 도메인 응답을 모델링하기 위해.
• 이러한 영향이 EoR 신호의 관측 가능성, 특히 지연 파워 스펙트럼에 미치는 영향를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 전자기 및 전기 회로 모델을 사용한 HERA Phase I 수신기 시스템의 공동 시뮬레이션.
• 주파수 의존적인 응답과 임피던스 불연속성을 포함한 150m 전송 케이블의 반영.
• 전파 해석 기반의 전체 웨이브 전자기 시뮬레이션을 통한 인접 안테나 간 상호 커플링 모델링.
• S-파arameter 데이터에서 시간 도메인 응답을 추출하여 시스템 크로마티시티 평가.
• 지연 스펙트럼 분석을 통해 시스템 응답을 관측 가능한 k∥-모드로 매핑하기 위해.
• EoR 창 오염에 대한 이론적 기대치와의 비교를 통한 결과 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 150m 케이블의 반사는 시스템의 시간 도메인 응답과 EoR 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 안테나 간 상호 커플링은 어레이 전반에 걸쳐 신호 전파를 어느 정도 가능하게 하는가?
• RQ3 크로마티시티로 인해 시스템 응답이 크게 감쇠되기 시작하는 특성적인 지연 시간은 무엇인가?
• RQ4 케이블 반사 및 상호 커플링이 함께 작용할 경우 EoR 파wer 스펙트럼에서 관측 가능한 k∥-모드의 범위는 어떻게 제한되는가?
• RQ5 1400ns 이상의 지연에서 시스템 응답은 어느 정도 악화되며, 그로 인해 EoR 탐지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 150m 케이블은 어레이 크기와 안테나 위치에 따라 달라지는 특성 지연 후 시스템 응답을 10⁴ 배 감쇠시키는 상당한 반사를 유도한다.
• 상호 커플링은 어레이의 큰 부분을 감싸는 파동 전파를 가능하게 하여 시스템 응답 꼬리의 연장에 기여한다.
• 케이블 반사로 인해 1400ns 후 시스템 응답이 10⁵ 배 감쇠되며, 이는 관측 가능한 EoR 모드를 제한한다.
• 이 감쇠는 150MHz에서 0.7 h Mpc⁻¹ 이상의 k∥-모드가 억제됨을 의미하며, EoR 창의 다이내믹 레인지가 감소한다.
• 케이블 반사 및 상호 커플링의 병합 효과로 인해 시스템 크로마티시티가 증가하여 이전에 추정된 것보다 EoR 탐지가 더 어려워진다.
• 본 연구는 EoR 실험에서 체계적 오차를 완화하기 위해 필수적인 HERA Phase I의 기구적 응답에 대해 더 현실적인 모델을 제공한다.