[论文解读] 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 5

一句话总结

RHINO 提出一个大型角锥天线（60–85 MHz）来测量全球 21cm 中性氢信号，使用连续波校准信源来稳定增益，原型正在 Jodrell Bank 进行。

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.

研究动机与目标

• 激发并评估一个全球 21cm 信号实验，其设计独立于传统紧凑型天线和接地平面。
• 设计并评估一个适用于 60–85 MHz 的大型金字塔形/波纹喇叭天线及其波束、带宽和反射特性。
• 开发并描述一个连续波校准方案，以在不频繁切换的情况下监测并降低增益波动。
• 描述系统架构（外壳、校准负载、射频链路和控制），并勾画走向规模化原型的路径。
• 在理想化条件下预测物理 21cm 全球信号参数的恢复情况，并给出当前原型状态。

提出的方法

• 回顾喇叭天线理论并将其应用于 RHINO 的设计需求。
• 使用 CST Studio Suite 全波电磁仿真来优化金字塔喇叭并评估场模式、回波损耗和旁瓣。
• 定义具体设计要求（波束 FWHM、回波损耗、旁瓣/背瓣水平）并评估所选喇叭几何形状如何满足它们。
• 纳入连续波校准源以监测增益并在不进行快速天空/校准切换的情况下抑制相关增益波动。
• 描述系统设计，包括 CW 校准路径、温度稳定的负载、射频过滤、低噪声放大器，以及用于原位反射测量的集成 VNA。
• 概述在 Jodrell Bank 的可扩展原型建设计划，并讨论波纹式与金字塔式选项的潜在差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 将 RHINO 喇叭设计限定在 60–85 MHz 如何影响全球 21cm 信号参数的恢复？
• RQ2 连续波校准源是否能有效抑制相关增益波动并减少对 Dicke 开关的依赖？
• RQ3 大型金字塔喇叭能实现哪些波束模式、回波损耗以及旁瓣/背瓣水平，与替代波纹设计相比如何？
• RQ4 在天文站点（Jodrell Bank）进行缩小原型的可行性与对验证概念的性能影响？

主要发现

• 面向 65–80 MHz 的大型金字塔喇叭，孔径 7.3 x 6.0 m、喇叭张角高度 4.3 m，在仿真中其波束 FWHM 约为 ~44°，在设计带宽内回波损耗大于 10 dB。
• 基线喇叭设计在 65 MHz 时背瓣约为 −18.4 dB，旁瓣约为 −15 dB，超出指定目标，凸显在不增加复杂度的情况下实现低旁瓣的挑战。
• 一个波纹圆锥喇叭设计显著改善旁瓣和背瓣抑制（在带宽内更好于 −30 dB），并改善交叉极化，但整体尺寸更大且施工复杂度提高。
• 波纹设计有望实现更宽带和更好波束对称性，但作者承认对于约 10 m 规模喇叭的复杂性和成本影响。
• 该项目包含一种新颖的连续波校准方案，允许在不频繁切换的情况下监控增益，潜在地缓解 1/f 增益波动。
• 原型系统正在 Jodrell Bank 构建，计划测试并改进设计和校准方法。