Récepteurs pour la bande 275-373 GHz d’ALMA

26/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-1:19602
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Récepteurs pour la bande 275-373 GHz d’ALMA

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	    <date dateType="Created">Sat 26 Aug 2017</date>
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REE N°1/2012 ◗ 81 les radiotélescopes du futur Sylvain Mahieu, Doris Maier Institut de Radioastromie Millimétrique Introduction Les principaux objectifs scientifiques d’ALMA sont d’élucider les processus de formation des galaxies lors de la naissance de l’Univers, et de formation continue des étoiles et des planètes. La conception et la pro- duction des sous-systèmes ALMA ont été attribuées à des industriels ou instituts. L’IRAM a été choisi pour concevoir et produire 73 modules dans la bande 7 (275–373 GHz). Les spécifications techniques rédi- gées au début des années 2000 ont repoussé les limites de l’état de l’art de l’époque. A présent, en phase de production avancée, l’accent a été mis sur l’assurance qualité, le respect des délais et des coûts. Grâce à son acquit en radioastronomie millimétri- que et en interférométrie, l’IRAM était dans une po- sition unique pour atteindre les spécifications durant la phase de développement et les objectifs durant la phase de fabrication. Présentation du module de réception Le front end ALMA consiste en un cryostat refroidi à 4 K recevant 10 récepteurs enfichables appelés « car- touches » et couvrant les gammes de fréquences de 31 à 950 GHz. Un diagramme du module bande 7 est présenté dans la figure 1. Il inclut la partie froide (CCA), qui a été développée et produite à l’IRAM, et une partie chaude (WCA), développée par NRAO (USA) et fournie à l’IRAM par le projet ALMA pour les tests de validation. La partie froide consiste en un cryostat à trois étages, avec des températures de fonctionnement de 4, 15, et 80 K et une plaque de base à température ambiante. - L’étage à 4 K comprend : • L’optique froide, consistant en trois miroirs elliptiques désaxés et une grille de polarisation développés pour obtenir un couplage optimum des deux cornets vers le télescope dans les tolérances prescrites ; • Deux mélangeurs Supraconducteur-Isolant-Supra- conducteur (SIS), un par polarisation H et V, cou- vrant la bande RF 275-373 GHz. Chaque ensemble est suivi, au travers d’un coupleur hybride par deux amplificateurs FI faible bruit 4-8 GHz qui fournissent un signal converti des deux bandes latérales haute (USB) et basse (LSB) ; • Un court-circuit thermique pour les amplificateurs FI bas bruit 4-8 GHz montés physiquement sur l’étage 20 K et thermalisés sur l’étage 4 K pour une meilleur stabilité et performance en bruit ; • Une structure mécanique pour supporter ces élé- ments en position et dans des tolérances prédéfinies. Récepteurs pour la bande 275-373 GHz d’ALMA The Atacama Large Millimeter/Sub-millimeter Array (ALMA) will be composed of at least 65 high-precision antennas. In this framework, IRAM is responsible for the production (component procurement, assembly and test) of 65 production + 8 spare state-of-the-art receivers, covering the 275-373 GHz frequency range, called the ALMA Band 7 cartridges. Every single car- tridge has to go through thorough preliminary acceptance tests to make sure that they all meet the specifications imposed by the project. In order to achieve such a level of quality with high delivery rate, some product (PA) and quality (QA) assurance processes had to be put in place and fully automated test setups had to be implemented. Band 7 cartridge description, test set presentation and receiver performances are presented in this paper. abstract Le mélangeur est un dispositif essentiel des systèmes de réception qui, dans notre cas, convertit la fréquence du signal reçu afin de pouvoir le traiter (amplifier et filtrer) de manière efficace (fFI < fRF ). Le processus de mélange, intrin- sèquement non linéaire, permet le transfert d’énergie d’une fréquence d’entrée (fRF ) vers une fréquence de sortie (fFI ) à l’aide d’un second signal d’entrée, appelé oscillateur local (fOL ). Le mélangeur assure ainsi la fonction de transposition de fréquence, permettant de décaler en fréquence un signal sans modifier l’information dont il est porteur. 82 ◗ REE N°1/2012 les radiotélescopes du futur L’étage 15 K fournit seulement un court circuit thermique pour les harnais, les câbles coaxiaux FI, et les guides d’ondes OL, ainsi qu’un support mécanique pour les amplis HEMT (isolé thermiquement de l’étage). L’étage 80 K supporte les deux tripleurs OL, un par po- larisation, pour multiplier le signal 94,3 - 121,3 GHz en pro- venance d’un oscillateur local à température ambiante à la bande OL 283-365 GHz. Les courts-circuits thermiques des harnais sont aussi montés sur cet étage. La plaque de base supporte la carte de protection ESD et les traversés hermétiques FI, DC et OL. Banc de test automatisé - Spécifications techniques des modules de réception bande 7 Chaque module doit remplir un certain nombre de spé- cifications électriques et mécaniques, récapitulées dans le tableau 1. Afin d’être acceptée, chaque spécification sera vé- Figure 2 : Vue déployée d’un mélangeur double bande. Figure 1 : Schéma d’un module. REE N°1/2012 ◗ 83 Récepteurs pour la bande 275–373 GHz d’ALMA rifiée en utilisant un banc de test automatisé spécialement développé à cet effet par l’IRAM. Des procédures de test as- sociées à un plan de test détaillé ont été élaborées. - Banc de test automatisé Un banc de test automatisé a été développé pour vérifier d’une manière efficace et rapide la conformité aux spécifica- tions ALMA. La première année de production (2008) a été dédiée à la mise en place d’un second banc de test, afin de permettre une cadence importante de livraison d’un récepteur toutes les trois semaines. Un deuxième banc d’antenne a aussi été développé au cours de la production afin d’améliorer la pro- ductivité et éviter tout conflit entre les deux bancs. Le système de banc de test comprend quatre parties prin- cipales : • Un cryostat de test pour module de réception unique dé- veloppé par le National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) ; • Une chaîne d’amplification chaude qui comprend des filtres passe bande 4-8 GHz, des étages d’amplification, un filtre YIG ajustable de 50 MHz de bande passante et contrôlé par ordinateur pour échantillonner la bande FI 4-8 GHz ; • Un interféromètre de Martin Puplett pour caractériser les cartouches en termes de réjection de la bande image. Quelques charges chaude/froide sont aussi en place afin de calculer la température de bruit récepteur ; • Un scanner 2D, qui enregistre le signal en amplitude et en phase en champ proche de l’optique/cornets de la cartouche froide. Le cryostat et l’émetteur du banc d’antenne sont tous deux montés sur la même table optique afin de minimiser les effets des vibrations de la tête froide. La source de l’émetteur, basée sur un oscillateur local électronique ALMA développé au NRAO, est positionnée avec le vecteur champ électrique à 45° par rapport à celui auquel est sensible le récepteur afin que les diagrammes de rayonnement pour les deux pola- risations orthogonales, mesurées simultanément, partagent une origine consistante dans le plan X-Y, permettant ainsi de vérifier la spécification de pointage relatif ; • Cet équipement est utilisé pour caractériser le diagramme de rayonnement et les caractéristiques de pointage du ré- cepteur (co-polarisation, cross-polarisation, efficacité d’ou- verture, FWHM, pointage relatif) autant que la stabilité de phase échantillonnée à une seconde. Le diagramme en champ lointain est calculé à partir des mesures par une succession de calculs de FFT ; • Un programme Labview de contrôle et de monitoring pour les bancs de test. Les performances principales du module de réception. Au moment de la rédaction de ce document 48 récep- teurs ont été assemblés, testés et acceptés par le projet. Tous sont conformes et quelques résultats de test sont montrés dans cette section. - Température de bruit et réjection de la bande image Les figures 3 et 4 montrent respectivement les résultats de mesure de la température de bruit intégrée sur 4-8 GHz ainsi que les résultats de réjection de la bande image pour 38 récepteurs de production. On peut voir que les spécifica- tions sont atteintes avec une marge confortable. - Variance d’Allan et stabilité d’amplitude et de phase du récepteur • Variance d’Allan Nous utilisons la variance d’Allan afin de caractériser au mieux la stabilité en amplitude et en phase des récepteurs. Cet outil statistique est très employé dans l’étude de la sta- bilité des oscillateurs dans le domaine du temps et des fré- quences. Afin de pleinement caractériser la stabilité d’une source, la variance d’Allan est appliquée à différentes échel- les de temps. Le temps caractéristique de base est la période d’échantillonnage. La variance est calculée pour ce temps fondamental et pour tous les multiples de ce temps. Pour ce faire, les échantillons sont regroupés en fenêtres temporelles dont la taille correspond à un nombre entier d’échantillons. On calcule d’abord une moyenne des échantillons sur chaque fenêtre, puis on injecte la suite des moyennes dans l’équa- tion. Les résultats sont présentés sous la forme de courbes Propriété Performances requises Mélange Séparation de bande à polarisation linéaire Bande de fréquence RF 275-373 GHz Bande de fréquence OL 283-365 GHz Largeur de bande FI 4-8 GHz 2 SB bruit récepteur simple bande <147 K sur 80 % de la bande de fréquence RF < 221 K à toute fréquence RF < 300 K dans 370-373 GHz (bande étendue) Puissance FI totale intégrée sur 4-8 GHz -32 dBm…-22 dBm Variation puissance FI 4-8 GHz 5 dB p-p sur fenêtre de 2 GHz 7 dB p-p sur toute la bande Tableau 1 : Principales performances du module de réception bande 7. 84 ◗ REE N°1/2012 les radiotélescopes du futur Figure 5 : Mesures de la stabilité d’amplitude. Figure 6 : Mesures de la stabilité de phase. Figure 4 : Réjection de la bande image pour 38 récepteurs.Figure 3 : Température de bruit intégrée pour 35 récepteurs. REE N°1/2012 ◗ 85 Récepteurs pour la bande 275–373 GHz d’ALMA illustrant l’écart-type σAllan , normalisé par la valeur moyenne du signal, en fonction de la largeur des fenêtres temporelles, et ce , sur une échelle logarithmique. • Stabilité d’amplitude pour un module Les figures 5 et 6 montrent la stabilité d’amplitude et de phase d’un module, présentée en termes de variance d’Allan. - Diagramme de rayonnement du module de réception #46 La figure 7 montre l’amplitude et la phase du diagramme de rayonnement en champ proche d’un récepteur acquis avec le banc d’antenne et calculés en utilisant Mathcad. Conclusion Une approche plus industrielle pour assembler et tester des récepteurs à plus grande échelle qu’à l’accoutumée pour un institut de recherche a été mise en place à l’IRAM. Plus de la moitié des récepteurs ALMA bande 7 requis par le projet ALMA ont été produits en une paire d’années. Ces récepteurs atteignent des spécifications très serrées et sont livrés dans des délais jamais réalisés auparavant à l’IRAM. Ceci a été ren- du possible par l’implémentation de procédés d’assurance produits et assurance qualité et dans une large mesure grâce à l’automatisation des bancs de test. Références [1] ALMA Memo#357, S. Claude, “Sideband Separating SIS Mixer for ALMA Band 7, 275-370 GHz”, March 2001. [2] The ALMA Band 7 Mixer, D. Maier et al., 16th International Symposium on Space Terahertz Technology, May 2005. [3] The Band 7 Cartridge (275-373 GHz) for ALMA, S. Mahieu et al, 16th International Symposium on Space Terahertz Technology, May 2005. Figure 7 : Amplitude et phase du diagramme de rayonnement en champ proche de la Cartouche 46. Sylvain Mahieu est ingénieur en hyperfréquences dans le groupe récepteur de l’Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) de St Martin d’Hères. Après avoir travaillé deux ans et demi à Rutherford Appleton Laboratory (Chilton - Angleterre), puis cinq ans chez Motorola (Basingstoke - Angleterre) à développer des chaînes de réception pour différentes applications, il est entré à l’IRAM en 2003 pour développer les récepteurs ALMA Bande 7. Depuis 2009, il est en charge du suivi de la production de ces récepteurs. mahieu@iram.fr Doris Maier a obtenu ses M.S. et Ph. D. en physique à l’université de Cologne (Allemagne) en 1993 et 1996 respectivement. Elle est aujourd’hui responsable de l’équipe mélangeurs du groupe Front End de l’Institut de Radioastronomie Millimétrique, Saint Martin d’Hères (France), et collabore au développement d’instru- mentation submillimétrique pour la radioastronomie. les auteurs