Fig. A – Foto al microscopio delle connessioni tra mixer (a sinistra), amplificatore (al centro), filtro RF (a destra)
Per ottenere osservazioni sempre più sensibili, accurate e veloci, è necessario un incessante lavoro di progettazione meccanica ed elettronica. IRA è attivo nello sviluppo di tecnologie per i telescopi di tipo “dish”, quali: ricevitori multi-feed (che velocizzano la creazione di mappe e migliorano la calibrazione), tecnologie per recuperare le deformazioni gravitazionali delle antenne, ricevitori di nuova generazione (fino a 116 GHz). L’obiettivo principale è portare ad alta frequenza i radio telescopi INAF, aprendo a nuovi progetti scientifici.
Staff: C. Bortolotti, A. Cattani, F. Fiocchi, A. Maccaferri, G. Maccaferri, S. Mariotti, M. Morsiani, A. Orfei, A. Orlati, M. Poloni, S. Righini, J. Roda, M. Roma, A. Scalambra, G. Zacchiroli
Ricevitori Multifeed
Fig. B – Disegno all’interno del criostato del complessivo ricevitore 33-50GHz 19 pixel
I ricevitori a radio frequenza del tipo multi-feed sono catene riceventi multiple (fino a decine di unità), quanto più possibile geometricamente vicine tra loro. Soddisfano plurime esigenze scientifiche, quali la produzione di mappe radio del cielo estese, in tempi più contenuti e con una migliore accuratezza del dato acquisito rispetto alle classiche architetture a singolo o doppio feed, delle quali questa tecnologia può essere considerata un’evoluzione. Le catene riceventi osservano simultaneamente su un’identica banda di frequenza e si prestano particolarmente bene a essere realizzate a frequenze maggiori di 18 GHz, poiché le dimensioni della parte in guida d’onda (i feed, i polarizzatori e i separatori di polarizzazione) si riducono al crescere della frequenza. Da questo punto di vista è preferibile un’architettura che fa ricorso solo a guide d’onda. Se da un lato ciò consente una ben migliore prestazione dell’insieme con ingombri più compatti, dall’altro richiede una maggiore precisione nel progetto meccanico. La complessità meccanica ed elettrica dell’insieme è dovuta alla moltiplicazione della componentistica in un criostato di dimensioni contenute raffreddato a 20 K: per alimentare elettricamente gli amplificatori criogenici occorre instradare più di un centinaio di fili sottilissimi; la distribuzione del segnale di oscillatore locale ai mixer fa uso di tecnologia planare e microstriscia.
Tecnologie planari
Fig. C – Modulo aperto della conversione di frequenza
I ricevitori per radioastronomia sono stati tradizionalmente costruiti associando ogni funzione elementare a un componente specifico, fisicamente separato dagli altri e ad essi collegato tramite un connettore coassiale o, per le frequenze più alte, una guida d’onda. L’era dei ricevitori multi-feed apre nuove problematiche, prima fra tutte l’obbligatorietà di contenere le parti dei primi stadi riceventi dentro un criostato di dimensioni limitate, raffreddato a 20 K. Per andare incontro a questa esigenza, sono stati sviluppati circuiti integrati su materiali che consentono la propagazione di onde elettromagnetiche e correnti elettriche. Ciò che tipicamente si poteva includere in una scatola di svariati centimetri quadrati, può oggi essere realizzato su aree di qualche millimetro quadrato: amplificatori, mixer, interfacce per l’instradamento del segnale in ingresso e in uscita, filtri e molti altri dispositivi sono ora disponibili e collegabili non tramite connettori o guide d’onda, ma con minuscole saldature, talmente piccole da dover essere eseguite al microscopio. Il risultato è che parti essenziali di una catena ricevente possono essere tutte contenute in una scatola, nelle cui dimensioni un tempo si poteva collocare una sola funzione elementare. In questo modo la moltiplicazione dei ricevitori può avvenire in modo molto compatto.
Aggiornamento antenne fino alla banda 3mm
Fig. D – Disegno dell’attuatore elettromeccanico per la superficie attiva
Le odierne tecnologie consentono di aumentare considerevolmente, a un costo contenuto, la massima frequenza operativa di un radio telescopio già esistente. Questo apre a interessanti applicazioni scientifiche, senza implicare i ben maggiori costi e i lunghi tempi richiesti per la costruzione di una nuova antenna. Attualmente l’antenna da 32 metri di Medicina può lavorare fino a 26 GHz, con un degrado di efficienza d’antenna di circa il 60% rispetto al valore massimo (che è ottenibile a 5 GHz). La Superficie Attiva consentirebbe di massimizzare l’efficienza a 26 GHz, di rendere quasi ottimale quella a 43 GHz e di poter osservare fino a 116 GHz con un degrado del 60% rispetto al massimo, ripristinando la proporzione esistente ma a una frequenza quasi cinque volte maggiore. Per realizzare una Superficie Attiva occorre sostituire i pannelli dello specchio primario con nuovi a rms superficiale di 65 micron; costruire un nuovo specchio secondario con rms di 50 micron; costruire 240 attuatori elettromeccanici per muovere i pannelli in accordo a una mappa delle deformazioni gravitazionali, misurata a priori, della struttura di sostegno dello specchio. Questi attuatori saranno interconnessi e interfacciati a una rete di gestione che, remotamente, comanda il sistema al variare dell’elevazione dell’antenna. Insieme alla Superficie Attiva saranno costruiti nuovi ricevitori, che possono osservare in simultanea nelle bande da 18 a 116 GHz per mezzo di opportune ottiche di separazione di fascio.
Ricevitori 3-band
Fig. E – Illustrazione del ricevitore tribanda (K, Q W) per Noto, Medicina e SRT.
Le osservazioni VLBI nella banda 3 millimetri sono pesantemente influenzate dalle fluttuazioni di fase, che hanno l’effetto di ridurre il tempo di coerenza e, di conseguenza, la sensibilità. E’ stato dimostrato che le fluttuazioni di fase ad alta frequenza possono essere valutate e compensate per mezzo di dati acquisiti a più bassa frequenza, relativamente più stabili. Per risolvere questo problema è stato realizzato un ricevitore compatto in grado di osservare una sorgente simultaneamente in tre bande di frequenza, collocando nello stesso criostato catene riceventi a 18-26 GHz, 34-50 GHz e 80-116 GHz. Il fascio radio incidente, di per sé a larga banda, viene filtrato e instradato verso ciascuna di queste tre bande da un sistema ottico. Questa originale soluzione, nella sua versione compatta, consentirà di equipaggiare un certo numero di radio telescopi millimetrici che soffrono di spazio limitato nella cabina focale. Questo sistema è stato concepito e realizzato per la prima volta da KASI (Istituto di Astronomia e di Scienza dello Spazio della Corea del Sud) e la collaborazione esistente tra KASI e INAF consentirà ai radio telescopi italiani di Medicina, Noto e SRT di venire equipaggiati nel 2022 con tre Ricevitori Compatti a Tripla banda (CTR).
Crediti Immagini e figure:
Figure A, B, C, D – INAF-IRA
Figura E – KASI Korea Astronomy and Space Science Institute