Caratterizzazione in laboratorio di componentistiche a microonde

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1 Caratterizzazione in laboratorio di componentistiche a microonde Dott.ssa Paola Battaglia Dott. Cristian Franceschet Università degli Studi di Milano Dipartimento di Fisica

2 Cosa trattiamo oggi Caratterizzazione di componenti passivi Parametri di Scattering Es. misura di diagramma d antenna di feed-horn Caratterizzazione di componenti attivi Es. misura di risposta in banda e temperatura di rumore di un ricevitore Caratterizzazione dei ricevitori di Planck LFI

4 Componenti passivi di un ricevitore a microonde Illuminatori corrugati (feed-horn)

5 Componenti passivi di un ricevitore a microonde Trasduttori di ortomodo OMT Guide d onda

6 Parametri di scattering per un black-box 2-porte Caratterizzazione indipendente dal contenuto (resistori, linee di trasmissione, amplificatori, ecc.) Le porte sono i terminali della linea Tensione, corrente e potenza sono espresse in termini di onde e.m. che propagano in entrambe le direzioni

7 Parametri di scattering per un black-box 2-porte L onda incidente in porta 1 subisce una riflessione L onda trasmessa subisce perdite resistive

8 Parametri di scattering per un black-box 2-porte Riflessioni, Return Loss (S 11 ) S 11 = b a 1 1 a 2 = 0 RL S = ( ) ( ) 2 db Log RL = 10 S 11

9 Parametri di scattering per un black-box 2-porte Perdite, Insertion Loss (S 21 ) S 21 = b a 2 1 a 2 = 0 IL RL S = IL ( db) = S21 Log RL 10 2

10 Parametri di scattering per un black-box 2-porte Una rete lineare può essere caratterizzata da un set di equazioni simultanee che descrivono l onda uscente (b) da ciascuna porta, rapportata all onda incidente (a) S 11 = b a 1 1 a 2 = 0 S 12 = b a 1 2 a1= 0 S 21 = b a 2 1 a 2 = 0 S 22 = b a 2 2 a 1 = 0

11 Parametri di scattering per un black-box 2-porte L onda trasmessa e riflessa sono modificate in ampiezza e fase rispetto all onda incidente I parametri di scattering sono numeri complessi (Re ampiezza, Im fase) Generalmente l onda trasmessa e riflessa mantengono la stessa frequenza dell onda incidente

12 Parametri di scattering per un black-box 2-porte Rappresentazione algebrica dei parametri di scattering per un 2-porte coefficienti di trasmissione coefficiente di riflessione

13 Parametri di scattering per un black-box 4-porte Per un generico n-porte la matrice S contiene n 2 coefficieni (parametri S) Il numero di righe e colonne è uguale al numero di porte

14 Componenti passivi di un ricevitore a microonde Perdite e riflessioni dell assembly feedhorn+omt P1 P2 T sky + T amb P3

15 Componenti passivi di un ricevitore a microonde Parametri di scattering: perdite e riflessioni P1 P2 S 21 2 P loss T sky + T amb P3

16 Componenti passivi di un ricevitore a microonde Parametri di scattering: perdite e riflessioni P1 P2 T sky + T amb S 11 2 P rifl P3

17 Componenti passivi di un ricevitore a microonde Parametri di scattering: perdite e riflessioni P1 S 21 2 P loss P2 T V T sky + T amb S 11 2 P rifl P3 T H

18 Misura della risposta angolare di un feed-horn Il pattern d antenna di un feed-horn 0 Normalized GHz (db) E-pla ne H-p lane 45 -pla ne X-pol E-plane H-plane Scan Angle (deg)

19 Misura della risposta angolare di un feed-horn Camera anecoica: ambiente pulito dalle riflessioni (< -40 db) Antenna TX trasmette segnale polarizzato (es. campo E verticale) Antenna RX (DUT) esegue scansione angolare mediante posizionatore

20 Misura della risposta angolare di un feed-horn

21 Misura della risposta angolare di un feed-horn La misura viene effettuata modulando l'ampiezza del segnale in radiofrequenza con un'onda quadra a bassa frequenza (~1 KHz) Il segnale rilevato dal diodo collegato all'antenna e l'onda quadra vanno entrambi ad un amplificatore lock-in che seleziona, mediante un filtro passa banda, il segnale a bassa frequenza filtrando il rumore L'antenna è collegata ad un posizionatore (supporto rotante in azimuth) manovrabile da computer

22 Misura della risposta angolare di un ottica

24 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della risposta in banda di un ricevitore con Analizzatore Scalare HP 8757E Misura della temperatura di rumore con metodo Y-factor

25 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della risposta in banda di un ricevitore

26 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della risposta in banda di un ricevitore Generatore RF banda Ka (27-35 GHz)

27 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della risposta in banda di un ricevitore Divisore di potenza 3 db

28 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della risposta in banda di un ricevitore DUT = Device Under Test Gli attenuatori limitano la potenza in ingresso al DUT e al Detector

29 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della risposta in banda di un ricevitore Square Law Detector V out ~ P in

30 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della risposta in banda di un ricevitore Scalar Network Analyzer fornisce B, R o B/R (Gain in db nella banda scelta)

31 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della risposta in banda di un ricevitore Risposta in banda misurata (Planck GHz)

32 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della temperature di rumore T n di un ricevitore Disponendo di una sorgente di rumore calibrata è possibile misurare la T n mediante Scalar Network Analyzer

33 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della temperature di rumore T n di un ricevitore con metodo Y-factor Output power: P = G K B ν ( T in + T n ) Scelgo T 1 > T 2 (ad es. T amb = 300K e T N = 77K) P 1 > P 2 V out_1 > V out_2 Faccio il rapporto tra le tensioni al detector (~ P out ) Ricavo la T n (all ingresso, i.e. T sys ) Y = P P 1 2 T = T T + T n n T n T2 Y T = Y 1 1

34 Caratterizzazione di componenti attivi Misura della temperature di rumore T n di un ricevitore con metodo Y-factor P out ~ V out (V) T n T2 Y T = Y 1 1 V 1 P 1 Y = = P 2 V V 1 2 V 2 V n = GT n -T n T 2 T 1 T in (K)