tesis uch wvr

7/26/2019 Tesis Uch Wvr

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OPTIMIZACIN DE LA RAZN SEAL A RUIDO DE UN RECEPTOR A 115 GHZPARA FINES RADIOASTRONMICOS.

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

CRISTIN CLAUDIO VSQUEZ DROUILLY

PROFESOR GUA:JORGE MAY

MIEMBROS DE LA COMISIN:HELMUTH THIEMER

LEONARDO BRONFMANFERNANDO PAVEZ

SANTIAGO DE CHILEENERO 2007

Universidad de ChileFacultad de Ciencias Fsicas y MatemticasDepartamento de Ingeniera Elctrica


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RESUMEN DE LA MEMORIAPARA OPTAR AL TTULO DEINGERIERO CIVIL ELECTRICISTAPOR: CRISTIN VSQUEZ DROUILLYFECHA: 06 / MARZO / 2007PROF. GUA: Sr. JORGE MAY

OPTIMIZACIN DE LA RAZN SEAL A RUIDO DE UN RECEPTOR A 115 GHZ PARAFINES RADIOASTRONMICOS.

Esta memoria se enmarca en una iniciativa del Departamento de Astronoma de laUniversidad de Chile, la cual tiene por principal finalidad modernizar el receptor de altafrecuencia del radiotelescopio que opera en colaboracin con la Universidad de Harvard.

El receptor en cuestin es el 1.2m Southern Millimeter-Wave Telescope(SMWT), el cualha operado desde 1983 y est ubicado en Cerro Tololo Interamerican Observatory (CTIO), alinterior de La Serena, Chile.

Este receptor ha sido objeto de dos modificaciones y el objetivo de la presente memoria esestudiar una eventual tercera modificacin.

1. La primera modificacin fue la incorporacin de un nuevo oscilador del tipo Gunn, enreemplazo del oscilador local original del tipo Klystron.

2. La segunda modificacin fue la incorporacin de un amplificador HEMT en la primeraetapa de recepcin.

Y la tercera modificacin, que es la que concita el mayor inters dentro de la presentememoria, ser estudiar las tcnicas para la eliminacin de la banda imagen de la seal recibida porel receptor. Todas estas modernizaciones buscan alcanzar menores niveles de ruido, ampliar elrango de operacin del receptor y mejorar su sensibilidad.

Por otro lado, el conocimiento terico y prctico que se obtiene sobre los amplificadoresHEMT, los osciladores Gunn, las tecnologas de alta frecuencia y las alternativas existentes parasolucionar el problema de la banda imagen sern de gran utilidad en futuros proyectos.

Esta memoria logr mltiples objetivos, entre los que destacan:

La caracterizacin del funcionamiento del receptor del SMWT, tanto con su configuracinoriginal como con sus ltimas modernizaciones. Se caracteriz y estudi el receptor del SMWT para la eventual incorporacin de unmtodo capaz de solucionar el problema de la banda imagen, recomendndose un supresor debanda lateral o SSB fuera del termo. Adems, se recomienda incorporar un nuevo amplificador HEMT dentro del termo,aprovechando la experiencia lograda en la modernizacin previamente realizada en el receptor.

Esta memoria espera ser un aporte para vincular la ingeniera y la astronoma de nuestropas y as enfrentar los desafos que se presentarn en un futuro prximo con la instalacin enChile de los nuevos grandes proyectos radioastronmicos, los cuales nos obligarn a ser no sloespectadores o anfitriones de los mismos, sino tambin ser capaces de aportar en su desarrollo eimplementacin.


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Para mi abuelito Lucho, me hubiese gustado que estuviese aqu


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Agradecimientos

Pido disculpas, pues de seguro quedar mas de alguien fuera de esta pgina, son tantas laspersonas a las que le debo en cierta medida haber terminado mi memoria, que espero que de noaparecer aqu, no crean que me importan menos que las que si aparecen.

Quiero agradecer a mi familia, sin los cuales jams podra haber alcanzado esta meta,

tambin a Blgica, sin quien no habra perseverado en los momentos difciles.Agradezco de igual manera a mis amigos, talo, Francisco, Rodrigo, Priscila, Khalil,

Nicols, Daniel, Sebastin y Felipe, los cuales siempre estuvieron dndome nimo en los das deduro estudio.

Tambin quiero agradecer a los profesores que formaron parte en la comisinexaminadora de esta memoria, a don Jorge May, por brindarme la oportunidad de hacer estamemoria, por sus siempre enriquecedores comentarios y su confianza en m. A don LeonardoBronfman, por su siempre buena disposicin y confianza. A don Fernando Pavez, por su granvoluntad y paciencia al momento de aclarar mis inquietudes intelectuales y por su amistad.

Otras personas a las cuales no puedo dejar de mencionar y que me prestaron cooperacinal momento de entender conceptos que me presentaron dificultad son, Nicols Reyes, Mario

Vielma, Walter Max-Moerbeck, don Guillermo Cifuentes y don Fernando Olmos, gracias por sutiempo y ayuda.

Quiero realizar una mencin especial a gente que no participo directamente en laconfeccin de esta memoria, pero que sin sus consejos y palabras jams hubiese llegado a estainstancia, a don Nelson Zamorano, a don Humberto Fuenzalida, a don Nstor Becerra, donRoberto Aviles, don Ricardo Silva, Felipe Torres, a la seora Susana Garay, a la seora Lily Leal,a Jimmy, a la Sonia y a Johanna, muchas gracias por todo.

Tengan todos por seguro que pens en ustedes en algn momento de la confeccin de estamemoria.


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ndice general

1. Introduccin..... 11.1. Motivacin.. 11.2. Objetivos. 2

1.2.1. Objetivos generales 2

1.2.2 .Objetivos especficos. 21.3. Estructura del presente informe.. 3

2. Las seales provenientes desde el espacio. 42.1. Mecanismos de radiacin electromagntica.... 52.2. Deteccin de seales dbiles en la banda de microondas .. 8

3. Descripcin general de un radiotelescopio.... 103.1. Introduccin.... 103.2. Receptor superheterodino... 113.3. Ruido en recepcin. 13

3.3.1. Mecanismos de ruido. 133.3.2. Ruido del sistema... 153.3.3. Figuras de mrito del ruido.... 173.3.4. Rango dinmico. 19

4. Tecnologas de recepcin modernas en la banda milimtrica.. 214.1. Receptores a baja temperatura 214.2. Diodo Schottky.. 22

4.2.1. Principios de funcionamiento 224.2.2. Caractersticas elctricas 224.2.3. Caractersticas constructivas.. 23

4.2.4. Ventajas y desventajas de los diodos Schottky.. 244.3.High Electron Mobility Transistor: HEMT 25

4.3.1. Principios de funcionamiento 254.3.2. Comportamiento 264.3.3. Circuito equivalente.. 264.3.4. Diseos actuales 274.3.5. Eleccin del dispositivo 284.3.6. Ventajas y desventajas de los HEMT.... 29

4.4. Superconductor Insulator Superconductor: SIS. 304.4.1. Principio de funcionamiento.. 304.4.2. Caractersticas constructivas.. 31

4.4.3. Caractersticas de ruido.. 324.4.4. Ventajas y desventajas de los mezcladores SIS. 33

4.5.Hot Electron Bolometer: HEB 344.5.1. Principio de funcionamiento.. 344.5.2. Caractersticas constructivas.. 354.5.3. Ventajas y desventajas de los HEB 35

4.6. Tecnologas segn banda de frecuencia.. 36


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5. Receptor del 1.2m Southern Millimeter-Wave TelescopeSMWTColumbia-U. De Chile.................................. 37

5.1. Descripcin general del radiotelescopio. 375.2. Sistema receptor.. 38

5.2.1. Primera etapa o (front end) 385.2.2. Primera etapa de frecuencia intermedia. 39

5.2.3. Segunda etapa de frecuencia intermedia y espectrmetro. 395.3. Oscilador Local... 435.3.1. Oscilador local original.. 43

5.3.1.1. Principio de funcionamiento. 445.3.1.2. Caractersticas del Klystron usado en el oscilador 45

5.3.2. Modernizacin del Oscilador original del receptor por uno del tipo Gunn... 465.3.2.1. Principios de operacin del oscilador Gunn. 465.3.2.2. Caractersticas del oscilador Gunn 49

5.3.3. Comparacin con el Klystron 505.3.4. Principios de funcionamiento y especificaciones de los componentes del

oscilador local........................................................................................................... 505.3.5. Aspectos bsicos sobre elPhase Lock Loop.. 51

5.4. Amplificadores 545.4.1. Incorporacin del amplificador HEMT.. 555.4.2. Nuevo diseo delfront-enddel receptor del SMWT..... 56

5.5.Harmonic mixer.................................................................................................................. 575.6. Diplexor.............................................................................................................................. 575.7. Atenuadores........................................................................................................................ 585.8 Aislador............................................................................................................................... 595.9. Acoplador direccional. 605.10. Conectores y guas de onda... 615.11. Otros instrumentos en la misma banda de frecuencias. 62

6. Estudio realizado para solucionar el problema de la banda imagen.. 636.1. Explicacin del problema 636.2. Tecnologas disponibles.. 68

6.2.1. Mediante uso de Filtros.. 686.2.1.1. Principio de funcionamiento. 686.2.1.2. Ventajas y desventajas.. 706.2.1.3. Posibilidades de implementacin.. 706.2.1.4. Rediseo del receptor incluyendo un filtro... 72

6.2.2. Mediante tcnicas de digitalizacin... 736.2.2.1. Principio de funcionamiento. 736.2.2.2. Ventajas y desventajas.. 73

6.2.3. Mediante mezcladores separadores o elimina banda. 746.2.3.1. Principio de funcionamiento. 746.2.3.2. Ventajas y desventajas.. 776.2.3.3. Posibilidades de implementacin.. 78


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6.3. Eleccin de la tecnologa a usar en el receptor del 1.2mSouthern Millimeter-Wave Telescope (SMWT) Columbia-U. De Chile................ 796.3.1. Rediseo del receptor incluyendo un SSB. 796.3.2. Diagrama preliminar del SSB que necesita el receptor del SMWT... 816.3.3. Anlisis terico del ruido del receptor del SMWT operando DSB y SSB 816.3.4. Partes del SSB 84

6.3.5. Adquisicin de las componentes del SSB.. 856.3.6. Diseo de hbridos. 946.3.7. Problemas de diseo.. 986.3.8. Ideario de una eventual incorporacin de un SSB. 98

7. Conclusiones. 997.1. Conclusiones de los objetivos generales 997.2. Conclusiones de los objetivos particulares 99

Bibliografa....... 100

Anexo......... 103A.1 Transiciones rotacionales... 103B.1 ngulo slido. 107C.1 Barrera de Potencial... 108D.1 Tipos de HEB. 110D.2 Acopladores direccionales e Hbridos 113D.3 Microstrip... 118E.1 Otros radiotelescopios en la banda entre los 85 [GHz] a los 115 [GHz]... 120F.1 Diseo del SSB.. 133G.1 Hoja de datos H315 142G.2 Hot cold testo Y mtodo 143H.1 Pruebas realizadas al receptor........................ 144H.2 Anlisis del ruido del receptor del SMWT 152


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ndice de figuras

2.1: Radiacin recibida desde la fuente M82. 72.2: Transmisin atmosfrica en la banda submilimtrica,

donde cada color representa un nivel de humedad. 82.3: Simulacin del interfermetro ALMA 9

3.1: Detalle de la heterodinacin entre seales de frecuencia f1y f2......................................... 103.2: Receptor Superheterodino.. 113.3: Estructura tpica de un sistema receptor superheterodino

sin etapa de preamplificacin.. 123.4: Atenuacin debido a componentes gaseosos, niebla y precipitaciones

para las transmisiones a travs de la atmsfera... 163.5: Rango dinmico para un elemento tal como un receptor, mezclador o amplificador. 204.1: Corte transversal de un diodo Shottky tpico.. 234.2. Izquierda: Diagrama de bandas de energa de un HEMT genrico

Derecha: Estructura de un HEMT AlGaN / GaN 254.3: Circuito equivalente simplificado de un HEMT. 27

4.4: Medidas de ruido para un HEMT AlInAs / GaInAs / InP de ltimageneracin en funcin de la frecuencia... 29

4.5: Izquierda: bandas de energa de un SISDerecha: curva I-V donde se aprecia la fuerte no linealidad de estos dispositivos 31

4.6: Izquierda: Bloque mezclador con la cubierta removidaDerecha: esquema de un mezclador SIS. 32

4.7. Detalle de una juntura para un dispositivo HEB. 354.8. Comparacin de diferentes tecnologas de recepcin en cuanto a ruido y frecuencia 365.1: Izquierda: El telescopio en su ubicacin en el CTIO

Derecha: El receptor en el Laboratorio de Cerro Caln,donde se encuentra actualmente.. 37

5.2: Primera etapa ofront end 385.3: Primera etapa de frecuencia intermedia.. 395.4: Segunda etapa de frecuencia intermedia y espectrmetro.. 405.5: Diagrama completo del receptor del SMWT.. 415.6: Espectro tpico del CO obtenido usando el radiotelescopio SMWT.. 425.7: Estructura que tena el receptor del SMWT

con el antiguo oscilador local tipo Klystron....................................................................... 445.8: Esquema bsico de un Klystron.. 455.9: Caracterstica corriente-voltaje de un dispositivo Gunn. 465.10: Dispositivo Gunn en modo de tiempo de trnsito. 475.11: Dispositivo Gunn en modo de carga espacial limitada. 47

5.12: Ejemplo de configuracin de oscilador Gunn... 485.13: Otro ejemplo de configuracin de oscilador Gunn... 485.14: Oscilador Gunn de J. E. Carlstrom Co.............................................................................. 495.15: Potencia de salida versus frecuencia para el oscilador Gunn de J. E. Carlstrom Co.

(Datos reportados por el fabricante).. 515.16: Configuracin bsica de unPhase Lock Loop.. 515.17:Phase Lock Looppara oscilador Gunn de XL Microwave............................................... 525.18: Estructura que tiene el receptor del SMWT con el nuevo oscilador local tipo Gunn... 53


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5.19: Curvas de ganancia y figura de ruido (ambas en dB)en funcin de la corriente de bias(en mA)... 55

5.20: Amplificadores HEMT adquiridos gracias a la colaboracin entre laUniversidad de Chile y CALTECH.. 55

5.21: Estructura que tiene el receptor del SMWT luego de la incorporacindel amplificador HEMT y el aislador... 56

5.22:Harmonic mixerpara banda W dePacific Millimeter Products.. 575.23: Atenuador giratorio... 585.24: Atenuador para banda W.. 595.25: Funcionamiento del aislador (rotacin de Faraday). 605.26: Esquema de funcionamiento del acoplador direccional 615.27: Conectores de radiofrecuencia usados. De izquierda a derecha, BNC, N y SMA 616.1: Diagrama de bloques de un receptor similar al del SMWT donde se observa

el problema de la banda imagen. 636.2: Problema de la banda imagen. 646.3: Primer caso del problema de la banda imagen 656.4: Segundo caso del problema de la banda imagen. 666.5: Tercer caso del problema de la banda imagen 676.6: Filtro de Millitech que opera a 100 [GHz] (arriba) y su caracterstica

de ancho de banda (abajo) 696.7: Diagrama de bloques simplificado del receptor SAO. 716.8: Diagrama de bloques de la implementacin de un filtro en el receptor del SMWT.. 726.9: Diagrama de bloques de un SSB. 746.10: Separacin real de la banda lateral en dB..... 776.11: Diagrama de bloques de la implementacin de un SSB en el receptor del SMWT. 786.12: Diagrama preliminar del receptor con el mezclador de rechazo de imagen incluido... 806.13: Diagrama del SSB que se implementara en el SMWT 816.14: Diagrama del receptor actual 836.15: Diagrama del receptor con el SSB incluido.. 846.16: SSB dentro del termo con hbrido de RF.. 866.17: Hbrido RF de Millitech 866.18: Mezclador de Millitech. 876.19: TeesMillitech 886.20: Hbrido IF.. 886.21: Terminacin RF 896.22: Diagrama del receptor con el SSB dentro del termo. 896.23: Mezclador de Millitech. 906.24: Diagrama del receptor con el SSB fuera del termo... 916.25: SSB fuera del termo sin hbrido de RF. 926.26: Desfasadores modelos VPS-10-R0000 (izquierda) y

DRP-10-R0000 (derecha), ambos de Millitech. 926.27: Diagrama del receptor con el SSB fuera del termo... 936.28: Hbrido branchlinecon seis ramas... 966.29: Empalmes en forma de T del E-plano, interconectados por las guas de onda. 966.30: Circuito equivalente de un empalme en T del E-plano, dado por Marcuvitz... 966.31: Hbrido WR-10. 976.32: Valores medidos (MS) y simulados (QWB). 97


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A.1.1: Configuracin de una molcula diatmica. 103A.1.2: Distintos niveles de energa rotacional.. 104A.1.3: Modelo ms realista de una molcula diatmica,

donde la conexin entre tomos es como un resorte.. 105A.1.4: Diferentes estados vibracionales. 106B.1.1: Representacin de un ngulo slido 107

C.1.1: Barrera cuntica con anchura W en la direccin z.. 109D.1.1: Curva resistencia-temperatura de un dispositivo HEB real 111D.1.2.: Estructura del micropuente en un HEB del tipo diffusion-cooled.

Se ven claramente los electrodos de oro y el micropuente de Nb.El tamao de este dispositivo es 150 [nm] de largo por 75 [nm] de ancho... 112

D.2.1: Acoplador direccional en dos lneas de transmisinacopladas implementado en un microstrip.. 113

D.2.2: Hbrido de Wilkson. 114D.2.3: Hbrido de Lange 115D.2.4: Hbrido cuadrado 116D.2.5: Hbrido de anillo. 117D.2.6: Diseo de hbrido de anillo que aumenta el ancho de banda.. 117D.3.1: Lnea deMicrostrip. 118E.1.1: Arreglo de los preamplificadores del receptor SEQUOIA.. 120E.1.2: Diagrama de bloques del oscilador local del receptor SEQUOIA.. 121E.1.3: Grfico del ruido de un MMIC preamplificador versus la frecuencia (izquierda) y

un MMIC preamplificador (derecha) del receptor SEQUOIA... 121E.1.4: Grfico de las perdidas del aislador versus la frecuencia (izquierda) y

un aislador (derecha) del receptor SEQUOIA 122E.1.5: Grfico de la ganancia de conversin versus la frecuencia (izquierda) y

un diagrama del interior del mezclador (derecha) del receptor SEQUOIA... 122E.1.6: Instalaciones del receptor IRAM. 123E.1.7: Simulacin de las instalaciones del proyecto ALMA. 124E.1.8: Fotografa de las instalaciones de ATCA 126E.1.9: Radiotelescopio de MOPRA, ubicado en Australia 127E.1.10: Radiotelescopio de NANTEN, ubicado en Pampa la Bola, Atacama Chile. 128E.1.11: Temperatura de ruido y prdidas del receptor gemelo a temperatura ambiente 129E.1.12: Diagrama del receptor gemelo con elfront-endmodificado con dispositivos SIS

y HEMT. La seccin delimitada por lneas punteadas se encuentraenfriada a 4.2 [K].. 130

E.1.13: Radiotelescopio de Metshovi.. 131G.2.1: Esquema del hot cold testo Y mtodo 143H.1: Diagrama de conexin del receptor operando con el oscilador Klystron...... 146H.2: Diagrama de conexiones para prueba de oscilador Gunn en el laboratorio... 148H.3: Diagrama de bloques del receptor actual con su temperatura de ruido.......... 152


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ndice de Tablas

2.1: Principales lneas espectrales en la banda entre 85 [GHz] y 115 [GHz]segn laInternational Astronomical Union 5

5.1: Datos bsicos oscilador Gunn de J. E. Carlstrom Co. 505.2: Otros receptores que operan en la banda 85 [GHz] -115 [GHz]. 62

6.1: Temperaturas de ruido y ganancia de cada uno de los dispositivos actuales del receptor,en particular desde el FET hasta el horno bocina.. 82

E.1: Cuadro de caractersticas de los receptores ubicados en las instalaciones del IRAM 123E.2: Datos tcnicos del proyecto ALMA... 125E.3: Caractersticas de los receptores SEST.. 132E.4: Caractersticas de los espectrmetros de los receptores SEST... 132F.1: Caractersticas elctricas del hbrido escogido... 133F.2: Caractersticas mecnicas del hbrido escogido. 133F.3: Caractersticas elctricas del mezclador escogido.. 134F.4: Caractersticas mecnicas del mezclador escogido 134F.5: Caractersticas TeesAeronave............................................................................................ 135

F.6: Caractersticas TeesMillitech............................................................................................. 135F.7: Caractersticas Hbrido IF................................................................................................... 136F.8: Caractersticas elctricas de la terminacin RF escogida... 136F.9: Caractersticas mecnicas de la terminacin RF escogida. 137F.10: Caractersticas elctricas del mezclador escogido 138F.11: Caractersticas mecnicas del mezclador escogido.. 139F.12: Caractersticas elctricas del desfasador VPS escogido... 140F.13: Caractersticas mecnicas del desfasador VPS escogido. 140F.14: Caractersticas elctricas del desfasador DRP escogido.. 141F.15: Caractersticas mecnicas del desfasador DRP escogido. 141G.1: Hoja de datos H315............................................................................................................ 142

H.1: Parmetros iniciales del receptor (sin usar el HEMT)....................................................... 151H.2: Parmetros del receptor utilizando el HEMT (variando Vg). 151H.3: Situacin del receptor antes de la incorporacin del amplificador HEMT 152H.4: Situacin del receptor despus de la incorporacin del amplificador HEMT... 152H.5: Situacin del receptor ante la eventual incorporacin de un SSB

mas el amplificador HEMT actual. 153H.6: Situacin del receptor ante la eventual incorporacin de un SSB

mas dos amplificador HEMT. 153


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Glosario de siglas

2SB Sideband Separation ReceiverALMA Atacama Large Millimeter ArrayAOS Acousto-Optical Spectrometer

ATCA Australia Telescope Compact ArrayCCIR International Radio Consultative CommitteeCfA Center of AstrophysicsCNC Control Numrico ComputarizadoCO Monxido de carbonoCTIO Cerro TololoInteramerican ObservatoryDAS Departamento de AstronomaDSB Double Sideband ReceiverFCRAO Five College RadioAstronomical ObservatoryFET Field Effect TransistorsFI o IF Frecuencia Intermedia

H2 Molcula de hidrgenoHEB Hot Electron BolometerHEMT High Electron Mobility TransistorLNA Low Noise AmplifierLSB Low Side BandLSA Limited space-chargeLSR Local Standard of RestMDS Minima Seal DetectableMMIC Circuito Integrado Monoltico de MicroondasMPIfR Max-Planck-Intitut fr RadioastronomieOL o LO Oscilador Local

PLL Phase Lock LoopRD Rango DinmicoRF Radio Frecuencia

N

So SNR Razn seal a ruido

SAO Smithsonian Astrophysical ObservatorySIS Superconductor Insulator SuperconductorSMWT Southern Millimeter-Wave TelescopeSOFIA Stratospheric Observatory for Infrared AstronomySSB Single Sideband ReceiverUIT-R Unin Internacional de Telecomunicaciones

(Sector de Normalizacin de las Radiocomunicaciones)USB Up Side BandVCO Voltage Controlled Oscillator


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1. Introduccin

1.1. Motivacin

El Departamento de Astronoma de la Universidad de Chile (DAS), en colaboracin con laUniversidad de Harvard, ha operado desde 1984 un radiotelescopio para la banda milimtrica1, el

cual esta ubicado en Cerro Tololo Interamerican Observatory (CTIO), ubicado al interior de LaSerena, Chile. Este radiotelescopio fue diseado para observar a la frecuencia de 115.3 [GHz]permitiendo el estudiode la distribucin del hidrgeno molecular H2, por medio de la deteccinde la lnea de emisin2de la transicin3 01 =J de la molcula de monxido de carbono CO,que es un trazador4 del H2. Este radiotelescopio ha dado origen a importantes publicacionescientficas relacionadas con la estructura de la Va Lctea ([1], [2], [3], entre otras).

Actualmente el radiotelescopio se encuentra fuera de servicio, pues se han estadorealizando una serie de modificaciones que mejorarn su desempeo, permitiendo quenuevamente sea capaz de generar datos de inters cientfico y realizar labores de apoyo a ladocencia en astronoma e instrumentacin radioastronmica.

En efecto, el receptor del radiotelescopio 1.2m Southern Millimeter-Wave Telescope oSouthern Mini, Columbia-U. de Chile que a lo largo de la memoria recibir el nombre de SMWT 5y cuyo estudio es uno de los objetivos de esta memoria, ha sido objeto de dos modificaciones y sequiere estudiar una eventual tercera modificacin.

La primera modificacin fue la incorporacin de un nuevo oscilador6 del tipo Gunn enreemplazo del oscilador local original del tipo Klystron. La segunda modificacin fue laincorporacin de un amplificador7 HEMT en la primera etapa de recepcin. Y la terceramodificacin, que es la que concita el mayor inters dentro de la presente memoria, serestudiarlas tcnicas para la eliminacin de la banda imagen de la seal recibida por el receptor8. Todasestas modernizaciones buscan alcanzar menores niveles de ruido, ampliar el rango de operacindel receptor y mejorar su sensibilidad.

Por otro lado, el conocimiento terico y prctico que se pueda obtener sobre los

amplificadores HEMT, los osciladores Gunn, las tecnologas de alta frecuencia y las alternativasexistentes para solucionar el problema de la banda imagen sern de gran utilidad en futurosproyectos, ya que son estas tecnologas las que estn siendo ocupadas actualmente en losreceptores ms modernos del mundo.

1Seales cuya longitud de onda () son del orden del milmetro (mm), en particular desde los 2 [mm] hasta 3 [mm].2Banda brillante a una longitud de onda determinada del espectro, emitida directamente por la fuente, y que indicapor su longitud de onda un constituyente qumico de la misma.3Se recomienda revisar el anexo A.1 para entender el concepto de transicin rotacional.4 Trazador o indicador, la molcula de CO guarda una relacin emprica con la molcula de H2, por lo que la

presencia de CO implica una presencia proporcional de H2.5SMWT por su nombre en ingls Southern Millimeter-Wave Telescope.6Revisar parte 5.3. de la presente memoria para entender detalles de la funcin de un oscilador.7Revisar parte 5.4. de la presente memoria para entender detalles de la funcin de un amplificador.8Revisar punto 6.1. de esta memoria para entender en que consiste el problema de la banda imagen.


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1.2. Objetivos

En este trabajo se pretenden alcanzar mltiples objetivos, tanto tericos como prcticos,para ello se han dividido los objetivos en generales y especficos, los cuales se detallan acontinuacin.

1.2.1. Objetivos generales

Servir de marco de referencia y ser un real aporte para futuros ingenieros y cientficos quenecesiten entender el funcionamiento de un radiotelescopio tpico y en particular del receptor delradiotelescopio de onda milimtrica SMWT. Caracterizar el funcionamiento del receptor del SMWT con su configuracin original, osea con el antiguo oscilador local del tipo Klystron. Caracterizar el funcionamiento del receptor del SMWT con la configuracin alcanzadaluego de la primera modernizacin realizada en el DAS, o sea con el nuevo oscilador local deltipo del tipo Gunn.

Caracterizar el funcionamiento del receptor del SMWT con la configuracin alcanzadaluego de la segunda modernizacin realizada en el DAS, o sea con la incorporacin delamplificador HEMT.

1.2.2 .Objetivos especficos

Realizar un estudio comparativo de las tecnologas modernas utilizadas en la primeraetapa de recepcin en radiotelescopios, tales como los Superconductor Insulator Superconductor(SIS),High Electron Mobility Transistor (HEMT) y losHot Electron Bolometer (HEB). Se caracterizar y estudiar el receptor del SMWT para la eventual incorporacin de un

mtodo capaz de solucionar el problema de la banda imagen, luego de haber escogido una de lastecnologas estudiadas. Se har un diseo para la incorporacin de la alternativa escogida para solucionar elproblema de la banda imagen. Finalmente se propondr un ideario para la incorporacin de este mecanismo eliminadorde banda imagen tomando en consideracin las restricciones fsicas, elctricas y econmicas delreceptor del SMWT.


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1.3. Estructura del presente informe

El primer captulo busca ser una introduccin general al tema, explica las motivaciones yalcances que busca cubrir la presente memoria, adems define los objetivos tanto generales comoespecficos de la misma.

El segundo captulo es una introduccin a los principales objetivos que persigue la

radioastronoma.El tercer captulo entrega una descripcin de un receptor superheterodino 9, adems hacereferencia a los mecanismos de ruido involucrados al momento de analizar una sealradioastronmica.

En el cuarto captulo se estudiarn las tecnologas de recepcin en la banda milimtrica, enparticular de los diodos Schottky, amplificadores High Electron Mobility Transistor (HEMT),Superconductor Insulator Superconductor (SIS), Hot Electron Bolometer (HEB), finalmente serealizar un cuadro resumen de todas las tecnologas abordadas en la presente memoria segn subanda de frecuencia.

En el quinto captulo se realizar una descripcin detallada del receptor del SMWT,mostrando tanto su configuracin original, como la resultante de sus modernizaciones, lo mismoen lo que respecta a sus componentes. Tambin se revisarn instrumentos en la misma banda defrecuencias, entre los que destaca un radiotelescopio gemelo que tiene este receptor.

En el sexto capitulo se revisar el estudio realizado para solucionar el problema de labanda imagen, en este captulo se explicar en que consiste este problema, las distintastecnologas disponibles, sus ventajas y desventajas y se recomendar una de las tecnologas parasu implementacin en el SMWT, esta recomendacin incluir un rediseo del receptor incluyendola tecnologa escogida y un ideario para efectuar dicha incorporacin.

En el sptimo capitulo se describen las conclusiones de esta memoria, para ello seabordan cada uno de los puntos descritos en los objetivos.

A continuacin se incluye la bibliografa utilizada en la presente memoria.Finalmente se encuentra el anexo, aqu se abordarn en mayor detalle distintos aspectos

que se consideran tiles de explicar para la mejor comprensin de la presente memoria. Destacaen particular el anexo H.1, en el cual se describe una serie de pruebas que se le pueden hacer alreceptor, esto con la finalidad de que futuros operarios del mismo cuenten con una planificacindetallada para realizarlas.

9En el transcurso de esta memoria se har uso indistinto de los conceptos receptor heterodino y superheterodino,dado que ambos conceptos difieren solo del nivel de frecuencia en que trabajan los equipos y no de la idea que sequiere desarrollar.


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2. Las seales provenientes desde el espacio

Un sistema receptor en cualquier mbito de las telecomunicaciones esta formado por unconjunto de elementos que procesan una seal electromagntica recibida a travs de una antena,con el fin de rescatar informacin transportada por ella o simplemente para detectar su presencia,procurando agregarle la mnima distorsin posible.

En radioastronoma se busca alcanzar el mismo objetivo, salvo que las seales que sebusca procesar son generalmente muy dbiles, dado que son seales de origen remoto, las cualesllegan con muy baja intensidad, a diferencia de seales de telecomunicaciones terrestres que por

lo general poseen una alta razn de seal a ruido (N

S)10.

Fue as que en el mbito de las telecomunicaciones comerciales en el ao 1931 KarlJansky, un ingeniero en telecomunicaciones, descubri una extraa fuente de ruido que interferalas comunicaciones de radio transocenicas. En ese momento el origen de ese ruido pareciprovenir desde el espacio exterior, pero solo fue al cabo de algunos aos que se logr determinarel origen de dicho ruido, el cual provena desde el centro de nuestra galaxia.

Este descubrimiento dio pie para el advenimiento de nuevas tcnicas de observacinastronmica, la cual utiliza la informacin proveniente de nuevas bandas de frecuencia que hastaese momento no haban sido estudiadas, esta nueva tcnica se bautiz como radioastronoma.

La importancia de contar con este tipo de informacin proveniente desde estas bandas defrecuencias es que muchos objetos son visibles solamente en ciertas longitudes de onda, porejemplo el centro de nuestra galaxia es invisible en la banda ptica, sin embargo es visible en labanda RF.

El presente trabajo se concentrar en las tcnicas de observacin para la banda RF, enparticular en la banda que comprende desde los 85 [GHz] hasta los 115 [GHz].

Dentro de la radioastronoma son dos los tipos de seales que se desean detectar, una la deltipo emisin continuay la otra del tipo lnea espectral11.

El receptor del SMWT fue construido para observar lneas espectrales y como semencion anteriormente, est siendo modificado para observar la banda comprendida entre los 85[GHz] hasta los 115 [GHz]. En esta banda de frecuencias las principales lneas espectrales aobservar se listan en la Tabla 2.1.

10En realidad debera decirN

C, sin embargo, dado que los conceptos

C,

N

So SNR guardan una intima relacin

se usar indistintamente la notacinN

C,

N

So SNR para referirse a la razn seal a ruido, teniendo en cuenta que se

refiere a conceptos diferentes. Se recomienda mirar el punto 3.3.3 de la presente memoria para entender mejor esteconcepto.11Se recomienda mirar el anexo A.1 para mayor comprensin del tipo de seales que se desean detectar.


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Sustancia Frecuencia central[GHz]

Ancho de banda recomendado[GHz]

Silicon monoxide(SiO) 86.243 Desde 86.16 hasta 86.33Formylium(H13CO+) 86.754 Desde 86.66 hasta 86.84Silicon monoxide(SiO) 86.847 Desde86.76 hasta 86.93Ethynyl radical(C2H) 87.300 Desde 87.21 hasta 87.39

Hydrogen cyanide(HCN) 88.632 Desde 88.34 hasta 88.72Formylium(HCO+) 89.189 Desde 88.89 hasta 89.28Hydrogen isocyanide(HNC) 90.664 Desde 90.57 hasta 90.76

Diazenylium(N2H) 93.174 Desde 93.07 hasta 93.27Carbon monosulphide(CS) 97.981 Desde 97.65 hasta 98.08Carbon monoxide(C18O) 109.782 Desde 109.67 hasta 109.89Carbon monoxide(13CO) 110.201 Desde 109.83 hasta 110.31Carbon monoxide(C17O) 112.359 Desde 112.25 hasta 112.47Carbon monoxide(CO) 115.271 Desde 114.88 hasta 115.39

Tabla 2.1:Principales lneas espectrales en la banda entre 85 [GHz] y 115 [GHz] segn laInternational Astronomical Union.

2.1. Mecanismos de radiacin electromagntica

Segn la teora cuntica los tomos y molculas poseen ciertos niveles definidos deenerga. Es por ese motivo que un compuesto slo puede absorber y/o emitir fotones con unaenerga determinada o cuantizada, dada por la diferencia de energa entre dos estadospermitidos12. Como la energa de un fotn se relaciona con la frecuencia de ste por medio de la

frmula =E , donde =2

h, con h la constante de Planck13y es la frecuencia asociada al

fotn. Es as que se dice que en esa frecuencia se produce una lnea espectral de ese compuesto.

Por otro lado, debido a la agitacin trmica de las molculas de un cuerpo, dado a que esteno se encuentra a 0 [K], y al hecho de que los distintos elementos que componen este cuerpopueden emitir en frecuencias determinadas, se tiene que un cuerpo negro emitir una cantidad deradiacin en un intervalo que depende de la temperatura a travs de la Ecuacin (2.1).

( ) ( )1.2

1

2

2

3

=KT

h

ec

hI

En dicha ecuacin c14 representa la velocidad de la luz, h la constante de Planck, ( )I corresponde a la potencia radiada por unidad de ngulo slido 15y la frecuencia en Hertz.

12Se recomienda mirar el anexo A.1 para mayor comprensin de este punto.13Cuyo valor es [ ]SJh = 341063.6 .

14Cuyo valor es

=s

mc 458.792.299 .

15Se recomienda mirar el anexo B.1 para entender en que consiste un ngulo slido.


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Estos conceptos fueron rpidamente aplicados en la astronoma ptica, permitiendoanalizar la composicin qumica y la temperatura de numerosas fuentes hasta entonces noestudiadas, ms tarde fueronutilizados en otras bandas de frecuencia, en particular en la bandamilimtrica y submilimtrica16.

Es as que cuando un cuerpo se encuentra en movimiento emite un fotn de frecuencia 0 ,

este fotn es recibido con una nueva frecuencia , por un observador que se encuentra en reposo

respecto al cuerpo emisor. Este efecto se conoce como efecto Doppler. La relacin entre lafrecuencia recibida y la frecuencia original corresponde a la Ecuacin (2.2).

( )2.21

12

2

0

c

cv

=

Se observa que estas frecuencias estn relacionadas por medio de la velocidad radial v a laque se desplaza el cuerpo emisor respecto al observador. Utilizando este efecto es posible

encontrar la velocidad radial con que se aleja o acerca una fuente hacia el observador en reposo,pues se producir un corrimiento de las lneas espectrales que se observen, debido al cambioaparente de la frecuencia17.

En la banda de las microondas se realizan observaciones de lneas espectrales de distintasmolculas. En general se trata de transiciones rotacionales18, pues las transiciones de otro tipotienen mayor o menor energa y por tanto se producen en otras bandas.

Son de particular importancia las lneas del H2, pues este es el elemento ms abundante deluniverso y el cual da origen al nacimiento deestrellas. Lamentablemente, las lneas espectrales deeste elemento no son fciles de observar19, afortunadamente, se pueden utilizar las lneasespectrales del CO, pues este elemento es un trazador del H2. En esta banda tambin se realizanobservaciones de cuerpos que poseen bajas temperaturas, menores a 10 [K], pues el mximo de la

emisin de cuerpo negro de estos objetos ocurre dentro de la banda de las microondas. Este es elcaso de los estudios que se realizan sobre el fondo de radiacin csmica, que emite con unatemperatura de 2,7 [K].

Aparte de los mecanismos de emisin descritos anteriormente, que consisten en procesosde absorcin, emisin, o radiacin de cuerpo negro, existen otros mecanismos, llamadosmecanismos no trmicos. Dentro de ellos destaca la radiacin sincrotrnica20. Este tipo deradiacin cae en el rango inferior del espectro electromagntico, tpicamente en labanda RF.

En la Figura 2.1 se muestra la radiacin recibida desde la fuente M8221 en el rango defrecuencias RF, milimtrico, submilimtrico e infrarrojo lejano. En dicha figura se puedenapreciar los aportes realizados por los distintos mecanismos de emisin.

16Seales cuya longitud de onda () es del orden del micrmetro (m).17Se recomienda mirar el anexo A.1 para mayor comprensin de este corrimiento de las lneas espectrales.18Se recomienda mirar el anexo A.1 para mayor comprensin del significado de una transicin rotacional.19 Ya sea porque tienen baja probabilidad de ocurrir, por que no se polarizan frente a la accin de un campoelectromagntico externo o bien porque caen en zonas del espectro donde no existen ventanas de observacin.20Radiacin electromagntica emitida por una partcula con carga elctrica movindose en rbitas circulares avelocidades relativistas o cercanas a la luz en un campo magntico.21Galaxia irregular, alargada y estrecha, ubicada en la constelacin de la Osa Mayor. Se encuentra a unos 12 millonesde aos luz de la Tierra.


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Figura 2.1: Radiacin recibida desde la fuente M82.

En primer lugar se observa la forma de la curva principal, la que corresponde a unaemisin de cuerpo negro de alrededor de 100 [K]. En la banda RF se observa radiacin debida aprocesos no trmicos. En la banda milimtrica se encuentran las lneas espectrales de diversasmolculas, mientras que en el infrarrojo lejano se ubican las lneas espectrales de algunos tomos.

En el rango de las microondas existen dos tipos de receptores que son utilizadosusualmente en radioastronoma. Por un lado estn los bolmetros y por otro lado los receptores

coherentes o heterodinos.Los receptores del tipo bolmetros miden la cantidad de radiacin incidente utilizando unsensor trmico, el que aumenta su temperatura en funcin de la potencia detectada. Esta forma deoperar les confiere un gran ancho de banda, sin embargo no poseen resolucin en frecuencia, porello, se pueden utilizar para medir la temperatura de una fuente, pero no pueden ser utilizadospara estudios de lneas espectrales.

En cambio, los receptores coherentes poseen un ancho de banda ms angosto, pero tienenuna buena resolucin de frecuencia. Esto los hace idneos para realizar observaciones de lneasespectrales. Otra caracterstica de los receptores coherentes es que conservan la informacin defase de la onda incidente, pudiendo ser utilizados en interferometra.

El receptor que opera la Universidad de Chile en conjunto con la Universidad de Harvard

pertenece a esta segunda especie (receptor coherente). Es por ello que el presente trabajo seconcentrar en este tipo de receptores, dejando de lado los de tipo bolmetro.


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2.2. Deteccin de seales dbiles en la banda de microondas

Las seales provenientes de fuentes ubicadas en el espacio deben recorrer considerablesdistancias antes de llegar hasta la Tierra, luego deben atravesar la atmsfera, para finalmentellegar hasta la superficie terrestre. Este trayecto tiene como consecuencia que la potencia de estasondas sea extremadamente baja, debido a ello se hace necesario contar con tecnologas de

recepcin capaces de detectar estos bajos niveles de potencia. No obstante, algunas longitudes deonda son completamente absorbidas por los gases atmosfricos, especialmente por el vapor deagua que se encuentra en este, siendo imposible realizar observaciones en esas frecuencias.

Afortunadamente, existen una serie de ventanas atmosfricas que permiten observar en labanda de las microondas. En la Figura 2.2 se muestra la transparencia de la atmsfera, paradistintos niveles de humedad ambiental, estas transparencias se notan en que su valor detransmisin es distinto de cero para dicha frecuencia en particular.

Figura 2.2: Transmisin atmosfrica en la banda submilimtrica, donde cada color representa unnivel de humedad.

Otro problema que se presenta en la deteccin de las seales es que no basta con detectarlos fotones provenientes desde el espacio, sino que se desea saber exactamente desde dndeprovienen. Es por ello que se debe realizar un cuidadoso diseo de la antena receptora, de talforma que sta tenga una alta directividad, logrando as una buena resolucin angular. De todasformas, la mxima resolucin angular que se puede lograr viene dada por el tamao de la antena

parablica, debido a los efectos de la difraccin de las ondas electromagnticas. Este lmite para la

resolucin angular viene dado porD

= , donde D es el dimetro de la antena y es la

longitud de onda que se est observando.


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Entonces, para lograr una mejor resolucin angular se debe aumentar el tamao de laantena parablica, aumentando tambin el costo de la misma y la potencia de la seal recibida.

Otra solucin consiste en utilizar arreglos de antenas, conocidos como interfermetros, en

donde la resolucin angular viene dada porD

= , pero esta vez D corresponde a la distancia

entre las antenas, un ejemplo de interfermetro puede ser observado en la Figura 2.3.

Figura 2.3: Simulacin del interfermetro ALMA22.

Este trabajo no se concentrar en los problemas de diseo de una antena, sino que en la

resolucin del problema de detectar las seales en cuestin. Este problema tiene dos aristasprincipales.

1. Los bajos niveles de potencias que se deben detectar.2. Las altas frecuencias de estas seales.

Estos son resueltos por medio de un cuidadoso diseo del receptor y utilizandodispositivos electrnicos de ltima generacin, especialmente diseados para este tipo deproblemticas.

22ALMA por sus siglas en ingls,Atacama Large Millimeter Array.


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3. Descripcin general de un radiotelescopio

3.1. Introduccin

Un radiotelescopio consiste bsicamente en una antena que recoge las seales provenientes

de radiofuentes extraterrestres, un receptor que amplifica en una cierta banda dada y un calibradorque genera seales de referencia.Cuando una seal es recibida por un radiotelescopio que opera en la banda milimtrica,

esta no suele ser analizada directamente, ya que por una parte no existen dispositivos digitales quealcancen velocidades de procesamiento tan elevadas23y por otra parte las seales de inters sontan dbiles que no generan niveles de voltaje detectables para su digitalizacin. En el caso de estamemoria el receptor en el cual se trabajar opera en la banda comprendida desde los 85 [GHz] alos 115 [GHz]. Por este motivo, las seales deben ser bajadas en frecuencia antes de seranalizadas.

El mtodo comnmente utilizado es la heterodinacin, que consiste fundamentalmente enmezclar la seal de alta frecuencia proveniente del espacio con otra proveniente de un oscilador

local a una frecuencia cercana, la seal resultante es la suma o diferencia entre ambas seales,esto se puede ver esquematizado en la Figura 3.1.

Figura 3.1: Detalle de la heterodinacin entre seales de frecuencia f1y f2.

Con este mtodo se conserva su informacin de amplitud y fase pero con una portadora auna frecuencia menor, llamada frecuencia intermedia (FI o IF), que en el caso del receptor delSMWT corresponde a f1-f2, siendo f1la seal RF y f2la seal proveniente del oscilador local OL oLO.

Los receptores superheterodinos construidos para observar lneas espectrales aprovechanesta propiedad para bajar sucesivamente la frecuencia de la seal recibida, y por medio de filtros,lograr un ancho de banda adecuado para observar desplazamientos en frecuencia de lneasespectrales.

23Segn el teorema del muestreo si una seal continua, S(t), tiene una banda de frecuencia tal que fm sea la mayorfrecuencia comprendida dentro de dicha banda, dicha seal podr reconstruirse sin distorsin a partir de muestras dela seal tomadas a una frecuenciafs, siendofs> 2 fm.


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Por otro lado, los receptores superheterodinos tienen otras ventajas, tales como:

Las seales de alta frecuencia pueden ser reducidas a frecuencias en las que operandispositivos disponibles comercialmente, con la consiguiente reduccin de costos. Las seales pueden ser transportadas a una frecuencia intermedia fija (IF), con lo cual losdispositivos que vayan a continuacin del mezclador pueden ser de banda fija, facilitando su

operacin y disminuyendo costos. Se mejora la selectividad aritmtica24del receptor.

3.2. Receptor superheterodino

Un receptor superheterodino tiene mltiples representaciones, las cuales dependenprincipalmente de la aplicacin, otra representacin alternativa a la presentada en la Figura 3.1 esla que se observa en la Figura 3.2.

Figura 3.2: Receptor Superheterodino25.

En este esquema, la seal proveniente del espacio es preamplificada por un amplificadorde bajo ruido (LNA) antes de ser filtrada por un filtro de alta frecuencia, el cual purifica la sealantes de ingresar al diplexor, lugar donde la seal de RF se junta con la seal proveniente deloscilador local.

Posteriormente las dos seales entran juntas al mezclador o mixerdonde la seal es llevadaa una frecuencia menor, esto mediante el proceso heterodino. La seal de IF que sale delmezclador resulta de esta manera ms fcil de detectar y posteriormente procesar con mtodosdigitales tradicionales.

24Selectividad aritmtica se refiere a la capacidad de seleccionar una determinada banda de frecuencia medida enporcentaje de la frecuencia de operacin. Por ejemplo, si se tiene un filtro con un ancho de banda del 2%, lacapacidad de filtrado ser mayor para una frecuencia de 1 [GHz] (o sea un filtro con ancho de banda de 20 [MHz])que para una frecuencia de 100 [GHz] (en cuyo caso tendra un filtro con ancho de banda de 2 [GHz]).25Donde Sf representa la frecuencia de la seal de entrada,

,Sf la frecuencia filtrada, OLf la frecuencia generada

por el oscilador local (la que se mezclar con,

Sf ), IFf la frecuencia intermedia y mf la frecuencia muestreada.


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Entre los mltiples esquemas de un radiotelescopio, las mayores diferencias se presentanen la primera etapa, donde el filtro RF puede estar delante del LNA o incluso puede prescindirsede ambos dispositivos, dejando como primer elemento del receptor a un mezclador de muy altasensibilidad, esto para disminuir las prdidas que cada dispositivo introduce. En la Figura 3.3 sepuede apreciar la estructura tpica de un sistema receptor de esta clase.

Figura 3.3: Estructura tpica de un sistema receptor superheterodino sin etapa de preamplificacin.

En este caso la seal proveniente desde el espacio es confinada a una gua de onda pormedio del Horn o bocina, el cual generalmente se ubica en el foco de la antena. Como semencion anteriormente el proceso de conversin de frecuencia es realizado por el mezclador, elcual es un dispositivo no lineal que opera sobre la seal RF proveniente desde el espacio, y sobrela seal proveniente desde el oscilador local (LO o OL).

Como salida se obtiene la heterodinacin entre ambas seales, seleccionndose, por mediode un filtro pasa banda, una seal cuya frecuencia corresponde a la resta entre ambas, llamadafrecuencia intermedia IF o FI.

Esta seal intermedia (IF), tpicamente de algunos GHz es amplificada nuevamente, paraposteriormente ser procesada en la siguiente etapa. Por ltimo, la seal es procesada por medio deun espectrgrafo o un detector de ley cuadrtica, dependiendo de los propsitos del receptor.

En algunos casos se realiza un nuevo proceso de heterodinacin antes de realizar elanlisis final de la seal. El objetivo de este ltimo proceso es medir la cantidad de potenciarecibida por unidad de frecuencia. De esa forma es posible identificar lneas espectrales y elcorrimiento que stas presentan.


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3.3. Ruido en recepcin

En dispositivos electrnicos, el movimiento aleatorio de los portadores de carga generancorrientes y voltajes que varan aleatoriamente en el tiempo. Aunque su caracterstica aleatoriahace que sea imposible predecir su magnitud en un determinado momento, su comportamientopuede ser modelado como ruido blanco, ya que se presenta en todo el espectro de frecuencia.

Hay varios mecanismos por los cuales se genera ruido, sin embargo, hay tres que son losms importantes:shot noise, ruido trmicoyflicker noise (llamado tambin ruido 1/f).

3.3.1. Mecanismos de ruido.

Shot Noise:

Es un tipo de ruido que ocurre cuando un nmero finito de partculas que llevan energa,tal como electrones en un circuito o fotones en un dispositivo ptico, dan lugar a fluctuacionesestadsticas perceptibles en una medida. La intensidad de este ruido aumenta con la magnitudmedia de la corriente o la intensidad de la luz.

Tambin se puede interpretar como el ruido provocado por las fluctuaciones en el nmerode electrones que pasan a travs de una barrera de potencial26. Esto provoca corrientes quefluctan en torno a una corriente promedio I.Luego,el cuadrado de la corriente que provoca elshot noise se calcula con la Ecuacin 3.1, donde e27 es la carga del electrn y B el ancho debanda:

( )1.322 eIBiSh =

Ruido Trmico:

El ruido trmico (o ruido de Johnson) es importante en telecomunicaciones y otrossistemas electrnicos, este corresponde al ruidoproducido por el movimiento de los electronesenlos elementos integrantes de los circuitos, tales como conductores, semiconductores, tubos devaco, etc. Se trata de un ruido blanco, es decir, uniformemente distribuido en el espectro defrecuencias.

Este ruido es producto del movimiento de los portadores dentro de un dispositivoelectrnico. La potencia de ruido trmico ( )Tn , es usualmente expresada en dBm como ( )TN y esel producto entre la constante de Boltzman28(k), la temperatura del sistema en grados Kelvin (T)y el ancho de banda del ruido del sistema en Hertz (bn). El ancho de banda de ruido del sistema(bn) es ligeramente distinto al ancho de banda del sistema (B). De esta forma:

( )2.3nT kTbn =

26Ver anexo C.1 para entender mejor el concepto de barrera de potencial.27Cuyo valor es [ ]Ce 1910602.1 = .

28El valor de la constante de Boltzman es .K

J101.38 23-

=k
http://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicacioneshttp://es.wikipedia.org/wiki/Ruido_%28f%C3%ADsica%29http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ruido_%28f%C3%ADsica%29http://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicaciones


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( ) ( )

( )3.3

=

Hz

Wn

WnHzb

avepk

avenot

n

Donde ( )Wn avenot es la potencia promedio del ruido trmico del sistema sobre todo el

espectro,

HzWn avepk es la potencia promedio peakdel ruido trmico sobre 1 [Hz] de ancho de

banda y k es la constante de Boltzman.

Flicker Noiseo 1/fNoise:

El Flicker Noise o 1/f Noise, es una seal con un espectro de frecuencia, tal que ladensidad espectral de la energa es proporcional al recproco de la frecuencia. Ocurre en muchoscampos del estudio y toma su nombre de encontrarse entre el ruido blanco y el ruido rojo otrmico.

Es el ruido producido por un conjunto de fenmenos fsicos tales como:

Fluctuaciones en la movilidad de electrones. Radiacin electromagntica y ruido cuntico.

La caracterstica de este ruido es que decrece en forma proporcional a la frecuencia, por

eso su segundo nombre

f

1. En receptores de banda milimtrica este ruido es despreciable en

comparacin al ruido trmico.


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3.3.2. Ruido del sistema

En el sistema receptor existen mltiples orgenes para el ruido, es as que al ruidogenerado por las mltiples etapas del receptor se le llama ( )eT , tambin existe el ruidoproveniente de la antena, el cual est en trminos de la temperatura de la antena ( )AT , luego setiene que la temperatura del sistema antena-receptor ( )ST es:

( )4.3eAS TTT +=

La temperatura de antena29 ( )AT proviene de distintas fuentes y es captada en la antena porel lbulo30 principal. La magnitud de este ruido est relacionado directamente con lascaractersticas propias de la antena, siendo la directividad uno de los factores ms relevantes. Porotra parte la temperatura de antena depender de la direccin en la que se apunte elradiotelescopio.

En observaciones de banda milimtrica, las fuentes de ruido ms importantes son:

1. El ruido generado por la atmsfera (ver Figura 3.4).2. El ruido debido a la temperatura de la Tierra.3. El ruido de radiofuentes de gran intensidad en el espacio, tales como el Sol, la Luna, losplanetas, etc.4. El ruido generado por el hombre debido principalmente a seales de telecomunicaciones confrecuencias cercanas a las que se desea detectar.5. Ruido generado por el receptor, en particular en su primera etapa (front end).

29 Una antena se comporta como una resistencia, es as que la potencia recibida en la antena es directamenteproporcional a la temperatura de la regin a la que apunta el haz de la antena, para mayores detalles ver [37].30Lbulo de mayor importancia que resulta al momento de confeccionar un diagrama de radiacin de la antena.


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Figura 3.4: Atenuacin debido a componentes gaseosos, niebla y precipitaciones para lastransmisiones a travs de la atmsfera31.

La temperatura de antena de un radiotelescopio apuntando al cielo depender de lafrecuencia en que se est trabajando, ya que la atmsfera ser ms o menos ruidosa.

En la banda milimtrica la atmsfera tendr una temperatura de ruido que puede variarentre 250 [K] y 600 [K] dependiendo de la elevacin en que se apunte con la antena, esto si setienen buenas condiciones atmosfricas. Con esto, la temperatura de antena vendr dada por:

La temperatura debido a la atmsfera. La temperatura de fondo csmico. El ruido que ingresa por los lbulos laterales y trasero. Y la temperatura dada por la fuente en cuestin, la cual aporta la fraccin ms pequea.

Para observaciones radioastronmicas, en las cuales las fuentes observadas son muy

dbiles, cualquier ruido externo a la seal que ingrese perjudicar fuertemente la razn NS de la

seal captada.

31Figura 4 del informe 719 del (CCIR) UIT-R.


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3.3.3. Figuras de mrito del ruido

Es importante tomar en cuenta que el ruido, como cualquier otra seal, ser atenuado oamplificado. Adems, todos los componentes en el receptor aadirn ruido.

Como se ver mas adelante la magnitud de la contribucin de ruido por cada componentedel receptor ser ms alta mientras ms cercana a la antena se encuentre, de esta forma, se hace

imprescindible tener niveles de ruido lo ms bajo posible en las primeras etapas de recepcin.La calidad de una seal con respecto al ruido que trae se mide en trminos de la razn

seal a ruido

N

SoSNR la cual tiene la siguiente expresin:

( )5.3deseadonoruidodelPotencia

deseadasealladePotenciaSNR=

La calidad de una seal se ve degradada mientras mayor sea la potencia del ruido nodeseado en relacin a la seal que se desea detectar.

En radioastronoma, el ruido tiende a enmascarar las dbiles seales del espacio, limitandola sensibilidad del sistema receptor.

El factor de ruido ( )fn es la razn entre la relacin seal a ruido a la entrada y a la salidade un dispositivo, mientras que la figura de ruido ( )NF es el factor de ruido pero en decibeles. Latemperatura de ruido ( )Tn es la conversin del factor de ruido a una temperatura de entradaequivalente32, que de existir producira cierta potencia de ruido de salida, esta temperatura deruido se calcula a partir del factor de ruido ( )fn y la temperatura ambiente33 ( )0T la cual seexpresa en Kelvin. Para disminuir la temperatura ambiente se suele criogenizar el receptor34, esdecir enfriado. El factor de ruido se calcula generalmente para un ancho de banda de 1 [Hz] paraluego ser ajustado al ancho de banda del filtro.

( )6.30

0

0 i

i

i

salida

entrada

gn

n

N

S

N

S

SNR

SNRfn ===

( ) ( )7.3log10 fnNF =

( ) ( )8.310 = fnTTn

32 Las ecuaciones que relacionan la temperatura de entrada equivalente ( )Tn con el factor de ruido ( )fn son:

0

1T

Tf nn += , luego ( )[ ]dBfNF nlog10 = , con T0la temperatura ambiente expresada en grados Kelvin.

33Cuyo valor es T0 = 290 [K].34Tanto en Nitrgeno como con Helio, ambos en estado lquido.


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Donde 0n es el ruido a la salida de un dispositivo, in es el ruido de entrada del mismo yg

es la ganancia de este dispositivo. Por convencin se usar temperatura de ruidocuando se hablade antenas y figura de ruido cuando se habla de receptores y toda su electrnica asociada.

Cuando se trabaja en receptores con sus elementos dispuestos en cascada, como es el casode los receptores heterodinos, el factor de ruido total del sistema ( )Tf (3.9) se calcula tomandolos factores de ruido ( )nf y ganancia ( )ng de cada elemento individual.

De esta forma, el clculo se hace tomando los factores de ruido en cada etapa y se dividenpor la ganancia total que los precede. De igual manera, de la Ecuacin 3.8 se desprende unarelacin anloga para la temperatura de ruido(3.10) en sistemas en cascada. Estas relaciones sonlas siguientes:

( )9.31

......11

21

3

1

21

++

+

+=

n

n

Tg

f

gg

f

g

fff

( )10.3......21

3

1

21

++

++=n

n

Tg

T

gg

T

g

TTT

De (3.9) y (3.10), es claro que la ganancia y figura de ruido son crticas en la primera etapadel receptor, o sea la etapa cercana a la antena y de esto depender un buen comportamiento detodo el sistema receptor.

Si la tecnologa lo permite, el uso de amplificadores de bajo ruido (LNA) y alta gananciaen la primera etapa del receptor puede ser muy ventajosa para enmascarar el ruido provocado porlas etapas siguientes. Ahora, lo que interesa es encontrar el nivel de ruido que se tiene a la salidadel receptor.

Tomando el equivalente en decibeles del factor de ruido se obtiene una expresin para elruido de salida ( )0N , donde el ruido de entrada ( )iN est en dBm y la figura de ruido ( )NF y laganancia (G) estn en dB. Esto implica que el ruido de entrada es amplificado por la figura de

ruido y la ganancia. Aqu el ruido de entrada ( )iN se calcula a partir de la temperatura de ruido dela antena ( )AT , el ancho de banda (B) y la constante de Boltzman (k).

( )11.30 iNGNFN ++=

( )12.3BkTN Ai =

Luego, para encontrar el ruido generado en una etapa particular n slo basta hacer elsiguiente clculo:

( )13.30 in GNNN =


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3.3.4. Rango dinmico

Se define el rango dinmico(RD35) como el rango deseable de niveles de potencia de laseal en el cual un dispositivo tal como un receptor, amplificador o mezclador operarcorrectamente. El RD ser funcin de la potencia de entrada y la potencia de salida, los cualesdefinen un backoff de entrada y otro de salida, el RD estar limitado inferiormente por el ruido y

superiormente por el lmite de saturacin del dispositivo. Para potencias de entrada sobre esterango, la seal de salida comenzar a saturarse36, y para niveles de seal de entrada menores aeste rango la seal se volver indetectable debido a que la seal se confundir con el ruido.

En la Figura 3.5 se muestra el rango dinmico de un dispositivo real, cabe la pena destacarque en el caso de un amplificador, el RD se calcula para la seal RF de entrada, en cambio para elsistema receptor y para el mezclador la curva se calcula para la seal FI. En la misma figura se veel noise floor o ruido de piso ( )iN dado por el ruido trmico de entrada, la mnima sealdetectable ( )MDS que depender de las caractersticas del sistema y el punto de compresin 37.

Con esto en cuenta, se puede definir el rango dinmico (RD) de un receptor en funcin deun punto de compresin de 1 [dB] en funcin de la potencia de entrada (3.14) o la potencia desalida (3.15). Aqu G y L son ganancia y prdidas, respectivamente.

[ ] ( )14.31, MDSPRD dBin =

[ ] ( )15.31, MDSLGPRD dBout +=

35Desde ahora en adelante se usar esta nomenclatura para referirse al rango dinmico.36O sea la respuesta del dispositivo dejar de ser lineal.37El punto de compresin de seal de 1 [dB] es aquel punto de la Figura 3.5 en el cual las perdidas de conversin seincrementan en 1 [dB] de la caracterstica ideal, tambin se define como el punto mximo aceptable donde la sealsigue siendo relativamente lineal.


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Figura 3.5: Rango dinmico para un elemento tal como un receptor, mezclador o amplificador.


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4. Tecnologas de recepcin modernas en la bandamilimtrica

4.1. Receptores a baja temperatura

En los sistemas de recepcin y radioastronoma se debe contar con una alta sensibilidadcapaz de detectar las muy pequeas variaciones en la temperatura de antena, ya que latemperatura aportada por una fuente observada puede ser slo una pequea fraccin de la sealtotal recolectada. La diferencia mnima de temperatura38 minT que puede ser captada estrelacionada directamente con la temperatura del sistema. De las Ecuaciones 3.9 y 3.10 sedesprende la importancia de tener bajos niveles de ruido en la primera etapa de recepcin. Laantena capta una temperatura que consiste en la suma de ruido atmosfrico, fondo csmico y laseal de inters en cuestin. Por este motivo, las tecnologas han evolucionado en los ltimos aospara crear dispositivos que reduzcan las influencias de ruido trmico generado por los elementosdel receptor39.

Entre los dispositivos que cumplen las caractersticas de bajo ruido previamente

mencionadas destacan los mezcladores de diodo Schottky40, mezcladores superconductor-insulator superconductor

41(SIS), los hot electron bolometers42(HEB's), transistores de efecto decampo (FET's), heteroestructuras FET (HFET's, HEMT's43), etc. De ellos, tanto los SIS's comolos HEB's funcionan nicamente a temperaturas criognicas (por lo que deben ser enfriados conhelio lquido para lograr su temperatura de operacin). Los dems, son enfriados para mejorar eltransporte de electrones y reducir la influencia del ruido trmico generado por los elementosparsitos en estos dispositivos.

Para lograr bajas temperaturas en el receptor se utilizan termos con elementos refrigerantestales como nitrgeno lquido (77 [K]) y helio lquido (4.2 [K]), con el objetivo de mantener a bajatemperatura los dispositivos que se introducen en l. Estos termos son llamados cristatos. Loselementos refrigerantes se localizan en cmaras selladas al vaco que mediante un mecanismo de

conduccin trmica enfra la base sobre la cual son montados los dispositivos que se requiereenfriar.

38LFHF

sys

tf

TT

= min Donde sysT es la temperatura del sistema, HFf el ancho de banda en la

regin de alta frecuencia y LFt es el tiempo de integracin en baja frecuencia, justo antes de ingresar al

detector.39Ver pie de pgina 32 para entender la relacin entre ruido y temperatura.40Mirar punto 4.2. de esta memoria para una descripcin de este dispositivo.41Mirar punto 4.4. de esta memoria para una descripcin de este dispositivo.42Mirar punto 4.5. de esta memoria para una descripcin de este dispositivo.43Mirar punto 4.3. de esta memoria para una descripcin de este dispositivo.


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4.2. Diodo Schottky

Los diodos Schottky son ampliamente usados en radioastronoma como mezcladores,multiplicadores y detectores en el rango milimtrico y submilimtrico.

Este tipo de diodo se destaca por su alta velocidad de conmutacin, cualidad que losmantuvo durante aos como la tecnologa ms usada en mezcladores de alta frecuencia.

Sin embargo, debido a sus altos requerimientos de potencia (del orden de los mW) y susniveles de ruido, han sido reemplazados progresivamente por los mezcladores SIS (dispositivosque alcanzan velocidades de conmutacin del orden del THz) y por mezcladores HEB (afrecuencias aun superiores), ambos diseados con materiales superconductores.

El mezclador utilizado en el receptor del SMWT tiene un diodo del tipo Schottky.

4.2.1. Principios de funcionamiento

Este diodo est formado por la unin de un metal con un material semiconductor. Este tipode unin, con un pequeo almacenamiento de carga, le proporciona caractersticas apropiadaspara aplicaciones de alta frecuencia.

Su funcionamiento se basa en la diferencia de las bandas de energa del metal y delsemiconductor. Un metal como el platino (Pt) u oro (Au), acta como material aceptador deelectrones, cuando est unido al semiconductor, el cual puede ser Si n+ GaAs n+. De estaforma, cuando el metal est conectado al semiconductor de tipo n, los electrones delsemiconductor se difunden inicialmente al metal. Luego, el silicio estar empobrecido deelectrones cerca de la unin y adquirir un potencial positivo.

Posteriormente, este mismo potencial impedir la difusin de electrones. Ahora, si seaplica una tensin positiva suficientemente grande entre el metal y el semiconductor, apareceruna circulacin neta de electrones entre sus terminales.

4.2.2. Caractersticas elctricas

El diodo Shottky puede ser modelado como una resistencia hmica en paralelo a unacapacitancia no lineal. Para fines prcticos, la curva caracterstica corriente-voltaje (I-V) puedeser descrita por:

( ) ( )1.4

= kTqV

sjj

j

eIVI

Donde: jI y jV son la corriente y voltaje de juntura respectivamente, sI es la corriente de

saturacin inversa, q es la carga de un electrn, k es la constante de Boltzman, T es la temperatura

absoluta en Kelvin y es un factor relacionado con lo ideal que sea el diodo. Siendo =1 para undiodo ideal y =1.05 para un buen diodo real.

En cuanto a su velocidad de operacin, los diodos Schottky estn limitados por sufrecuencia de corte dada por la siguiente ecuacin:

( )2.42

1

0jsc

CRf

=


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En este caso, la mxima frecuencia de operacin est relacionada con Cj0, que es lacapacidad de la juntura a voltaje cero y sR es una resistencia shunt

44, ambos parmetros son

intrnsicos a la construccin de la juntura.Cabe mencionar que, aunque la frecuencia de corte de un diodo Shottky puede llegar

tericamente a 2 [THz] para diodos comunes y 4 [THz] para diodos de alta velocidad, esto nogarantiza que un dispositivo, tal como un mezclador, que utilice estos diodos operar a tales

frecuencias. En un mezclador, su frecuencia de corte viene dado por el circuito completo, por loque no es recomendable tomar la frecuencia de corte del diodo como parmetro para caracterizarla velocidad que puede alcanzar el mezclador.

4.2.3. Caractersticas constructivas

Los diodos Schottky se construyen depositando delgados substratos entre el nodo y elctodo del dispositivo. Los substratos se componen de materiales semiconductores, tales como Siy GaAs, los cuales son dopados en la etapa de fabricacin. El nodo y ctodo en tanto seconstruyen de metal, siendo el oro (Au) el material ms empleado.

Estos dispositivos se construyen con tcnicas litogrficas que han ido mejorando durantelos ltimos aos, principalmente para lograr la mejor calidad posible en los contactos hmicos.Un esquema de un diodo Schottky cortado transversalmente muestra las distintas capas queseparan el nodo y ctodo y da una idea de las dimensiones de las capas que lo componen.

Figura 4.1: Corte transversal de un diodo Shottky tpico.

44Corresponde a una carga resistiva a travs de la cual se deriva una corriente elctrica. Generalmente la resistenciade un shunt es conocida con precisin y es utilizada para determinar la intensidad de corriente elctrica que fluye atravs de esta carga mediante la medicin de la diferencia de tensin (voltaje) a travs de ella, valindose de ello pormedio de la ley de Ohm.


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4.2.4. Ventajas y desventajas de los diodos Schottky

Una de las principales ventajas que tienen estos dispositivos en aplicaciones de RF, frentea todos sus competidores, es que han sido ampliamente usados y testeados en la industria demicroondas durante aos. Por esta razn, se pueden encontrar diodos integrados en una granvariedad de empaquetamientos y adaptados a casi todas las aplicaciones.

Los diodos Schottky se pueden encontrar en mezcladores, detectores, multiplicadores y enuna amplia gama de circuitos electrnicos.Adems, debido a que se fabrican en gran nmero, tienen un costo mucho menor a las

tecnologas alternativas, principalmente las basadas en superconductores, lo que los vuelvecompetitivos a la hora de escoger la mejor alternativa.

Otra ventaja muy importante es que no necesitan ser criogenizados a temperaturasextremadamente bajas para que funcionen correctamente, aunque la criogenizacin puede ser tilpara mejorar sus caractersticas de ruido.

Para aplicaciones radioastronmicas, hay 2 razones principales que podran no favorecer laeleccin de dispositivos del tipo Shottky, estas son:

1. Dado que tienen temperatura de ruido alta, que si bien es cierto puede ser mejoradamediante criogenizacin, distan mucho de sus competidores superconductores tales como el SIS yel HEB.2. La segunda razn es su requerimiento de potencia de oscilador local. Los mezcladores dediodo Schottky necesitan potencias de oscilador local del orden del mW, potencia que afrecuencias cercanas al THz son difciles de lograr.


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4.3.High Electron Mobility Transistor: HEMT

Los transistores utilizados en recepcin son principalmente del tipo FET (Field EffectTransistors), de ellos el que presenta las mejores caractersticas de velocidad y ruido es el HEMT(High Electron Mobility Transistors) que pertenece a la familia de los dispositivos de efecto decampo45.

4.3.1. Principios de funcionamiento

La principal diferencia entre los FET comunes y los HEMT es que los primeros tienen unacapa de conduccin dopada por donde fluyen los electrones, estoprovoca gran cantidad descattering

46. En los HEMT en cambio, se tiene una heterojuntura47 creada por un pozo depotencial entre dos capas de semiconductores con distinta conduccin de sus bandas de energa(que suelen ser AlGaN / GaN AlGaAs / GaAs), en donde se confina una delgada capabidimensional de electrones 2DEG48 (2 Dimensional Electron Gas) con muy bajo scattering,logrando un movimiento de electrones casi libre a lo largo y ancho de esta capa.

As, los electrones quedan atrapados en las dos dimensiones de este gas ya que debido alimitaciones cunticas y a la forma del pozo de potencial formado por las capas semiconductorassuperior e inferior, los electrones no pueden subir ni bajar a las otras capas. En la Figura 4.2 semuestra a la derecha las distintas capas semiconductoras que permiten formar una zona con unpozo de potencial que confina los electrones a una capa bidimensional. A la izquierda se apreciaque este pozo de potencial se forma en la regin donde hay una mayor diferencia en las bandas deenerga de los semiconductores dopados.

Figura 4.2. Izquierda: Diagrama de bandas de energa de un HEMT genrico.Derecha: Estructura de un HEMT AlGaN/GaN.

45Ver anexo D.1 para entender el principio de un dispositivo de efecto de campo.46 O choques entre electrones que limita la velocidad de desplazamiento y aumentan la temperatura debido a lafriccin entre ellos.47 La caracterstica central de una heterojuntura es que los gaps de los semiconductores que participan songeneralmente diferentes. As, la energa de los portadores de por lo menos uno de los bordes de la banda debecambiar cuando esos portadores pasan por la heterojuntura.48Desde ahora en adelante se usar esta nomenclatura para referirse a este arreglo bidimensional.


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4.3.2. Comportamiento

Se debe tener en cuenta, que en los HEMT, la concentracin de electrones es moduladopor el voltaje de compuerta Vg, controlando as el flujo de corriente de drenaje Id. As se obtieneuna conductancia de salida muy alta gm, lo que le confiere gran velocidad, pero con muy bajosniveles de potencia de salida.

Cuando estos dispositivos son enfriados a temperaturas criognicas, presentanexcepcionales caractersticas de bajo ruido (reduccin de ruido trmico generado por resistenciasparsitas) y mayor velocidad de desplazamiento de electrones. Esta ltima caracterstica, en laprimera generacin de HEMT, se vio degradada en el tiempo (horas o das) debido a que estosdispositivos presentaban memoria a temperaturas criognicas, efecto llamado colapso I-V, el cualha sido explicado porque algunos electrones quedan atrapados en la capa de AlGaAs reduciendoas el nmero de portadores.

Experimentos demostraron que los HEMT son sensibles a la luz. Este comportamiento fueaprovechado para liberar electrones atrapados mediante iluminacin del HEMT con luz dedistintos colores. En los ltimos aos, la utilizacin de AlInAs / GaInAs / InP para crear laheterojuntura, ha solucionado en parte este problema, hacindolos casi sin memoria y muchomenos sensibles a la luz.

4.3.3. Circuito equivalente

En un anlisis ms profundo se puede caracterizar el HEMT con su circuito equivalente, elcual ayuda a un mejor entendimiento de los parmetros que afectan su performance. En la Figura4.3, se modelan las resistencias equivalentes que se pueden encontrar en un HEMT, donde rs, rgyrdson funcin de la temperatura fsica del dispositivo T a, que puede estar a temperatura ambienteo enfriado criognicamente, con rt= rs+ rg+ rgs.

Por otro lado, la conductancia drenaje-fuente gds y la resistencia compuerta-fuente rgsdependen de las temperaturas equivalentes de compuerta Tdy drenaje Tg, respectivamente.

En la prctica se usa que Tg=Ta. Con este modelo, se determina la temperatura mnima deruido (4.3) que puede alcanzar el HEMT en funcin de la frecuencia f, la frecuencia de cortefT, latemperatura, la conductancia y las resistencias parsitas. Para calcular la frecuencia mxima deoperacin que se puede alcanzar, se recurre a la Ecuacin 4.4.

( )3.42min ddsgtT

TgTrf

fT

( )4.44

1max

gsds

Trg

ff

Se ve que la frecuencia depende de parmetros fsicos del dispositivo, mientras que elruido mnimo generado por el HEMT Tmines funcin de los parmetros constructivos, frecuenciade operacin y temperatura de operacin.


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Figura 4.3: Circuito equivalente simplificado de un HEMT

4.3.4. Diseos actuales

Hoy en da los diseos alcanzan los siguientes objetivos:

1. Altas frecuencias de operacin.2. Bajos niveles de ruido.

Para tener frecuencias mximas de operacin (4.4) es necesario lograr frecuencias de corteintrnsecas fT lo ms alto posible. Esta frecuencia fT, como se muestra en la Ecuacin 4.5, esproporcional a la transconductancia gm (4.6), la cual est en funcin de la mxima velocidad de

desplazamiento de los electrones vsat, la permitividad de la capa conductora e, el ancho decompuerta (gate) Wgy de la distancia ddesde la compuerta a la capa 2DEG. Para lograr esto, tresgeneraciones de HEMTs han sido creadas con heterojunturas cada vez ms complejas (AlGaAs /GaAs, AlGaAs / Ingaes / GaAs y AlInAs / GaInAs / InP) acompaadas por modernas tcnicaslitogrficas de haz de electrones para lograr longitudes submicromtricas de compuerta.

( )5.42 gs

mT

C

gf

=

( )6.4

d

Wevg

gsat

m

=

Para el segundo punto, los niveles de ruido pueden reducirse disminuyendo la magnitud delas resistencias parsitas de compuerta y fuente, rg y rs, respectivamente. Estas han sidominimizadas mejorando la tecnologa de contactos hmicos, incorporando mejoras en losprocesos de fabricacin, tales como crear compuertas en forma de Ty reduciendo la separacinentre fuente y drenaje.


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4.3.5. Eleccin del dispositivo

Para escoger un HEMT en particular, primero se debe definir la banda de frecuencias enque operar, luego se debe fijar la aplicacin que se le dar.

En radioastronoma, el factor ms importante es que tenga bajo ruido, ya que cualquierruido generado por este dispositivo (ubicado generalmente en las primeras etapas de recepcin)

podra enmascarar las dbiles seales provenientes del espacio.Otra caracterstica crtica en radioastronoma es que el dispositivo mantenga una gananciaestable en el tiempo en condiciones de temperatura que pueden ser levemente variables. Porejemplo, para un receptor con temperatura Tsis=200 [K], una variacin del 1% en la ganancia,provocara un T=2 [K] lo que sera dos ordenes de magnitud mayor que una seal tpica enradioastronoma (0.02 [K]).

Adems, es importante que el dispositivo tenga bajas prdidas de retorno a la entrada, yaque las seales vienen con muy poca potencia y hay que aprovecharlas al mximo.

Para saber qu HEMT presenta las mejores caractersticas de ruido, no basta con hacerlepruebas a temperatura ambiente, ya que el ruido provocado por las resistencias parsitas puedeestar enmascarado por la temperatura ambiente.

Por este motivo, siempre las pruebas deben realizarse a la temperatura en la cual sepretende operar. Las caractersticas de ruido de dispositivos HEMT a diferentes temperaturas deoperacin se muestran en la Figura 4.4.

La ganancia tambin es un factor a tomar en cuenta, sin embargo, una ganancia requeridase puede lograr mediante arreglos de amplificadores en serie.

Otro factor a ser tomado en cuenta es lo que los fabricantes llaman reliability, que sedefine como la probabilidad que un dispositivo mantenga sus caractersticas de funcionamientodurante un cierto perodo de tiempo en condiciones normales de operacin. Esto viene dado porlas caractersticas de diseo y por la calidad del material usado.


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4.3.6. Ventajas y desventajas de los HEMT

Las principales ventajas son:

1. Los HEMT tienen la ventaja de poder cubrir amplias bandas de frecuencia, lo que permiteusar un nico dispositivo para cubrir una ventana atmosfrica de inters.

2.

Tienen bajos requerimientos de enfriamiento, por lo que basta enfriarlos utilizandonitrgeno lquido (77 [K], esto es importante si se piensa que en la banda milimtrica los HEMTcompiten con los mezcladores SIS que deben ser enfriados a temperatura de helio lquido 4,2[K]).3. Los HEMT presentan poca degradacin en ruido, bajo temperaturas ms elevadas (Figura4.4) lo que les permite incluso operar a temperatura ambiente, cosa que no ocurre con los SIS queslo funcionan a temperatura criognica.

Figura 4.4: Medidas de ruido para un HEMT AlInAs / GaInAs / InP de ltima generacin enfuncin de la frecuencia.


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4.4. Superconductor Insulator Superconductor: SIS

Los mezcladores SIS49 (Superconductor-Insulator-Superconductor) han desplazado en elltimo tiempo a los mezcladores de tipo Schottky, debido a sus buenas caractersticas de ruidoque se acercan al lmite cuntico50. Estos mezcladores son ampliamente usados enradioastronoma en la banda milimtrica y submilimtrica abarcando un rango de frecuencias que

va desde los 100 [GHz] hasta 1.2 [THz].A frecuencias cercanas a los 100 [GHz] compiten fuertemente con los amplificadoresHEMT como primer elemento en la cadena de recepcin. A frecuencias mayores, entre 200 [GHz]y 1 [THz] son los lderes indiscutidos, gracias a su incomparable caracterstica de ruido y la bajapotencia de oscilador local que necesita para operar, alrededor del microwatt (W).

Sobre 1 [THz], se ve parcialmente limitado por un lmite cuntico dado por el materialsuperconductor del que est fabricado y su caracterstica de ruido se va degradando. A estasfrecuencias compite con los HEB. Los mezcladores SIS, as como todos los dispositivos en base amateriales superconductores deben ser enfriados a temperaturas criognicas cercanas a los 4.2 [K](helio lquido), de lo contrario estos dispositivos simplemente no operarn.

4.4.1. Principio de funcionamiento

Los mezcladores SIS se basan en la alta no-linealidad de su curva caracterstica deCorriente-Voltaje, la cual permite el paso de electrones de un superconductor a otro por efectocuntico atravesando el material aislador que los separa. El paso de electrones es posible cuandose igualan los niveles de energa de los dos superconductores, que en la prctica se lograaplicando un voltaje de bias51continuo entre ellos. La Figura 4.5 muestra los niveles de energadel SIS y su curva I-V, en donde la mayor no-linealidad de la curva I-V se produce a un voltaje

DC igual ae

2 .

49O Superconductor-Insulator-Superconductor, en ingles, desde ahora en adelante se usar esta nomenclatura parareferirse a este dispositivo.50 Aunque la velocidad de la luz en el vaco es independiente del foco que la genera, la luz tiene un origenreconocible, o sea somos capaces de identificar su procedencia y la consideramos como smbolo representativo delmismo objeto que la emite. En la vida diaria siempre se supone esta asociacin, aunque a veces la asociacin esterrada. As funcionan muchas tcnicas cientficas: telecomunicaciones, espectroscopia, teledeteccin,radioastronoma. Sin embargo, a nivel cuntico por principiono se puede distinguir un fotn de otro. Esta partcula notiene la identidad individual que se ha supuesto para las seales luminosas. La deteccin de la seal luminosa suponela deteccin de fotones; por tanto debe ser posible asociar fotones individuales a seales (ondas) luminosas para queel principio de constancia de la velocidad de la luz tenga sentido fsico. La dualidad dice que fotones y sealesluminosas no son independientes, a esto se refiere el lmite cuntico.51En electrnica, el voltaje bias(llamado a veces simplemente bias) es un voltaje de estado estacionario, se utilizapara hacer funcionar parcialmente un dispositivo tal como un transistor, un tubo de vaco, etc. sta es una manera deoperar el dispositivo en un estado donde eventualmente es ms til.


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Figura 4.5: (a): bandas de energa de un SIS. (b): curva I-V donde se aprecia la fuerte nolinealidad de estos dispositivos.

El voltaje bias se hace a un nivele

hv menor que

e

2. Luego, al ingresar una seal de

frecuencia v, se alcanza la parte ms no-lineal de la curva, logrando as eficiencias de conversinmuy altas.

Si bien es cierto que la curva I-V presenta otras zonas no-lineales en donde se puedenprovocar saltos de electrones a otras frecuencias, esto puede ser minimizado con un apropiadovoltaje de biasy usando filtros pasa banda a la frecuencia deseada.

4.4.2. Caractersticas constructivas

Los mezcladores SIS se construyen con tcnicas litogrficas depositando una capasuperconductora, que suele ser Niobio (Nb), una delgada capa aislante (AlOx AlN) y otra capasuperconductora (Nb NbTiN en los dispositivos ms modernos) con dimensiones del orden delm.

Los dispositivos construidos en base a Nb presentan un lmite terico de frecuencia decorte de 700 [GHz], dado por el gap 2 del Nb. A frecuencias mayores, las prdidas porabsorcin aumentan entre un 50% a un 65% por largo de onda, caracterstica que los haceinaplicables en radioastronoma.

El uso de metales normales, tales como oro (Au) o aluminio (Al) enfriados a 4 [K] enreemplazo de Nb ha demostrado que a frecuencias mayores a 800 [GHz] tienen menores prdidas(alrededor de un 40% por largo de onda), sin embargo, por su mayor gap de energa, lossuperconductores siguen siendo preferidos ya que son ms no-lineales.

En los ltimos aos, el desarrollo de nuevas aleaciones tales como NbTiN han permitidoalcanzar frecuencias cercanas a 1.2 [THz], con bajas prdidas, en receptores cuasi-pticos. Sinembargo, a frecuencias superiores a 1 [THz], las prdidas comienzan a ser cada vez mayores en elfilm superconductor, degradando con ello la performancedel mezclador en funcin del aumentode frecuencia.


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Figura 4.6: Izquierda: Bloque mezclador con la cubierta removida. Derecha: esquema de un

mezclador SIS.

4.4.3. Caractersticas de ruido

La temperatura de ruido en estos dispositivos es tericamente dada slo por el principio deincertidumbre de Heisenberg52, cuya expresin es:

( ) ( )7.4

2lnk

hvTM =

Donde h es la constante de Planck, v la frecuencia de operacin y k la constante de

Boltzman.Los dispositivos superconductores reales, sin embargo, presentan ruido provocado por elefecto Josephson53. Para suprimir este efecto y mejorar sus caractersticas de ruido, se aade al

bloque mezclador un solenoide para crear un campo magntico que suprima las corrientes creadaspor este efecto y as acercarse al lmite cuntico.

De todas formas, el ruido es muy bajo, lo cual los convierte en los dispositivos conmejores caractersticas de ruido en la banda milimtrica y submilimtrica.

Considerando slo el lmite cuntico en un dispositivo ideal, para una frecuencia deoperacin de 700 [GHz], la temperatura de ruido que alcanzara sera slo de 49 [K].

En los dispositivos reales, el ruido es unas cinco veces el del lmite cuntico.

52 En mecnica cuntica el principio de indeterminacin de Heisenberg afirma que no se puede determinar,simultneamente y con precisin arbitraria, ciertos pares de variables fsicas, como son, por ejemplo, la posicin y lacantidad de movimiento de un objeto dado. En palabras sencillas, cuanta mayor certeza se busca en determinar la

posicin de una partcula, menos se conoce su cantidad de movimiento lineal.53Es una propiedad interesante de los superconductores, est basado en otro fenmeno que recibe el nombre de efectotnel. Se produce en la unin formada por una delgada barrera de xido colocada entre dos superconductores, dadoque ah se puede producir efecto tnel. Las caras externas de los dos superconductores se unen entre s y se mide lacorriente que pasa a travs de la unin. Cuando la unin se expone a campos magnticos o radiacin, el flujo decorriente debido a que algunos electrones atraviesan la barrera de xido (efecto tnel). Este efecto suele emplearse

para detectar

tesis uch wvr

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