안테나 (Antenna)astro1.snu.ac.kr/.../2/1/6/1/21618400/antenna_byun.pdf · 2018-02-27 · 안테나 (Antenna) 변도영 ... Atacama Large Millimeter Array (ALMA) - Operation Frequency

안테나 (Antenna)

변도영 한국천문연구원

전파겨울학교 2018 @울산대학교

전파겨울학교 2018 @ 울산대학교

전파망원경

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Effelsberg 100m

Arecibo 300m Telescope

Greenbank 100m


전파간섭계

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The Very Large Array (VLA) [2011, K. Jansky VLA]


전파망원경 (단일경)

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앞단(Frontend) 뒷단(Backend)

안테나 수신 시스템


안테나

• Instrument to transform free space wave to guided wave

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• Instrument to transform guided wave in transmission line to free space wave

Feed horn

I

EElectric circuits


다양한 형태의 안테나

• Dipole • Monopole • Yagi • Helix • Patch • Horn • Parabolic

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안테나 구조 (예: KVN 21m 망원경)

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Main Reflector Panels

Subreflector

Vertex Window

Back Up Structure

Yoke ArmYoke Base

Pedestal

Receiver Cabin

Az Bearing

Quadrupod


포물면경 광학계의 원리

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개구면

a + b = 상수 a + b +c = 상수

주경 (main reflector)

부경 (sub-reflector)피드혼

피드혼

포물면에서는 구경면의 각 지점으로부터 초점까지의 거리가 모두 같음.

-> 송신시스템: 구경면에서 위상이 모두 같아짐 -> 수신시스템: 파장이 초점에서 같은 위상으로 합쳐짐 (보강간섭)

포물면은 원형파를 평면파로 (혹은 그 반대로) 바꿔주는 역할을 함. 쌍곡면 (또는 타원면)은 초점을 2차 초점으로 이동 시켜주는 역할을 함.


회절 패턴 (호이겐스 원리)

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d = slit size ,

Θ = first zero position

dλ

θ =sin

Screen

Slit (Aperture)

mono-chromatic plane wave

“Each point on a primary wave front can be considered as a new source of a secondary wave”


빔 패턴 -1

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빔 패턴 -2

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(Far field) voltage pattern is a FFT of current distribution on aperture


빔 패턴 - 3

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구경의 전기장(전류) 세기 분포에 따른 빔 패턴

구경 가장자리에서 전기장의 세기가 약해지는 분포의 경우 - 구경의 일부분 만 사용하기 때문에 효율은 떨어짐 - 빔 패턴의 Sidelobe는 낮아지고 빔은 커짐


Shaped Cassegrain• Cassegrain • Feed horn 빔 패턴으로 주경면의 Current 분포가 Gaussian을 따름 • 주 경면의 면적을 최대로 활용할 수 없음. 낮은 Sidelobe

• Shaped Cassegrain • Uniform Current 분포를 갖도록 주경면과 부경면을 변형 • 주 경면의 면적을 최대로 활용(높은 구경 효율), 높은 Sidelobe • KVN, JVLA, ATCA (간섭계용 안테나)

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안테나 파라미터

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ΩMB = ∫MBPn(θ, ϕ)dΩ

ΩA = ∫ Pn(θ, ϕ)dΩ

ηMB = ΩMB

ΩA

G = 4πΩA

: Directivity Gain

: Beam Efficiency

: Beam Solid Angle

: Main Beam Solid Angle


안테나 온도

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TA =∫ Pn(θ, ϕ)Tb(θ, ϕ)dΩ

∫ Pn(θ, ϕ)dΩ

Iv = 2kTb

λ2

Wv = 12 Aeff ∫ Pn(θ, ϕ)Iv(θ, ϕ)dΩ = kTA

: Rayleigh-Jeans Approx.

• 안테나 온도 TA

: 안테나에서 수집된 파워에 대응하는 등가 온도

: 안테나가 Tb의 흑체에 둘러싸여 있다면, TA = Tb

ΩA = ∫ Pn(θ, ϕ)dΩ

Aeff ΩA = λ2⇒


구경 효율 (Aperture Efficiency ) -1

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ηA = ηsf ηtaper ηblock ηspill ηl

ηA = Wvreceived

Wvincident =

Aeff

Ap< 1

Sv : f lux density (W/m2 /Hz)

Wv = 12 Aeff Sv


구경 효율 (Aperture Efficiency ) -2

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σ = r.m.s of surface error For σ = λ/16, ηsf = 0.5

* Ruze’s expression

• 경면 정밀도 (Surface Accuracy)

중력에 의한 안테나 구조 변형은 경면 정밀도를 나빠지게 함. -> σ(EL) -> η(EL) -> G(EL)

ηsf = e−(4πσ/λ)2


경면 정밀도 개선 - Photogrametry• Swing Template • Theodolite • Photogrametry • Radio Holography

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Radio Holography• 인공 전파원을 이용하여 안테나의 Complex Voltage Beam Pattern 측정

• FFT => 구경면에서의 Current 분포의 위상 => 경면 오차

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SRAO 6m 망원경의 Holography 측정 결과경면 조정 전(좌)과 후(우) - 이상성 2003


Homology Design 과 Active Surface Control

• 중력에 의한 안테나 경면의 변형으로 경면 오차 증가

• 고도 따른 구경/빔 효율 변화 : 이득 곡선

• Homology (상동관계) Design • 주경면의 중력에 의한 변형이 포물경면 형태를 유지하도록 설계 • 초점 위치의 변화는 수신기 또는 부경의 위치 제어로 보정

• 예) Effelsberg 100m, IRAM 30m

• Active Surface Control • 주경면 패널의 위치를 조정하는 Actuator 설치 • 중력에의한 주 경면의 변형을 Actuator를 조절하여 보정 • Laser Ranging 으로 온도, 열 변형에 대한 실시간 보정 가능

• 예) GBT 100m, SHAO 65m

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Gain Curve of GBT at 20GHz

21from R.N. Prestage +


Beam Shapes of GBT at 20GHz

22from R.N. Prestage +


Radome 과 Membrane

• 햇빛, 바람에 의한 변형으로 부터 보호

• 경면 정밀도 / 포인팅

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TRAO 14m JCMT 15m


안테나 광학계

• Prime Focus • 작은 Feed Horn 사용 가능

• 주로 낮은 주파수

• Cassegrain Focus • 넓은 초점면 (다중빔 가능)

• 부경을 이용한 초점 조정

• 넘쳐 들어오는 잡음이 작음 • 주로 높은 주파수

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안테나 광학계

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• Offset Type

• Naysmith & Beam Wave Guide

no blockageslow sidelobe level

수신기 고정넓은 수신기 공간 확보가능

준광학계• 안테나 광학계에서 전달된 신호를 수신기까지 전달

22GHz

43GHz

86GHz

129GHz

Beam from subreflector


안테나 마운트

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Beam Rotation on the Sky

WSRT


안테나 지향 오차

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안테나가 실제 지향하는 방향과 지향하고자 명령한 방향 사이의 차이

지향 오차의 원인

• 기계적인 요인

안테나 축의 정렬 오차,

중력에 의한 변형,

베어링 면의 휨, 등

• 수신기 광학계 정렬 오차

• 대기에 의한 굴절

• 바람이나 열에 의한 안테나 구조 변형

• 시각 오차/안테나 위치 오차에 의한 천체 위치 오차

• 천체 좌표 오차


Pointing Accuracy

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Blue : pointing 관측 결과 —> pointing modelRed : pointing model 적용 후 관측 결과

Example : Pointing Observation Results of SRAO


지향모델 (Pointing Model) Aencoder = Acmd + ∆A , Eencoder = Ecmd + ∆E

∆A = IA + CA sec(E) + NPAE tan(E) + AN tan(E) sin(A) – AW tan(E) cos(A) + Aobs sec(E)

∆E = IE + GF cos(E) + AN cos(A) + AW sin(A) + R(Ps,Ts,RH,E) + Eobs

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물리적 의미Multiplicative effect on

Azimuth Elevation

AN Az axis misalignment in N-S tan(E) sin(A) cos(A)

AW Az axis misalignment in E-W -tan(E) cos(A) sin(A)

NPAE Non-perpendicularity btw. Az & El axes tan(E) 0

CA Collimation error of RF axis sec(E) 0

IA Az encoder zero offset 1 0

IE El encoder zero offset 0 1

GF Gravitational Flexure correction at horizon

0 cos(E)


Servo [ KVN ]• Tracking Accuracy [<1 arcsec] • Slewing Speed [3 deg/s]

• Acceleration / Deceleration Rate [3 deg/s^2]

• Lowest Resonance Frequency (Stiff Structure) [2Hz] • Settling Time (control loop)

• Operational Wind Speed [10m/s]

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ON

OFF


Slewing Speed에 따른 구조

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NRO45m

KVN 21m


부경의 위치 조정 (Hexapod)

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Z

X

Y


Z 방향 초점 조정 (FOCUS)

• 안테나 광축 방향(Z)으로 등간격으로 움직이면서 최적의 위치 결정

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부경 모델 - KVN

• X,Y,Z,Tilt,Tip • 고도에 따른 부경의 최적위치 결정

• Otf (또는 Five / Cross) 관측 수행

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Cross Scan을 이용한 부경 모델 관측 - KVN

------------------------------------------------------------ X Y Z Tip Tilt El ------------------------------------------------------------ -1200 -2000 -200 -1100 -70 68.2 -1200 -500 -200 -800 -70 68.2 -1200 +1000 -200 -500 -70 68.3 -1200 +2500 -200 -200 -70 68.3 -1200 +4000 -200 +100 -70 68.3 ------------------------------------------------------------ AzOff ElOff AzBw ElBw AzPk ElPk AzPc ElPc ------------------------------------------------------------ +3.15 +2.32 31.65 33.50 7.90 7.76 8.01 7.97 +2.38 +2.36 31.83 32.48 8.48 8.40 8.60 8.53 +0.57 +0.73 32.59 33.31 8.70 8.78 8.71 8.79 -0.73 -0.57 32.70 33.96 8.21 8.18 8.22 8.19 -1.27 -0.34 32.18 33.43 7.39 7.58 7.39 7.61 ------------------------------------------------------------

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부경 모델중력에 의한 부경 위치의 쳐짐, 주경면의 변형에 따라 생기는 효과 보정

XModelCor = Xcoeff[0] YModelCor = YCoeff[0] + YCoeff[1] sin(El) + YCoeff[2] cos(El) (Ycoeff[1] = 0, 2개의 미지수)

ZModelCor = ZCoeff[0] + ZCoeff[1] sin(El) + ZCoeff[2] cos(El) (Zcoeff[2] = 0, 2개의 미지수) TiltModelCor = TiltCoeff[0] TipModelCor = TipCoeff[0] + TipCoeff[1] sin(El)+ TipCoeff[2] cos(El) (Tipcoeff[1] = 0, 2개의 미지수)

ElModelCor = ElCoeff[0] YModelCor + ElCoeff[1] TipModelCor

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표준화된 이득곡선 - KVN(Normalized Gain Curve)

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고도 (deg)

22GHz

43GHz

86GHz

129GHz

KVN 안테나의 고도에 따른 이득(효율) 변화


전파 망원경의 사이트

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•대류권의 H2O and O2에 의한 흡수와 복사

•이온층의 자유전자가 전자기파 흡수

ν < νPlasma.

νPlasma ~ 11 MHz at daytime

•인공 전파 간섭 (Radio Frequency Interference)

No H2O

높은 주파수(> 230GHz) 망원경은 주로 고지대에 설치 (> 2km)

- Scale height of H2O ~ 2 km

- Scale hight of O2 ~ 7 km

O2 H2OH2OO2

TA = Tsourcee−τ + Tatm(1 − e−τ) + Trx


The Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope: FAST

• 0.07 - 3 GHz • RFI가 적은 지역

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전파겨울학교 2018 @ 울산대학교 41

Atacama Large Millimeter Array (ALMA)

- Operation Frequency ~ 1THz (λ=0.3mm) - Chile’s Atacama desert at altitude of 5km above sea level


The Square Kilometer Array : SKA• SKA-low in Australia • 130,000 dipoles, 65km 기선 • 50—350MHz

• SKA-mid in South Africa • 200 dishes, 150km 기선 • 0.35-1.8 / 4.8-13.8GHz

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요약

• 안테나 구조 / 광학계 • 빔 패턴 / 빔 크기 • 구경 효율 • 안테나 온도 • 지향 정밀도 / 지향 모델 • 서보 성능

• 사이트 조건

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참고문헌

• Tools of Radio Astronomy, T.L. Wilson, K. Rohlfs, and S. Hüttemeister

• Introduction to VLBI Systems, Tetsuo Sasao and Andrė B. Fletcher

• “The Primary Antenna Elements”, in Synthesis Imaging in Radio Astronomy, Napier, P.J. (1989)

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