Amplificador balanceado criogénico en la banda de 4 a 12 ghz para receptores de radioastronomía

Resumen

Los modernos receptores heterodinos de ultra bajo ruido utilizados para radioastronomía han evolucionado para ofrecer bandas instantáneas cada vez más anchas. La elección actual más común para la banda de frecuencia intermedia (FI) es de 4 a 12 GHz. Algunas de las configuraciones de los front-end criogénicos actuales, como son los mezcladores de separación de banda lateral (2SB) o los amplificadores balanceados, requieren híbridos en cuadratura criogénicos como parte de la circuitería de FI. Existen híbridos comerciales que cubren la banda con buenas características a temperatura ambiente, pero su comportamiento eléctrico a temperatura criogénica se degrada inaceptablemente y existen serias dudas acerca de su fiabilidad en un entorno tan hostil. En esta tesis se presentan dos trabajos íntimamente relacionados: Por un lado, el diseño y fabricación de un híbrido criogénico en cuadratura cuyas características eléctricas y mecánicas le convierten en el mejor existente en la actualidad en la banda de 4 a 12 GHz, y por otro lado, la demostración de que, en esa banda y con este híbrido, la configuración de amplificador balanceado es la mejor opción en términos de ruido y en condiciones de desadaptación de fuente para la etapa criogénica de FI de los receptores SIS. El diseño y construcción del híbrido en cuadratura stripline multi-octava para la banda de 4 a 12 GHz está especialmente concebido para operar satisfactoriamente cuando se enfría a 15 K (-258 ºC). Los materiales y la construcción mecánica del mismo han sido cuidadosamente seleccionados y el resultado es un componente muy compacto, de poca masa térmica y alta fiabilidad, capaz de soportar ciclos térmicos extremos y cuyas características de acoplamiento y reflexión presentan muy poca dependencia con la temperatura. A partir del análisis detallado del híbrido empaquetado en su caja se proponen recomendaciones para evitar los modos resonantes en estructuras stripline. La utilidad del híbrido desarrollado se demuestra con dos aplicaciones prácticas: a) En un nuevo receptor de separación de bandas laterales para la banda 7 de ALMA con rechazo de imagen mejorado y b) En la construcción de un amplificador balanceado con características de ruido significativamente mejores que la configuración usada comúnmente en la actualidad (aislador a la entrada). La aplicación en amplificadores balanceados se analiza en detalle por sus potenciales ventajas. La configuración actual de las etapas criogénicas de FI de los receptores SIS heterodinos incorpora obligatoriamente un aislador criogénico. Esto es debido a que los circuitos de adaptación de entrada de los amplificadores criogénicos de banda ancha están optimizados para obtener muy bajo ruido y normalmente presentan una reflexión a la entrada muy alta. Sin embargo, para la banda de 4 a 12 GHz, los aisladores criogénicos son difíciles de conseguir, muestran muy poca repetitividad entre unidades y tienen unas pérdidas de inserción relativamente altas que degradan notablemente el ruido. En este trabajo se propone utilizar una configuración de amplificador balanceado para esa etapa criogénica de FI. Se construye un nuevo amplificador criogénico balanceado de demostración en la banda de 4 a 12 GHz utilizando dos híbridos en cuadratura, del tipo desarrollado en este trabajo, y dos amplificadores de muy bajo ruido de los de producción del proyecto ALMA. Con él se demuestra que, para los componentes actualmente disponibles en la banda 4-12 GHz, el amplificador balanceado es la mejor opción para temperaturas físicas de 15 K o superiores, y para un amplio rango de valores de impedancia de fuente. La temperatura de ruido obtenida usando esta configuración (6 K) muestra una clara ventaja (alrededor del 33%) sobre la configuración convencional de aislador-amplificador. También se demuestra la superior insensibilidad de las características de ruido del amplificador balanceado frente a la desadaptación de la terminación de entrada, resultado que además puede ser de gran interés en los futuros receptores de VLBI geodésico de banda ancha. Por último, se propone una expresión teórica para cuantificar el efecto perjudicial del desbalance de ganancia (en amplitud y fase) de los amplificadores en la temperatura de ruido del amplificador balanceado. Finalmente, por su importancia práctica y debido a la carencia de datos en la literatura existente, se cuantifica con precisión la estabilidad térmica hasta los 20 K de la permitividad compleja del sustrato RT/6002 de Rogers y del Mylar por medio de dos técnicas distintas: Resonadores en stripline y perturbación de cavidad en guía onda. Los resultados obtenidos demuestran sin ambigüedad las buenas propiedades dieléctricas de los materiales empleados, en el rango de temperaturas y frecuencias relevantes en este trabajo.