QUIJOTE: Receptores de 30 GHz para el Instrumento TGI E. Artal, B. Aja, L. de la Fuente, J.L. Cano, E. Villa, J. Cagigas, J.V. Terán (UC) F. Casas, D. Ortiz, E. Martínez-González (IFCA) R. Hoyland (IAC) Departamento de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria Santander - Spain

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

1

CONTENTS QUIJOTE Experiment  Phases and Instruments  Receiver scheme

Receiver  Components description  Principle of operation  Manufacturing status

Conclusions

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

2

QUIJOTE CMB experiment overview

• Q-U-I JOint TEnerife

(Stokes parameters Q, U and I)

• Cosmic Microwave Background (CMB) polarization receivers • To obtain five polarization maps in the frequency range 11- 30 GHz • Angular resolution: ~1 degree Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

3

QUIJOTE experiment consortium

Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), Tenerife (Spain): Coordinator

Instituto de Física de Cantabria (IFCA), Santander (Spain)

Universidad de Cantabria (UC), Santander (Spain)

University of Cambridge, (UK)

University of Manchester, Jodrell Bank Centre for Astrophysics (UK)

IDOM, Bilbao (Spain) Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

4

Observatorio de El Teide (Tenerife, Canary Islands)

Izaña site, 2.390 m

QUIJOTE Instruments 1 and 2 and enclosure

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

5

QUIJOTE experiment. Basic features • Polarimeters: polarization Stokes parameters (Q, U and I) Cosmic Microwave Background (CMB) and other processes of Galactic and extragalactic emission. • Angular resolution of ~ 1 degree

MFI = Multi-Frequency Instrument (First Instrument: QUIJOTE 1) TGI = Thirty-GHz Instrument (Second Instrument: QUIJOTE 2) FGI = Forty-GHz Instrument Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

6

Receiver scheme QUIJOTE 1 (MFI)

 Simultaneous Q and U detection  Rotating Polar Modulator Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

7

Output detected voltage in MFI

1 1 1 V  I  Q cos( 4   )  U sin( 4   ) j 2 j 2 j j j 2 j





2

2

1  0 ;  2   ;  3   ;  4   Q, U and I = Stokes parameters φ = Position angle of the modulator

These parameters depend on the time and on the channel (j = 1, 2, 3, 4)

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

8

The MFI Schematic Diagram

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

9

QUIJOTE MFI

Phase: QUIJOTE 1

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

10

QUIJOTE 2 – 30 GHz Instrument (TGI) Cryostat

31 pixels  31 receivers

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

11

QUIJOTE 2 – 30 GHz Instrument (TGI) (26-36 GHz)

New receiver scheme: • electronic phase switching in two balanced branches • microwave correlation (180º hybrid) • direct detection (Schottky diode) Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

12

Corrugated horn antenna TGI

 Manufactured in three parts (length = 231.8 mm; d = 64 mm)  Critical part: horn throat (cross-polarization and impedance matching).

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

13

Corrugated horn antenna TGI 50 40

Cross-polarization

Parameters (dB)

30 20

Directivity

10 0 -10 -20 -30

Reflection

-40 -50 -60 26

28

30 32 34 Frequency (GHz)

36

38

Simulations with CST Microwave Studio® Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

14

21.38

Ridge Section: X-Axis

Ex

Polarizer TGI

3.92 3.47

3

• 90º Phase shifter (TE10, TE01 modes)

7.14 6.42 5.74

5.42

• Square waveguide with ridges • In front of OMT (45º rotated)

a 1.08 Y

0.78 6.28 4.34 2.34 1.58

Ey

a X

Ridge Section: Y-Axis 2.66 2.33 2.22 9.28

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

15

Polarizer TGI

Length = 65 mm

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

16

0

-88

-5

-89

-10

-90

-15

-91

-20

-92

-25

-93

-30

-94

-35

-95

-40

-96

-45

-97

-50 24

26

28

30 32 34 Frequency (GHz)

36

-98 38

Simulations with CST Microwave Studio® Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

17

Phase Difference (deg)

Reflection (dB)

Polarizer TGI

Orthomode Transducer (OMT) 3 physical ports and 4 electrical ports: • Rectangular waveguide: • P1: TE10 (v) • P2: TE10 (h) • Circular waveguide: • P3: TE11 (v) • P4: TE11 (h)

• Sets a limit in the cross-polarization • Based on turnstile junction • Phase balanced outputs • Broadband (> 40 % bandwidth) Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

18

Orthomode Transducer (OMT)

• Reduced height rectangular waveguide • Optimized E-plane bends • Scatterer: a critical part of turnstile junction • Scalable structure (WR75, WR51, WR28) Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

19

Orthomode Transducer (OMT)

OMT parts (WR75 version, 10-14 GHz) Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

20

Orthomode Transducer (OMT)

10-14 GHz

14-22 GHz

26-36 GHz

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

21

Reflection and Isolation (dB)

OMT TGI 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35

Reflection

-40 -45 -50 -55 -60 24

Isolation

26

28

30 32 34 Frequency (GHz)

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

36

22

38

One pixel (TGI)

Polarizer

Feed-horn

OMT

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

23

One pixel (TGI)

Feedhorn + polarizer + OMT

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

24

Cryogenic-LNA (TGI)

Two MMIC LNA (mHEMT) • High gain • Very low noise Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

25

Cryogenic-LNA (TGI)

• ALN002MAKA_AB_S2 (IAF) (C17) + UCL2636CR (OMMIC) (Wafer 6984) • 5 dB Attenuator between chips Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

26 26

Cryo-LNA TGI. Performance @ 15K CRYO_LNA @ 15 K   MMIC LNAK2_V2_BA       Bias: Vd=0,6 V, Id= 9 mA MMIC UCL2636CR             Bias: Vd= 0,35 V, Id=7,9 mA 100

60

90 50

70

40

60 50

30

Gi (dB)

Te (K)

80

40 20

30 20

10

10 0

0 24

26

28

30

32

34

36

38

40

Frequency (GHz) Te

Gi

DC consumption (1 cryo_LNA) @ 15K MMIC

Vd 0.6 Volt.

Id 9 mA

Power 5.4 mW

2nd MMIC

0.35 Volt.

8 mA

2.8 mW

1st

Total

Freq 26-36 GHz

Te (avg), K 21,6

Te (min), K 16,6

Gi (avg), dB 42,1

8.2 mW

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

27

BEM rack : 16 pixels

RF Gain

Detection Phase  Switches Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

28

RF-BEM Gain (26-36 GHz)

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

29

RF-BEM Gain (26-36 GHz)

Internal view

Amplification and band pass filtering Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

30

RF-BEM Gain (26-36 GHz) Gain (dB) – 32 units manufactured and tested

S21 (dB)

Gain

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

Frequency (GHz)

Average value plotted in red color Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

31

Phase Switches Module TGI (26-36 GHz)

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

32

Phase Switches Module Branch #2 180º Phase Switch Coplanar + Slotline

Branch #1 90º Phase Switch Coplanar + Slotline + Microstrip

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

33 33

180º Phase Switch

Coplanar to slotline

• Two states (2 diodes ON / OFF) • Out of phase EM fields

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

34

90º Phase Switch

2

100 98

1.2 0.8

94

0.4

92

0

90

-0.4

88

-0.8

86

-1.2

84

Amplitude imbalance

-1.6

Coplanar Slotline Microstrip

96

Phase difference

-2 20

22

24

26

28

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

30

32

34

82 36

38

80 40

35

Phase Difference (deg)

Amplitude Imbalance (dB)

1.6

Correlation and detection (26-36 GHz) Two RF inputs Four detected outputs

Internal view

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

36

Correlation and Detection Module TGI (26-36 GHz)

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

37

180º Hybrid

3 sections rat-race hybrid  broadband Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

38

Schottky diode detector 26-36 GHz

• Thin Film resistors  flat response and good input matching • Good impedance matching: Return Loss > 12 dB • Sensitivity ≈ 1300 mV/mW

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

39

TGI Receiver principle of operation

El Er Circular components of electric fields 2 2   I   El  E r   *  2 Re  E Q   l Er U    2 Im E * E l r   







     

Stokes parameters



Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

40

Stokes parameters

Φ

I

Q

U

0º

Vd1 + Vd2 = Vd3 + Vd4

Vd1 – Vd2

Vd3 – Vd4

90º

Vd1 + Vd2 = Vd3 + Vd4

Vd3 – Vd4

Vd2 – Vd1

180º

Vd1 + Vd2 = Vd3 + Vd4

Vd2 – Vd1

Vd4 – Vd3

270º

Vd1 + Vd2 = Vd3 + Vd4

Vd4 – Vd3

Vd1 – Vd2

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

41

Test bench results (prototype) Input: Broadband linearly polarized signal (from a Noise source) Radiometer outputs (1, 2, 3 and 4): detected signals proportional to power

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

42

Test bench results (prototype)

Test set-up at IFCA laboratory (anti-vibration table) Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

43

Test bench results (1st prototype- Dec. 2012)

Stokes parameters V2+V3=4.09  I1 = 1.0 V4+V1=3.98  I2 = 0.97 I=(I1+I2)/2    I = 0.98 V2‐V3=3.62  Q = 0.88 V4‐V1=0.1    U = 0.024

Measurement at 1 Hz sampling frequency Efficiency = Q/I =  89.8% Isolation = U/Q = ‐15.6 dB

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

44

32 feed-horn throats (TGI) (June – 2013)

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

45

34 polarizers (TGI) (June – 2013)

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

46

14 OMT (TGI) (June – 2013)

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

47

Manufactured units (BEM) TGI (26-36 GHz) (June-2013)  RF Gain (BEM) (32 of 62)

 Detection (BEM) (20 of 31)

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

48

Conclusions • QUIJOTE TGI: Polarimeter receiver (26-36 GHz) • Passive and active components • Receiver concept demonstrated (test bench) • 31 pixels under manufacturing

Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

49

QUIJOTE Experiment Encuentro RIA-AstroMadrid, 26-septiembre-2013

50