pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-2-101-107pimi-304Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsДВУХЧАСТОТНАЯ ПЕРЕКРЕСТНО-ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА С РЕЗОНАНСНЫМИ БОЛОМЕТРАМИ НА ХОЛОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КОСМИЧЕСКОЙ МИССИИ COrETWO-FREQUENCY CROSS-SLOT ANTENNA WITH RESONANT COLD ELECTRON BOLOMETERS FOR APPLICATION IN CORE SPACE MISSIONКузьминЛ. С.KuzminL. S.ЧигиневА. В.ChiginevA. V.

Адрес для переписки: Чигинев А.В. – Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, ул. Минина, 24, г. Нижний Новгород 603950,   e-mail: chig@ipmras.ru

chig@ipmras.ruНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева; Технологический университет ЧалмерсаРоссияNizhny Novgorod State Technical Univercity named after R.E. Alekseev; Chalmers University of TechnologyRussian FederationНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева; Институт физики микроструктур Российской академии наукРоссияNizhny Novgorod State Technical Univercity named after R.E. Alekseev; Institute for Physics of Microstructures Russian Academy of SciencesRussian Federation20170906201782101107Copyright © Кузьмин Л.С., Чигинев А.В., 20172017Кузьмин Л.С., Чигинев А.В.Kuzmin L.S., Chiginev A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/304

Измерение характеристик реликтового излучения является актуальной задачей современной радиоастрономии. Целью настоящей работы является расчет планарной двухчастотной перекрестно-щелевой антенны, предназначенной для работы в составе приемной системы орбитального радиотелескопа Cosmic Origins Explorer (COrE), разрабатываемого Европейским космическим агентством для измерения реликтового излучения.

Предлагаемая планарная антенна представляет собой металлический слой, нанесенный на диэлектрическую подложку и содержащий систему из четырех щелей, пересекающих друг друга под прямым углом. В состав антенны входит также система микрополосковых линий, предназначенных для передачи сигнала от щелей к резонансным болометрам на холодных электронах, и линза для формирования основного луча диаграммы направленности антенны. Расчет антенной системы проводился путем электродинамического моделирования в программном пакете CST Microwave Studio. В результате расчета получены диаграммы направленности антенны в двух частотных каналах, а также ее частотные характеристики.

В результате расчета получены следующие характеристики приемной системы на основе перекрестно-щелевой антенны: ширина основного луча диаграммы направленности – 24,3° и 19,5°, эллиптичность луча – 4,2 % и 0,3 %, ширина полосы частот – 14,9 ГГц и 19,0 ГГц, разрешение по поляризации – 23,4 дБ и 29,6 дБ, где всюду первое значение относится к каналу 75 ГГц, второе – к каналу 105 ГГц.

Предложено использование перекрестно-щелевой антенны в двухчастотном режиме совместно с резонансными болометрами на холодных электронах для работы в составе приемной системы орбитального радиотелескопа COrE. Сравнение рассчитанных характеристик антенны с требованиями, заданными Европейским космическим агентством, показало возможность использования антенны данного типа в составе миссии COrE.

Measurements of the CMB properties is an actual problem of modern astronomy. The aim of the present paper is the numerical modeling of the two-frequency planar cross-slot antenna designed for operation in the receiving system of the orbital telescope Cosmic Origins Explorer (COrE), developed by the European Space Agency to measure the CMB.

The proposed antenna is a planar metal layer on the dielectric substrate, and comprising a set of four slots intersecting each other at right angles. The composition also includes a set of microstrip lines for transmitting a signal from the resonant slots to cold-electron bolometers, and a lens for forming the main beam of the radiation diagram. Calculation of the antenna system is made by electrodynamic modeling software package CST Microwave Studio. As a result of the modeling, the radiation diagram of the antenna in two frequency channels as well as its frequency characteristics are obtained.

The calculation gives the following characteristics of the receiving system on the basis of cross-slot antenna: width of the main beam of the radiation diagram – 24.3° and 19.5°, the ellipticity of the beam – 4.2 % and 0.3 %, the bandwidth – 14.9 GHz and 19.0 GHz, polarization resolution – 23.4 dB and 29.6 dB, where the former value refers to the 75 GHz channel, and the latter refers to 105 GHz channel.

It is proposed to use a cross-slot antenna in dual-frequency mode together with resonant cold-electron bolometers to work in the receiving system of the orbital telescope COrE. Comparison of the calculated antenna characteristics with the requirements set by the European Space Agency, have shown the possibility of using this type of antenna as part COrE mission.

планарная антеннареликтовое излучениеболометр на холодных электронаplanar antennacosmic microwave backgroundcold-electron bolometerРоссийский научный фонд (грант № 16-19-10468)Russian Science Foundation (grant No. 16-19-10468)ReferencesStarobinskii A.A. Spectrum of relict gravitational radiation and the early state of the universe. Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters, 1979, vol. 30, no. 11, pp. 682−685.Starobinskii A.A. Spectrum of relict gravitational radiation and the early state of the universe. Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters, 1979, vol. 30, no. 11, pp. 682−685.Linde A.D. A new inflationary universe scenario: A possible solution of the horizon, flatness, homogeneity,isotropy and primordial monopole problems. Physics Letters B, 1982, vol. 108, p. 389. doi:10.1016/0370-2693(82)91219-9Linde A.D. A new inflationary universe scenario: A possible solution of the horizon, flatness, homogeneity,isotropy and primordial monopole problems. Physics Letters B, 1982, vol. 108, p. 389. doi:10.1016/0370-2693(82)91219-9BICEP2 II: experiment and three-year data set. BICEP2 collaboration. P. Ade, et al., arXiv: 1403.4302v1 [astro-ph.CO] 17 Mar 2014.BICEP2 II: experiment and three-year data set. BICEP2 collaboration. P. Ade, et al., arXiv: 1403.4302v1 [astro-ph.CO] 17 Mar 2014.Abbot B.P. et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Physical Review Letters, 2016, vol. 116, p. 061102. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.061102Abbot B.P. et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Physical Review Letters, 2016, vol. 116, p. 061102. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.061102The ESA Tender ESTEC ITT AO/1-7256. Next Generation Sub-millimetre Wave Focal Plane Array Coupling Concepts, February 2013.The ESA Tender ESTEC ITT AO/1-7256. Next Generation Sub-millimetre Wave Focal Plane Array Coupling Concepts, February 2013.Kuzmin L. Optimization of the Hot-Electron Bolometer for Space Astronomy. SNED Proc., 2001, pp. 145−154.Kuzmin L. Optimization of the Hot-Electron Bolometer for Space Astronomy. SNED Proc., 2001, pp. 145−154.Kuzmin L.S. A Resonant Cold-Electron Bolometer With a Kinetic Inductance Nanofilter. IEEE Transactions On Terahertz Science And Technology, 2014, vol. 4, pp. 314−320. doi: 10.1109/TTHZ.2014.2311321Kuzmin L.S. A Resonant Cold-Electron Bolometer With a Kinetic Inductance Nanofilter. IEEE Transactions On Terahertz Science And Technology, 2014, vol. 4, pp. 314−320. doi: 10.1109/TTHZ.2014.2311321Goutam Chattopadhyay, Jonas Zmuidzinas. A Dual Polarized Slot Antenna for Millimeter Waves. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1998, vol. 46, no. 5, pp. 736−737. doi: 10.1109/8.668920Goutam Chattopadhyay, Jonas Zmuidzinas. A Dual Polarized Slot Antenna for Millimeter Waves. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1998, vol. 46, no. 5, pp. 736−737. doi: 10.1109/8.668920Goutam Chattopadhyay, David Miller, Henry G. LeDuc, Jonas Zmuidzinas. A dual-polarized quasi-optical SIS mixer at 550 GHz. IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, 2000, vol. 48, no. 10, pp. 1680−1686. doi:10.1109/22.873895Goutam Chattopadhyay, David Miller, Henry G. LeDuc, Jonas Zmuidzinas. A dual-polarized quasi-optical SIS mixer at 550 GHz. IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, 2000, vol. 48, no. 10, pp. 1680−1686. doi:10.1109/22.873895DuHamel R.H. Dual polarized sinuous antennas. Patent U.S. no. 4658262, 1987.DuHamel R.H. Dual polarized sinuous antennas. Patent U.S. no. 4658262, 1987.Arthur C. Ludwig. The Definition of Cross Polarization. IEEE Transactions On Antennas And Propagation, 1973, vol. 21, issue 1, pp. 116−119.Arthur C. Ludwig. The Definition of Cross Polarization. IEEE Transactions On Antennas And Propagation, 1973, vol. 21, issue 1, pp. 116−119.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.