Capitolo 8 - “Caratterizzazione dei Circuiti”
1.1 LA STAZIONE RADIOASTRONOMICA DI MEDICINA (Ref.[1], Ref.[2])
La Stazione Radioastronomica di Medicina (Bologna) è gestita dall’Istituto di Radioastronomia (IRA) del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche). Nella stazione sono attivi due grandi radiotelescopi: un’antenna parabolica di 32m e la “Croce del Nord”.
Figura 1.1. La Stazione di Medicina
L’antenna parabolica, inaugurata nel 1983, è formata da uno specchio primario di 32 metri di diametro. A seconda del funzionamento, può essere utilizzata avvalendosi anche di un secondo specchio di forma convessa, detto specchio secondario o subriflettore, del diametro di circa 3 metri. Quando lo specchio secondario è in funzione, le onde elettromagnetiche vengono convogliate sul fuoco secondario, dove risiede il sistema di ricezione. In alcuni casi è, invece, sufficiente un sistema ottico più semplice. Il subriflettore viene spostato e come sistema di ricezione viene utilizzato quello posto sul fuoco primario. L’antenna può funzionare a frequenze comprese tra i 327MHz e i 43GHz (cioè tra i 90cm e gli 0.7cm) ed è completamente orientabile, per cui può puntare gli oggetti celesti per tutto il tempo della loro “visibilità” in cielo.
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L’antenna parabolica è coinvolta in diversi progetti, in rete o in single dish, ovvero la modalità operativa in cui l’antenna compie le sue osservazioni singolarmente, non cooperando con radiotelescopi di altre nazioni. In particolare, l’antenna parabolica di Medicina fa parte dell’European VLBI Network, come è stato già anticipato nel Paragrafo I.3.
Figura 1.2. La parabola
Il radiotelescopio “Croce del Nord”, inaugurato nel 1964, è stato costruito per lavorare ad una frequenza di 408MHz, corrispondente ad una lunghezza d’onda di 73.5cm. Con un’area di raccolta di 30˙000 metri quadrati, la Croce è uno dei più grandi radiotelescopi
di transito dell’Emisfero Nord.
Un radiotelescopio di transito è un radiotelescopio in grado di ricevere le onde elettromagnetiche provenienti da un punto dello spazio, quando questo, per effetto della rotazione terrestre, si trova sul meridiano celeste del luogo. Il sistema di movimentazione elettromeccanica prevede, quindi, solo il puntamento in declinazione.
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La Croce è costituita da due antenne, disposte a “T” secondo la direzione Est-Ovest e Nord-Sud.
Il ramo E-W è costituito da un’unica grande antenna con lo specchio di forma cilindrico parabolica, lungo 560m e largo 35m. Lungo la linea focale, parallela all’asse di rotazione e a distanza di circa 20m da esso, si trovano 1536 dipoli a mezz’onda (36cm), allineati e spaziati egualmente di circa 36cm. In prossimità dei dipoli, è stato posto uno specchio a forma d’angolo (corner), per aumentare l’efficienza dell’antenna e abbassare il livello dei segnali spuri.
Nel paragrafo 1.1.1 verranno illustrate in dettaglio le proprietà di questo tipo di antenna e le caratteristica della linea focale.
Figura 1.3. Il ramo E-W
Il ramo N-S è costituito da un array di 64 antenne, anch’esse di forma cilindrico parabolica, lunghe 23.5m e larghe 8m, disposte parallelamente a 10m l’una dall’altra. Sull’asse focale di ogni antenna, posizionato a 1,84m da terra, sono disposti ad uguale distanza gli uni dagli altri 64 dipoli. In totale, sul ramo N-S si hanno un totale di 4096 dipoli. La diversa struttura dei due bracci è dovuta all’impossibilità di realizzare meccanicamente una struttura unica, lunga 640m su un profilo parabolico con dipoli nel relativo fuoco e ruotabile attorno ad esso.
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Figura 1.4. Il ramo N-S
La precisione meccanica di questa struttura non è da considerare in senso assoluto, ma solo relativamente alla lunghezza d’onda alla quale lo strumento è destinato a lavorare. Si è dimostrato infatti che, se la forma geometrica dello specchio non differisce da quella di una parabola reale di più di L/16, tali imperfezioni non influenzano sensibilmente (meno dell’1%) il rendimento dello strumento. Ciò ha permesso di costruire gli specchi con cavi di acciaio, posti alla distanza di 2cm, invece di utilizzare una superficie “completamente piena”. Questo rappresenta un notevole vantaggio nei confronti delle sollecitazioni del vento, della neve e dell’acqua.
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1.1.1 La Linea Focale e i Dipoli a Mezz’onda
Come si è visto nel Paragrafo 1.1, il ramo Nord-Sud è caratterizzato dalla presenza di 4096 dipoli mentre il ramo Est-Ovest ha 1536 dipoli distribuiti su 64 antenne. I dipoli del ramo E-W sono disposti su di un’unica linea focale, della stessa lunghezza dell’antenna, mentre, quelli del ramo N-S sono suddivisi in 64 linee focali, corrispondenti alle 64 antenne e costituite ognuna da 64 dipoli.
Figura 1.6. I dipoli
Si presterà particolare attenzione alla linea focale del ramo N-S, poiché essa sarà oggetto dei seguenti paragrafi. Questa, infatti, trovandosi piuttosto vicino al terreno, si presta meglio di quella del ramo E-W alla sperimentazione di prototipi di nuovi sistemi di ricezione. Il Low Noise Amplifier, oggetto di questa tesi, trova infatti collocazione sulla linea focale del ramo Nord-Sud, subito al di sotto dei dipoli a mezz’onda.
Per comprendere pienamente il funzionamento della Croce, si rende indispensabile la conoscenza del funzionamento e delle proprietà di questi tipi di antenna.
Un dipolo a mezz’onda è un’antenna risonante, cioè lunga un numero intero di mezze lunghezze d’onda, costituita da un conduttore filiforme. Essa è costituita da due bracci uguali e aperti, la cui alimentazione è di tipo bilanciato, cioè i conduttori che la costituiscono sono simmetrici rispetto terra. In Fig.1.7 vengono rappresentate le distribuzioni di corrente e di tensione.
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Figura 1.7
Il campo elettrico irradiato ha una espressione del tipo:
= cosθ 2 π cos rsinθ 60I E o θ . (1.1)
Il diagramma di radiazione non è più costituito da due circonferenze nel piano x, z, come nel dipolo elementare, ma è più schiacciato, come mostrato in Fig.1.8. La resistenza di radiazione è
Ω = 73
Ri , se il conduttore è infinitamente sottile, e diminuisce
all’aumentare del diametro.
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1.2 L’UPGRADE DELLA CROCE DEL NORD VERSO IL