0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0 50 100 150 200 250 300
Température corps noir froid (K)
Erreur induite sur la température du
CMB (K)
Aléatoire Systématique
FIG. 6.7:Erreur induite sur la température du CMB par la procédure d’éta-lonnage réalisée avec un corps noir à 300K et un autre froid. On a supposé
une erreur de ±0.5K sur la température des corps noirs pour la détermination
de l’erreur aléatoire. Au niveau des biais systématiques, on a supposé ±0.3K
et ±1K.
6.4 Réalisation
La réalisation de l’expérience a fait l’objet de deux stages, en juillet 2007 par Josquin Erard (première année du Magistère de Physique de l’ENS) et de avril à juin 2008 par Florian Houel (deuxième année d’IUT Mesures Physiques d’Orsay).
Deux solutions étaient envisageables pour la réalisation de l’instrument :
1. Acheter des composants hyperfréquences commerciaux et dans ce cas bénéficier d’excellentes per-formances
2. Utiliser des composants hyperfréquences accessibles facilement mais de performances moindres : les systèmes de reception de télévision par satellite.
Le coût de composants commerciaux (environ 20ke) et le défit de réaliser la détection avec du matériel accessible par tous m’a conduit à choisir la seconde solution. On trouve de plus aujourd’hui quelques sites web de radio-astronomes amateurs qui utilisent ce type de matériel principalement pour l’observation du Soleil à 10GHz. Hervé Dole de l’IAS réalise de telles expériences depuis quelques années dans le cadre de travaux pratiques à l’université d’Orsay.
6.4.1 Système de reception de TV par satellite
Les systèmes de reception de TV par satellite que l’on trouve dans les grandes surfaces fonctionnent de manière analogique autour de 10GHz. Pour les observations astrophysique, on utilise les trois sous-systèmes suivants :
1. La parabole hors-axe dont la taille peut variée de 40cm à 120cm possède en nombre d’ouverture constant d’un modèle à l’autre (environ 0.7) afin de pouvoir l’interchanger avec d’autres chaînes de reception similaires. Elle est généralement réalisée par emboutissage d’une tôle d’acier. La parabole est mat et la qualité de surface de l’ordre de 1mm (d’après le critèreλ/20). Ceci permet de minimiser
6.4. RÉALISATION CHAPITRE 6
2. Le système d’amplification et de conversion à basse fréquence encore appelé LNB (Low Noise Block-converter) est un détecteur hétérodyne. Le signal est prélévé derrière un cornet corrugué par une antenne en guide d’onde du type "plongeur". Deux antennes sont présentes afin de mesurer les 2 polarisations et le premier étage d’amplification est indépendant sur chaque voie. Afin de sélectionner l’une ou l’autre des polarisations, un seul amplificateur est alimenté. Le choix de la polarisation dépend de la tension d’alimentation (13V ou 18V). Le signal est par la suite encore amplifié, filtré puis mélangé à un oscillateur local (OL) dont la fréquence est soit 9.75GHz soit 10.6GHz. La fréquence de l’OL est choisie par la présence ou non d’un signal à 22kHz sur l’alimentation du LNB. Le système fonctionne en régime USB (Upper Side Band ou bande latérale supérieure) puisque les deux gammes de fréquence de détection sont supérieures aux fréquences de l’oscillateur local. La fréquence du signal électrique en sortie du mélangeur est entre environ 1GHz et 2GHz. Il peut ainsi être transporté dans un câble blindé sur plusieurs mètres sans trop de pertes (2-4dB/10m).
3. Le système de détection s’appuie sur un satfinder, petit boitier se connectant au LNB et permettant de vérifier le pointage de la parabole vers un satellite. La détection est réalisée avec une diode montée en détecteur quadratique. Le signal quasi-continu est alors amplifié puis extrait via une sortie type BNC pour numérisation.
Le boitier décodeur qui permet de connecter un téléviseur n’est généralement pas utilisé bien que le signal analogique issu du LNB puisse certainement être récupéré.
Il a néanmoins été nécessaire d’améliorer ce type de systèmes existants qui ne possèdent pas de commuta-teur ni de référence et dont les lobes parasites ne sont pas contrôlés.
FIG. 6.8:Principe du LNB. Schéma de principe du LNB.
6.4.2 Modifications et montages réalisés
LNB
Afin de faire apparaitre une référence à 300K, une des deux antennes a été déconnectée de l’ amplificateur et court-circuitée afin de réfléchir la polarisation correspondante. L’entrée de l’amplificateur est connectée à une capacité en série avec une résistance de 50Ω vers la masse (voir figure 6.9). Ceci permet de ne pas
modifier la polarisation du transistor d’amplification. Ces deux composants ont été prélevés sur d’autres LNB afin qu’ils soient compatible avec un fonctionnement à 10GHz.
Le principe de commutation s’obtient alors simplement en basculant régulièrement la tension d’alimentation entre 13V et 18V. Le signal correspondant à la différence entre le ciel et la référence s’obtient par une méthode classique de détection synchrone.
CHAPITRE 6 6.4. RÉALISATION
FIG. 6.9:Photographies du LNB modifié. On distingue la modification réalisé
sur l’antenne horizontale au niveau de la fléche rouge.
Lobes parasites
Afin de réduire la taille de l’expérience, nous avons privilégié l’utilisation une parabole de 40cm de dia-mètre. La figure 6.10 représente les lobes parasites ce celle-ci. La diffraction autour de la parabole produit des lobes parasites supérieurs à la spécification de -60dB. L’écran a été obtenu grâce à une parabole de 90cm
FIG. 6.10:Diagramme de rayonnement normalisé d’une parabole de 40cm de diamètre. L’échelle est similaire à la figure 6.5. Le gain de l’antenne est
environ 32dB.
de diamètre placée juste derrière la petite parabole. Cet écran peut être recouvert de mousse absorbante du type eccosorb ou bien laissé réfléchissant. La figure 6.11 représente les lobes de ce système calculés avec GRASP9, l’écran étant réfléchissant. On constate clairement la disparition des lobes parasites dans la demi-sphère inférieure avec un niveau inférieur à -60dB. La diffraction autour de la petite parabole est reportée vers le ciel, sous forme d’un anneau entre 15° et 30° autour du lobe principal ce qui ne pose pas de problème tant que l’élévation est supérieure à 30°. La simulation n’a pu être faite avec l’écran absorbant car la ver-sion d’évaluation de GRASP9 ne le permet pas. On s’attendrait néanmoins à voir la disparition de l’anneau autour du lobe principal pour retrouver une demi-sphère supérieure proche du cas sans écran (figure 6.3).
6.4. RÉALISATION CHAPITRE 6
FIG. 6.11:Lobes parasites simulés de la parabole de 40cm avec une autre de 90cm placé juste derrière comme écran. Montage simulé sous GRASP9 et
projection gnomonique des lobes parasite à 11.4GHz.
Système de pointage
Un système de pointage du type Yaesu G-5500 permet d’orienter l’antenne en azimuth et élévation avec une précision d’environ 1°. Afin déviter des perturbations électromagnétiques au niveau des informations de pointage, le câblage des deux senseurs de position qui fonctionnent en analogique a été modifié avec des câbles bifilaires blindés. Un boitier d’interface permet de connecter un ordinateur et de contrôler le pointage via une interface Labview. La monture a été réalisées avec des tubes et raccords démontables qui permettent de les assembler. L’alignement des différents éléments a été fait à l’aide d’un niveau électronique précis à 0.1°.
Système d’acquisition
Le système d’acquisition utilise une carte d’acquisition en kit Velleman K8055 connectée en USB à un PC sous Labview. Celle-ci possède 2 convertisseurs analogique-numérique (CAN) 8 bits, ainsi que des entrées/sorties numériques. Un transistor de puissance permet de commuter l’alimentation du LNB entre 13V et 18V à une fréquence imposée par le PC (quelques Hz). Notons que cette méthode d’acquisition n’est en générale pas recommandée puisque la fréquence d’acquisition peut varier suivant l’activité du PC. Dans le cas présent, l’effet est assez faible pour être négligé.
Durant chaque demi-période, le programme fait l’acquisition de plusieurs mesures afin de les moyenner et d’obtenir une résolution supérieure au CAN. Cette méthode de dithering permet en effet de gagner k bits lorsque l’on moyenne4kmesures. Le signal scientifique est obtenu en faisant la différence des moyennes de chaque demi-périodes successives. Le logiciel sous Labview contrôle également le pointage pour permettre de faire des cartographie en élévation ou en azimuth. L’ensemble des données peut être sauvegardé dans un fichier compatible avec excel.
6.4.3 Performances en laboratoire
La température de bruit du système s’obtient par la méthode classique (dite "du Y") consistant à mesurer le signal provenant de deux sources de température d’antenne connue. Dans notre cas, on obtient environ 165K. Le constructeur du LNB annonce un facteur de bruit qui vaut NF=0.5dB ce qui correpondrait à une température de bruit d’environ 35K. La différence avec la mesure ne provient certainement pas des sous-systèmes en aval du LNB (la diode de détection par exemple) car le gain du LNB est typiquement 60dB. Il est probable que le facteur de bruit donné par le constructeur soit la meilleure valeur en bande étroite dans la bande passante.