VLBI懇談会シンポジウム@大妻女子大学千代田キャンパス

2019年11月23-24日

野辺山 45m 電波望遠鏡における3帯域同時観測に向けた
TZ受信機の制御、評価システム開発
堤稔喜（山口大学修士１年） 甘利涼湖 藤澤健太 新沼浩太郎（山口大学）
小川英夫 西村淳 岡田望 上田翔汰 高嶋辰幸 増井翔 近藤滉 松本健（大阪府立大学）
Introduction
野辺山 45m 電波望遠鏡では3帯域（22, 43, 86GHz 帯）同時観測の実現に向けたプロジェクトHINOTORI（Hybrid Installation Project in Nobeyama, Triple-band Oriented ）が進められている。このプロジェクトが達成できれば東アジアVLBI観測網と連携した多周波同時VLBI観測が可能になり、86GHz 帯では世界最高レベルの感度での観測が期待できる。
現在、22, 43GHz 帯の2帯域の同時観測を達成している。しかし、野辺山 45m 電波望遠鏡には 86GHz 帯の受信機がないため新たに受信機を搭載する必要がある。そこで我々は86GHz 帯受信機として2017年まで共同利用に使用されていたTZ受信機の改修を行い再搭載した。本発表ではTZ受信機を制御、評価するためのシステム開発について報告する。

TZ受信機

A/D

本受信機は2017年まで野辺山 45m 電波望遠鏡で共同利用観測に使用されていた。図1がTZ受信機の外観。図2が受信機のブロック図と接続されている機器類。本来ビームは２つあるが、使用できないSISミクサがあることとVLBI観測が主であることからビーム２だけの運用になる。

特徴

RF Signal

楕円鏡

Dewar Temp.
MonitorGPIB

LANHUB

D/A

2SB Unit
Beam 2平面鏡

Lo in

2HL
OMT H-pol.

HEMT
Gain +30dB

CorrugatedHorn

IF outMultiplier&Amp.

• SISミクサを搭載 → 高周波を高感度受信• 2SB Unit → 両波側帯を同時受信• 直交偏波分離器（OMT） → 垂直偏波、水平偏波に分離

HEMTBIASSIS BIAS

FAC

2HU
V-pol.

SIS Mixer
Block

IF 90degHybridcoupler

Isolator

2VL

Lo att. controller

難点

2VUDewar• SISミクサ + 2SB Unit → チューニング難易度が高い

HUB

LANIF Switch
Driver

GPIB

必要とされる機能

ビーム1

1. SISのI-V特性（Lo信号無し）
2. SISのI-V特性（Lo信号あり）
3. Bias値に対する受信機雑音温度
4. Bias値固定時の受信機雑音温度
 SIS Bias boxやLo SG, Lo Att., Spectrum
analyzer, power meterの制御は必須
また、受信機の状態の記録を取るため
 温度計、真空計の制御も必要

また、特徴として以下が挙げられる。
• 分散処理システムの構築が容易• 多対多の通信が可能
topic

HUB

開発したシステム
ROS を利用し拡張性、汎用性に優れたシステム。装置を制御するドライバー層、ユーザーが指示書などの操作を行う層、それらをつなぐデータリレー層、データの記録を行う層があり（図4）、装置の交換や追加に柔軟に対応可能である。
userとdeviceのドライバーをつなぐ受信機
や望遠鏡特有のデータリレー層

user

Deviceを制御するドライバー層

devicenecst-tz2019

necst-rx-sis2sb

rospkg-pyinterface pyinterface

node2
necst-core

図3 ROSの基本構成要素

多数の装置の制御、記録が必要なことから分散処理や多対多の通信が望ましい。

Spectrum
Analyzer

rospkg-ogameasure ogameasuremsgmsgLANGPIBLAN

図2 TZ受信機のブロック図と接続機器類

ROS はロボット制御システム開発用のオープンソースのソフトウェアプラットホームであり、開発ツールやライブラリを内包している。基本的な構成
要素は node と topic で、node 同士が topic を介して msg のやり取りを行っている（図3）。

node1

LAN

図1 TZ受信機の外観

ROS（Robot Operating System）

TZ受信機のチューニングに必要な評価項目

HUB

HUBx3

高周波を高感度で受信するには2SB Unit内の2個のSIS Biasのバランス、Lo信号のパワーのパラメータを調査する必要がある。

ビーム2x2

LO Att.
controller

node：実行ファイル
topic：データの受け渡しを行うデータバス
msg：データ制御用スクリプトや実験スクリプトが置かれている層

データ保存を行う記録層図4 開発したシステムの構成開発したシステムによる受信機の評価
1. SIS I-V特性（Lo信号無し）

2. SIS I-V特性（Lo信号あり）

TZ受信機に搭載されている全４個のSISミクサのI-V特 Lo信号に 92GHz の信号を入力したときのI-V特性性の測定を行った（図5）。全てのSISミクサのI-V特性 の確認も行った。Photon assisted stepの確認を行の測定が行え、正常に動作していることを確認した。 えLo信号の入力の制御が行えていることの確認も行えた（図6）。

3. Bias値に対する受信機雑音温度
2SB ミクサには二つのSISミクサが入っている。USB（Upper Side Band）とLSB（Lower sideband）の出力は二つのSISミクサの出力の足し合わせになっている（図7）。それぞれ二つのSISの出力の増幅率が最も良くなるようにSIS biasを設定する必要がある。
USB:cos[ 𝜔𝑈 − 𝜔𝐿𝑜 𝑡 + 𝜑𝑈 ]LSB:cos (𝜔𝐿𝑜 −𝜔𝐿 𝑡 − 𝜑𝐿 ]USB:cos 𝜔𝑈 𝑡 + 𝜑𝑈
LSB:cos 𝜔𝐿 𝑡 + 𝜑𝐿0°

LSB:2cos (𝜔𝐿𝑜 −𝜔𝐿 𝑡 − 𝜑𝐿 ]RF in
RF 90° Hybrid Coupler

In-phase Lo Coupler

Lo in～0° /−90°
IF 90° Hybrid Coupler−90°/0°

Lo:cos(𝜔𝐿𝑜 𝑡)

USB:2sin[ 𝜔𝑈 − 𝜔𝐿𝑜 𝑡 + 𝜑𝑈 ]4K load−90°

USB:cos 𝜔𝑈 − 𝜔𝐿𝑜 𝑡 + 𝜑𝑈 − 90°
LSB:cos[(𝜔𝐿𝑜 −𝜔𝐿 )𝑡 − 𝜑𝐿 + 90°]

図7 2SBミクサの動作原理
図5 I-V特性の測定結果（Lo信号なし）

図6 I-V特性の測定結果（Lo信号あり）

4. Bias値固定時の受信機雑音温度測定
2HL
OMT H-pol.

77K
or300K

Power
meter

HEMT
Gain +30dB

CorrugatedHorn
2HU
V-pol.

SIS Mixer
Block

IF 90degHybridcoupler

Isolator

2VL

2VU

x3

SG
15.333...GHz
18dBm

x2

Dewar

図9 受信機雑音温度測定時のブロック図

Power
meter

H-pol. LSB Trx map

𝑽𝑳 𝑻𝒓𝒙 = 𝟏𝟑𝟏𝐊
𝑯𝑳 𝑻𝒓𝒙 = 𝟔𝟑𝐊であった。
以前の評価では80-90GHzにおいておよそ 50-60K[1]であった。HLでは以前と同程度の性能が発揮できている。
VLでは以前より2倍近く雑音温度が大きくなっている。この原因に関しては調査が必要である。

今後•••

V-pol. LSB Trx map

垂直偏波LSBのTrxの原因調査 → Lo信号入力パワーによるTrxの変化を調査
3帯域同時観測（単一鏡 + VLBI） → beam squint観測が野辺山 45m 鏡で進行中
サイドバンド比の測定 → SiO輝線等を観測

h2[mV]

Beam 2

3. でサーチした最適点にSIS biasを固定し図9のブロックダイヤグラムで受信機の雑音温度の測定を行った。
結果は

v2[mV]

2SB Unit

もっとも増幅率が良くなるバイアスポイントがあると考えられる 6-8mV を 0.05mV 間隔で最適点サーチを垂直偏波のLSB（VL）と水平偏波のLSB（HL）の二つの信号で行った。Lo信号の周波数は 92GHz である。図8で左がVLで、右がHLの結果である。垂直偏波の二つのSISをそれぞれ𝒗𝟏, 𝒗𝟐 、水平偏波の二つのSISをそれぞれ𝒉𝟏, 𝒉𝟐とすると𝒗𝟏 = 𝟔. 𝟕𝐦𝐕,𝒗𝟐 = 𝟔. 𝟔𝐦𝐕, 𝒉𝟏 = 𝟕. 𝟕𝐦𝐕, 𝒉𝟐 = 𝟕. 𝟒𝐦𝐕付近に最適点があることが分かった。

V1[mV]

h1[mV]

図8 受信機雑音温度とSIS biasの関係

参考文献[1] T. Nakajima et al. 2013, PASJ, 125, 252-262