초록 ▼

전파망원경은 안테나, 수신기 시스템, 분광기, 제어기, 소프트웨어로 이루어졌다(그림 1.1 참조) 안테나는 천체 광원으로부터 오는 전파를 모으는 역할을 한다. 안테나로 모은 전파 신호는 준광학계를 통하여 수신기로 전달되고, 여기서 믹서에 의해 낮은 주파수(IF)로 바뀌게 된다. IF 주파수는 증폭기에 의해 증폭된 후, 분광기로 전달된다. 분광기에서 출력된 데이터는 모니터와 컴퓨터를 통하여 사용자에게 전달된다.
RF에서 높은 이득을 갖는 증폭기들은 종종 불안정성으로 인한 문제를 야기한다. 만일 총 이득이 100dB(보통 천문학적

전파망원경은 안테나, 수신기 시스템, 분광기, 제어기, 소프트웨어로 이루어졌다(그림 1.1 참조) 안테나는 천체 광원으로부터 오는 전파를 모으는 역할을 한다. 안테나로 모은 전파 신호는 준광학계를 통하여 수신기로 전달되고, 여기서 믹서에 의해 낮은 주파수(IF)로 바뀌게 된다. IF 주파수는 증폭기에 의해 증폭된 후, 분광기로 전달된다. 분광기에서 출력된 데이터는 모니터와 컴퓨터를 통하여 사용자에게 전달된다.
RF에서 높은 이득을 갖는 증폭기들은 종종 불안정성으로 인한 문제를 야기한다. 만일 총 이득이 100dB(보통 천문학적 대상에서 오는 전파 전력은 이 정도 이득으로 증폭을 한다.)라면, 신호의 매우 작은 양이 임피던스 부정합에 의한 신호감쇄로 인하여 시스템에 잡음 온도 특성이 나빠지며, RF 신호를 직접 처리하는데 어려움이 있다. 따라서 이것을 피하기 위해서, 슈퍼 헤테로다인 수신기 시스템을 이용한다[1]. 이 시스템은 믹서를 사용하여 국부발진기에서 출력된 신호와 입력 신호가 결합하여 중간주파수인 출력신호를 생성시킨다.
망원경의 질을 결정하는데에는 두가지 요소가 있다 하나는 공간 분해능으로써, 분해능은 λ/D의 함수이다. 여기서 λ는 파장이고, D는 망원경의 직경이다. 전파의 파장은 광학에서의 파장보다 길기 때문에 직경이 큰 전파망원경이 필요하다. 밀리미터파에는 주경의 직경이 11, 14, 20, 30, 45 m, 등등과 같은 전파망원경이 있다. 현대에는 단일 접시(dish)로 망원경을 크게 만드는데는 많은 어려움이 있어 세계적으로 두 망원경 이상으로 이루워진 간섭계(interferometer)나 배열(array) 형태로 만들어 관측에 이용하고 있다. 하지만 이것들은 고도의 기술이 요구되고, 많은 비음이 소요되는 단점이 있다.
망원경 질의 또 다른 요소는 수신기 시스템이다. 여기서 가장 중요시되는 점은 조정 가능한 주파수 대역과 수신기 민감도이다. 조정 가능한 주파수 대역은 연속적으로 수백 GHz 정도 되어야 한다 하지만 관측주파수를 올리기에는 여러 어려움들이 있다. 고도에 따라 대기불투명도가 달라지기 때문에 관측 장소의 고도에 따른 주파수가 중요한 요소가 되기 때문이다.
전파망원경은 헤테로다인(heterodyne) 방식의 수신기를 사용한다. 수신기의 방식을 나누는 기준은 믹서에 의해 구분된다. 헤테로다인 방식은 높은 주파수의 신호를 낮은 주파수의 신호로 바꾸워주는 방식이다. 비선형 I-V(전류-전압)특성을 갖는 소자는 믹서의 요소(element)로 쓰인다. 즉, 쇼트키(Schottky) 다이오드와 같은 비선형 소자. 이들은 지수함수적인 I-V 곡선을 갖는 금속반도체 소자들이다. 국부발진기는 소자(device)에서 교류전압을 생성하고 이로 인하여 믹서의 I-V 곡선을 변화시킨다. 복사에 의한 I-V 특성의 반응은 단지 주파수가 아닌 마이크로웨이브 전력에 의존한다. 믹서 잡음을 가능한한 작게 하기 위해서는 소자의 비선형성을 이용하여야 한다. 본 연구에서 사용한 SIS 접합은 비선형성을 갖고 있어, 접합은 전압 $V_b$ 가 갭(gab)전압 $V_g$ 아래에 편중되어 있다(국부발진기에서 의해 생성된 전압 $V_{LO}$ 에 의해 전도($V_b$+$V_{LO}$ > $V-g$) 와 비전도($V_b$+$V_{LO}$ < $V-g$) 상태에서). 하지만 비선형 SIS 접합에 대하여 또 하나의 이점이 있다. 마이크로웨이브 복사는 광자에너지 ω/e 너비에 대한 I-V 계단 특성에 의해서 일어난다. 그러므로 SIS 접합이 양자 믹서처럼 작동한다. Al 매칭 회로에 Nb 접합이 결합되어 있는 믹서 실험에 의하면 1THz에 이르는 주파수까지 작동함으로써 쇼트키 다이오드보다 더 졸은 결과를 보였다[2].대덕전파천문대 망원경은 카세그렌인 안테나로써, 주경은 13.7m이고, 부경은 1m이다. 수신기 시스템으로는 대적전파??파수가 125-175 GHz인 150 GHz 대역의 쇼트키 수신기가 있다. 이들 수신기들은 믹서를 냉각시키는 냉각장치를 따로 가지고 있다. 그리고 망원경에는 이 두 수신기를 함께 장착할 수 있는 공간이 충분하지가 않기 때문에 둘 중 하나를 선택하여 망원경에 장착하여야 한다. 보통 100 GHz 대역의 수신기는 9월에서 12월까지 관측을 하는데 사용하고, 150GHz는 1월에서 2월까지 사용을 한다. 남은 관측시즌(3월에서 6월까지) 동안 100 GHz 수신기를 다시 장착하여 사용한다. IF 주파수와 대역폭은 각각 1.391 GHz와 600 MHz이다. 분광기는 250 kHz와 1 MHz의 분해능을 갖는 필터 뱅크(filter bank)와 2.5, 5, 10, 20 kHz의 자동 상관기(auto-correlator)로 되어 있다.
그동안 두 대역을 관측하기위해서 두 수신기를 장착하고 재분리하는데 시간을 많이 소요하였다. 하지만 본 연구에서 새로 개발한 이중채널 SIS 수신기는 하나의 냉각장치를 사용하여 같은 시간에 두 대역에서 동시에 관측을 할 수 있어, 관측시간을 절약할 수 있다. 이중채널 수신기이 주파수 조절 범위는 각각 85-115 GHz와 125-165 GHz이다. 이중채널 수신기 시스템은 두 채널을 동시에 관측하여 안테나에서 IF 증폭기로 신호가 전달된다. 따라서 이 시스템에서 가장 중요한 부분은 안테나에서 접속된 빔을 두 대역으로 분리하여 믹서로 전달하는 준광학계부분이다. 두 대역을 위한 두 믹서는 SIS 접합을 이용하였다. 두 대역의 단측파대(SSB) 관측모드는 각 대역의 SSB 필터에 의해 이루어진다.
본 보고서에서는 이중채널 수신기의 설계, 제작, 폭정에 대하여 설명하고, 완성된 수신기로 관측된 결과를 기술 찰 것이다 극저온 시스템, 준광학계, SSB 필터, 믹서 등에 특성과 테스트 결과에 대해서는 3-6장에 기술할 것이고, 두 밴드에서 관측된 결과값을 제 7장에 기술하였다.

목차 Contents

• 제 1 장. 100/150 GHz대역 이중채널 SIS수신기 개발 ... 6
• 제 1 절. 서 론 ... 6
• 제 2 절. 설 계 ... 8
• 1. 서 론 ... 8
• 2. 준광학계 이론(Quasioptical theory) ... 9
• 가. 가우시언 빔(Gaussian beam) ... 9
• 나. 가우시안 빔(Gaussian beam)과 초점소자의 결합 ... 10
• 3. 대덕전파천문대 망원경의 준광학계 설계 ... 13
• 가. 안테나의 부경과 피드 혼의 빔 변수 결정 ... 13
• 나. 이중채널 수신기의 준광학계 설계 ... 14
• 제 3 절. 극저온 시스템(Cryogenic system) ... 19
• 제 4 절. 준광학계 시스템(Quasioptical system) ... 21
• 1. 부품(Components) ... 21
• 가. 타원면경(Ellipsoidal mirror) ... 21
• 나. 유전체 렌즈(Dielectric lens) ... 23
• 다. 피드혼(Feed horn) ... 25
• 2. 준광학계와 빔 측정장치 개발 ... 26
• 가. 소 자 ... 26
• 나. 설 치 ... 27
• 다. 측정 시스템 ... 27
• 라. 배 열 ... 28
• 3. 측정 및 결과 ... 30
• 제 5 절. 단측파대 여파기(Single Side Band Filter) ... 35
• 1. 서 론 ... 35
• 2. 여파기의 원리 ... 35
• 가. 도체표면과 그리드(grid)에서 반사와 투과 ... 35
• 나. Martin-Puplett 간섭계 원리를 이용한 여파기 이론 ... 38
• 다. 이중채널 수신기용 여파기 ... 41
• 3. 설계 및 제작 ... 42
• 4 .측 정 ... 43
• 가. 측정 장치 ... 43
• 나. 보정(Calibration) ... 45
• 다. 여파기의 DSB(Double side band)모드 성능측정 ... 46
• 라. 여파기의 SSB 모드 성능측정 ... 47
• 제 6 절. 수신기 시스템(Receiver system) ... 52
• 1. 믹서(Mixer) ... 52
• 가. 믹서 블록(Mixer block) ... 52
• 나. SIS 접합(Junctions) ... 52
• 다. 성 능 ... 53
• 2. 국부발진부 ... 56
• 3. 중간주파수(Intermediate frequency) ... 57
• 제 7 절. 결 론 ... 59
• 제 2 장. 150 GHz 대역 SIS접합수신기 성능 개선 ... 63
• 제 1 절. 서 론 ... 63
• 제 2 절. SIS 접합 믹서 구조 및 믹서 칩 assembly ... 64
• 1. SIS접합 믹서 구조 ... 64
• 2. 믹서 칩 assembly ... 66
• 3. SIS 접합 DC I - V 측정 ... 68
• 제 3 절. Bias-Tee및 Bias Supply ... 69
• 제 4 절. SIS접합 믹서 테스트 ... 73
• 제 5 절. 150 CHz 대역 SIS 믹서 잡음온도 분석 ... 75
• 제 6 절. 결 론 ... 81
• 제 7 절. 참고문헌 ... 82
• 제 3장. 14m 전파망원경의 수신시스템 자동튜닝장치 개발 ... 83
• 제 1 절. 서 론 ... 83
• 제 2 절. 내 용 ... 83
• 1. 1차년도 설계(1998년) ... 84
• 2. 2차년도 설계(1999년) ... 88
• 가. 제어회로 설계 ... 88
• 나. Hardware 제작 ... 89
• 다. 문제점 ... 89
• 3. 3차년도 설계(2000년) ... 100
• 가. PLL Module을 이용한 구성도 설계 ... 100
• 나. 제어회로 설계 ... 102
• 다. Hardware 세작 ... 103
• 라. 수신시스템 자동튜닝장치 시스템 구성 ... 107
• 마. 문제점 ... 110
• 4. 4차년도(2001년)설계 및 제작 ... 111
• 가. 발진기선택기(W/S)구동부 설계제작 ... 111
• 나. 발진기선택기(W/G)제어부 회로 설계제작 ... 111
• 다. 자동튜닝장치용 PC의 프로그램 수정 ... 111
• 라. 문제점 ... 112
• 5. 5차년도(2002년)회로 부품 변경 ... 112
• 가. Bias전압이 OFF되는 이유 ... 112
• 나. 문제해결 ... 112
• 제 3 절. 자동튜닝장치의 운용 ... 113
• 1. 자동튜닝장치의 Hardware Command Summary ... 113
• 2. 자동튜닝장치의 시작 및 운용 절차 ... 113
• 3. 자동튜닝장치의 고장수리 ... 114
• 제 4 절. 위상안정도 검사(Phase duality and Stability Test) ... 116
• 제 5 절. 결과 및 활용 ... 116
• 1. 연구성과 ... 116
• 2. 기술적, 경제적 기대효과 ... 116
• 제 4 장. 원시성 영역 오리온 KL IRc2 및 만기형성에 대한 일산화규소 모니터링 관측연구 ... 145
• 제 1 절. 원시성 영역 오리온 KL IRc2에 대한 일산화규소 모니터링 관측연구(Ⅰ∼Ⅳ) ... 145
• 1. 서 론 ... 145
• 2. 관 측 ... 145
• 3. 관측연구 결과 ... 146
• 제 2 절. 만기형성에 대한 일산화규소 모니터링 관측연구(Ⅰ∼Ⅳ) ... 158
• 1. 서 론 ... 158
• 2. 관 측 ... 158
• 3. 관측연구 결과 ... 158
• 제 5 장. 별탄생 영역에 대한분자선 서베이 연구 ... 187
• 제 1 절. A Spectral Line Survey of Orion-KL from 134.5 to 138.3 GHz ... 187
• 제 2 절. A Spectral Line Survey of Orion-KL from 138.3 GHz to 150.7 GHz ... 190
• 1. 서 론 ... 190
• 2. 관 측 ... 190
• 3. 관측결과 및 논의 ... 191
• (1) 검출 스펙트럼선의 동정 ... 191
• (2) 검출된 분자의 종류 ... 191
• (3)동정되지 않은 (U) 분자선들 ... 192
• 제 3 절. A Spectral Line Survey of Orion-KL from 159.7 GHz to 164.7 GHz ... 200
• 1. 서 론 ... 200
• 2. 관 측 ... 200
• 3. 관측결과 및 논의 ... 201
• (1)검출 스펙트럼선의 동정 ... 201
• (2)검출된 분자의 종류 ... 201
• (3)동정되지 않은 미확인 분자선들 ... 202
• 제 6 장. 만기형성에 대한분자선 서베이 연구 ... 209
• 제 1 절. A Spectral Line Survey of IRC+10216 in the ranges of 95-115 and 125-161 GHz ... 209
• 제 2 절. A Spectral Line Survey of CRL2688 in the ranges of 85-115 GHz ... 232
• 제 3 절. G34.3+0.15에 대한 193.4-142.7 GHz 대역과 87.2-115.7 GHz 대역의 탐색관측 ... 256
• 1. 서 론 ... 256
• 2. 관측과 data처리 ... 257
• 3. 데이터 분실 ... 259
• 4. 관측결과 및 논의 ... 260
• 제 4 절. G34.3+0.IS에 대한143-155 GHz대역 탐색 관측 ... 266
• 1. 서 론 ... 266
• 2. 관측과 data처리 ... 267
• 3. 자료분석 ... 267
• 4. 관측결과 및 논의 ... 268
• 제 5 절. G34.3+0.15에 대한 155.3-165.3 GHz 대역 탐색 관측 ... 280
• 1. 서 론 ... 280
• 2. 관 측 ... 280
• 3. 분자선 동정 및 자료분석 ... 281
• 제 7 장. 관측자료의 DB화 연구 ... 286
• 제 1 절. 개 요 ... 286
• 제 2 절. 데이터베이스에 포함된 관측자료 ... 286
• 제 3 절. 전파 분광관측 자료 데이터베이스 구축 ... 287
• 제 4 절. 요 약 ... 287