Laboratorio de Ondas Milimétricas y Submilimétricas (Millimeter-and-Submillimeter-Wave Lab)

Descripción

Este laboratorio diseña, construye y prueba instrumentación para uso en radioastronomía con un enfoque en actividades académicas y de investigación tecnológica. Está constituido por un grupo heterogéneo de astrónomos, ingenieros, técnicos y estudiantes, con una experiencia conjunta que abarca técnicas milimétricas, submilimétricas, y procesamiento digital de señales astronómicas. 

Desarrolla proyectos relacionados con receptores de onda milimétrica en colaboración con variados grupos en el extranjero. Junto con los Laboratorios de Fotónica y de Exploración Planetaria y Espacial integra el Grupo de Instrumentación Astronómica.

El laboratorio cuenta con el apoyo fundamental del Proyecto Basal Centro de Astronomía y Tecnologías  Afines (CATA). Las actividades de investigación están asociadas al programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica con Mención en Instrumentación Astronómica, en el cual se han terminado 4 tesis de grado hasta el momento.   

Equipamiento e instrumentos

• Software de diseño: ANSYS High Frequency Structure Simulator, ANSYS Designer, Topsolid, Microwave Studio, AWR Microwave Office, Mician Microwave Wizard.
• Construcción: Torno CNC de precisión con 5 ejes (precisión de 1 micrómetro), máquina para hacer conexiones eléctricas en chips (bonding machine).
• Medición y pruebas: Analizador vectorial de redes (10 kHz a 50 GHz), analizador de espectros (3 Hz a 50 GHz con extensión de 110 GHz), analizador de espectros (9 kHz a 26.5 GHz), generador de señales hasta 20 GHz con extensiones hasta 40 y 110 GHz,  generador de señales hasta 40 GHz, generador de señales hasta 3.2 GHz, generador de señales hasta 6 GHz , medidor de potencia hasta 2THz, estación de prueba para mediciones DC y RF en microdispositivos y chips, cámara anecoica para medir patrones de radiación de antenas hasta 50 GHz, y un criostato de prueba con temperatura controlable desde 15ºK.
• Área digital: 3x ROACH-1 (FPGA Virtex-5), 1x ROACH-2 (FPGA Virtex-6), 6x Conversores análogo digital de 3GSPS, 2x Conversores análogo digital de 5GSPS y licencia Xilinx para programar FPGA.

 
Desarrollos Actuales

• Desarrollo de un prototipo para banda 1 de ALMA: El Atacama Large Millimeter Array (ALMA) es el arreglo radioastronómico más grande construido en la historia. Todas sus antenas captarán señales de diez bandas de frecuencia distintas. A pesar de haber sido declarada con alta prioridad científica, la banda 1 de ALMA no fue elegida para ser construida durante la fase inicial del proyecto. El Laboratorio de Ondas Milimétricas  se encuentra actualmente desarrollando en conjunto con otras instituciones un receptor prototipo para la banda 1 de ALMA, y participará en la producción de un set completo de 77 receptores.
• Desarrollo de la banda 2+3 de ALMA: Un proyecto muy ambicioso es implementar dos de las bandas de ALMA en un solo receptor, esto permitiría liberar un espacio en el crióstato de los radio telescopios que podría ser utilizado para incorporar una nueva banda de frecuencia. Este proyecto requiere de un receptor que capte un ancho de banda extraordinario. El Laboratorio de Ondas Milimétricas ha tomado este desafío y durante los próximos años desarrollará un receptor prototipo para la banda 2+3 de ALMA.
• Desarrollo de un receptor para el radio telescopio LLAMA: El proyecto Large Latin American Millimeter Array (LLAMA) es un nuevo radio-telescopio financiado por fondos provenientes de Argentina y Brasil. Tendrá la capacidad de funcionar en forma autónoma y en conjunto con otros radio-telescopios como ALMA. El Laboratorio de Ondas Milimétricas  desarrollará un receptor prototipo para LLAMA.
• Construcción de un nuevo receptor para el 1.2-m Southern Millimeter-Wave Telescope (SMWT): Durante los últimos años, el front end del receptor del radio telescopio SMWT ha sido mejorado de varias formas importantes. Sin embargo, el receptor todavía mantiene su configuración double sideband (DSB).  El Laboratorio de Ondas Milimétricas se encuentra desarrollando un nuevo receptor utilizado el esquema de separación de banda lateral (2SB), el cual tiene la capacidad de disminuir el ruido atmosférico que recibe el radiotelescopio. La importancia de esta mejora está asociada a que el radio telescopio fue reposicionado desde Cerro Tololo a Cerro Calan, este último posee peores condiciones atmosféricas. Para complementar las mejoras en el receptor, el laboratorio está construyendo e integrando un back end con separación de banda digital, que mejorará aún más el desempeño del telescopio.
• Espectrómetro digital con separación de banda lateral para aplicaciones en radioastronomía: El incremento de las capacidades del hardware de procesamiento digital ha abierto las puertas  a un nuevo enfoque basado en la recombinación digital de señales. Este método permite corregir  los desbalances causados por un front end analógico en un back end digital, para esto se hace uso de una plataforma basada en FPGA llamada ROACH (Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware).
• Separador de polarización digital para aplicaciones en radioastronomía: La capacidad de separar las polarizaciones de una onda electromagnética es una característica de interés en radioastronomía y radio telescopios como ALMA la poseen. Esto se logra mediante separadores de polarización que poseen geometrías complejas de difícil construcción.  Siguiendo la línea de procesamiento digital utilizando la plataforma ROACH, es posible construir un separador análogo de polarización de simple construcción y desempeño normal, y aumentar su rendimiento, mediante el procesamiento digital de señales, de forma que su rendimiento sea mayor a lo lograble por medios puramente analógicos. 

 Miembros permanentes

• F. Patricio Mena
  Departamento de Ingeniería Eléctrica
  Correo electrónico: fpmena@u.uchile.cl
• Leonardo Bronfman
  Departamento de Astronomía
  Correo electrónico: leo@das.uchile.cl
• Ricardo Finger
  Departamento de Astronomía
  Correo electrónico: rfinger@das.uchile.cl
• Walter Max-Moerbeck
  Departamento de Astronomía
  Correo electrónico: wmax@das.uchile.cl

 Académico responsable

• Leonardo Bronfman
  Teléfono: +562 29771113
  Correo electrónico: leo@das.uchile.cl
  Dirección: Departamento de Astronomía, Camino El Observatorio 1515, Las Condes, Santiago, Chile

Proyectos asociados

• 2014 — Fondecyt de iniciación en investigación (3 años); PI: R. Finger; “Ultra-pure digital detection of polarization for radio astronomy applications”.
• 2014 —  Comité mixto ESO-Chile (3 años); PI: L. Bronfman; Col: F.P. Mena; “A new Band 2+3 receiver for ALMA”.
• 2014 — FONDO QUIMAL #140002 (3 años); PI: F.P. Mena; "A new Band 2+3 receiver for ALMA: development of a prototype of the optical system”.
• 2014 — FONDEQUIP #EQM140023 (1 año); PI: F.P. Mena; "Prototipadora Láser”
• 2013 — Gemini-Conicyt Fund (2 años); PI: F.P. Mena; “Development of technology for future heterodyne cameras”.
• 2013  — Corfo - LINEA 1: PERFIL DE I+D APLICADA #13IDL1-18279 (6 meses); PI: F.P. Mena; “Desarrollo y fabricación de amplificadores de bajo ruido para astronomía y telecomunicaciones”.
• o    2012 — ALMA Fund Grant # 31120005 (2 años); PI: L. Bronfman; CoI: F. P. Mena; “Extending the Frequency Coverage of ALMA Band 1: Development of Key Components”.
• FONDECYT Regular 2012 (3 años); PI: F. P. Mena; CoI: M. Diaz; "New receiver technology for the Southern Millimeter Wave Telescope".
• 2011 — Apoyo a la infraestructura científica de centros de investigación (1 año); PI: L. Bronfman; CoI: F. P. Mena, "Instrumentación Astronómica".
• 2010 — Joint Committee ESO (1 año); PI: F.P. Mena; "Strengthening of teaching and research in astronomical instrumentation at Universidad de Chile with the use of professional simulation software".
• 2009 — Gemini-Conicyt Fund (2 años); PI: L. Bronfman; CoI: F. P. Mena, “Enhancing a 1.2 m mm-wave Telescope at Cerro Calán for training and research".
• 2008 — ALMA Fund Grant # 31080018 (2 años); PI: F. P. Mena; “A radio interferometer design and construction, for know-how acquisition, training, and teaching experiences design, at the Electrical Engineering Department of the University of Chile”.
• 2009 — ALMA Fund Grant # 31080003 (1 año); PI: L. Bronfman; CoI: F. P. Mena; “Construction of an anechoic chamber for beam pattern measurements at ~ 40 GHz”.
• 2008 — Programa de Financiamiento Basal para Centros Científicos y Tecnológicos de Excelencia (5 años); PI: L. Bronfman; “Centro de Astrofísica y Tecnologías -- Línea de Instrumentación Astronómica”.

 Publicaciones ISI

• A Sideband-separating Receiver with a Calibrated Digital If-Hybrid Spectrometer for the Millimeter Band, R. Rodríguez, R. Finger, F. Mena, N. Reyes, E. Michael, L. Bronfman, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 126, No. 938, (2014).
• A calibrated digital sideband separating spectrometer for radio astronomy applications, R. Finger, F. P. Mena, N. Reyes , R.  Rodriguez, L. Bronfman, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 125, 263-269 (2013). 
• A Dual Ridge Broadband Orthomode Transducer for the 7-mm Band, N. Reyes, P. Zorzi, J. Pizarro, F. P. Mena, and L. Bronfman, JOURNAL OF INFRARED, MILLIMETER, AND TERAHERTZ WAVES 33, 1203-1210 (2012).
• Construction and Measurement of a 31.3-45 GHz Optimized Spline-profile Horn with Corrugations, P. Zorzi, C. Granet, F. Colleoni, N. Reyes, J. Pizarro, F. P. Mena, and L. Bronfman, JOURNAL OF INFRARED, MILLIMETER, AND TERAHERTZ WAVES 33, 17-24 (2012).