Aperture Arrays del SKA

Una característica clave del SKA, su enorme área colectora, se conseguirá complementando las antenas que componen los radiotelescopios tradicionales, que en el SKA serán usadas a alta frecuencia, con aperture arrays.

¿Pero qué es un aperture array?

Un aperture array (en la imagen superior se puede ver una visión artística de estos instrumentos) consiste en un gran número de elementos de antena fijos asociados a sistemas de receptores adecuados, que pueden ser ordenados en un equema regular o aleatorio en el suelo. A partir de la combinación de las señales recibidas en cada uno de los componentes, se obtiene una única señal (un “haz”) que puede ser transportada y analizada. Antes de combinar todas las señales es preciso introducir ciertos retrasos temporales para alinear las fases de todas las señales provenientes de una dirección particular.

Los aperture array son innovadores, eficientes y baratos, proporcionan un gran campo de visión y son capaces de observar varias partes del cielo a la vez.

Utilizando simultáneamente diferentes conjuntos de retraso temporal, esta “formación de haz” se puede repetir muchas veces para crear múltiples haces independientes, lo que conduce a un enorme campo de visión total. La capacidad de configurar numerosos haces permitirá al sistema observar múltiples regiones del cielo simultáneamente, aumentando masivamente la velocidad del telescopio para sondear el cielo.

El número de haces útiles producido, o campo de visión total, está esencialmente limitado por la capacidad cálculo, de procesado de señal y de comunicación de datos. El SKA desde el comienzo está desafiando los límites de la industria y la tecnología, con conceptos y diseños que, como el programa Apolo en los años 60 y 70, no existían en el tiempo de su origen.

Más acerca de síntesis de apertura y formación de haz.

Beam forming

Visualización de la formación de haces del SKA. Imagen : SKA

Los aperture arrays utilizan sistemas de procesado digital y son muy flexibles, puesto que el sistema puede elegir el campo de visión y el ancho de banda, y así ofrecer un instrumento que puede ajustarse a las necesidades de un experimento concreto.

Para ello, no se requieren partes móviles, lo que es una de las claves del concepto de diseño del SKA, y permite cambios rápidos y pocos requerimientos a nivel de manutención.

¿Qué aspecto tendrán?

Australia Low Frequency Array, Close in fly by

Aperture array a baja frecuencia en Australia. Crédito: SKA

Utilizados en los rangos de frecuencias bajas y medias, los aperture arrays comprenden un gran número de pequeños receptores de radioondas ordenados en el suelo. Los conceptos de diseño de ambos se muestran en las imágenes siguientes.

 

Aperture array a frecuencia media en Sudáfrica. Imagen: SKA.

 

Mientras que las señales que llegan a un radiotelescopio tradicional rebotan en la superficie de un disco y se capturan en el foco, en los aperture array la señal se captura la primera vez que golpean el receptor en el suelo.

Las señales de todos los elementos se combinan electrónicamente, en fase, para sintetizar los haces de recepción. El resultado es un sistema rápido y flexible.

Hechos interesantes.

  • Para los arrays en fase del SKA, se variarán las fases relativas de las señales que vienen del espacio y llegan a los telescopios de tal manera que la señal efectiva de cada posición en el espacio que impacte con el array se incremente si viene de una dirección concreta, y se suprima en las otras direcciones.
  • El satélite Messenger fue el primero en utilizar un sistema de comunicaciones basado en arrays de fase.

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