次世代電波望遠鏡に向けた広帯域導波管回路の開発

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20J23670
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 増井 翔 大阪府立大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Keywords: 導波管回路 / 広帯域 / 電波望遠鏡 / 円偏波 / 直交偏波

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、効率的な観測を可能とする広帯域導波管回路を開発し、世界でも最高分解能・最高感度クラスを持つALMA望遠鏡やブラックホールの観測に成功したVLBIの次世代受信機を構成する回路として提案することを目標としている。
本研究で目標の一つとしていた片偏波広帯域同時観測を実現するために、比帯域56%という広帯域な周波数4分配器を設計・製作し、情報通信研究機構にある高周波ネットワークアナライザを使用して周波数特性の測定をした。開発した周波数4分配器を超伝導SIS-Mixerに接続し、冷却下での実験も進め、分配器による大きな雑音温度の上昇などもない結果を得ることができた。上記の受信機を大阪府大が運用・開発を進めてきた口径1.85mの電波望遠鏡に搭載するにまで至った。
一方、広帯域偏波分離器の開発も進めている。本研究では、直交偏波分離器と円偏波分離器の広帯域も目標としている。広帯域な円偏波分離器を開発するために、90度位相遅延器と直交偏波分離器を用いた円偏波分離器を採用している。プロトタイプとして開発してきた円偏波分離器から得た知見を元に、設計のアップグレードをした。その結果、両回路の設計を大幅に進めることができた。位相遅延器については、これまでリッジ型とコルゲート型の2種類の異なる周波数依存性を持つ回路を組み合わせることで広帯域な位相遅延器の開発を進めてきたが、今までの設計では比帯域50%程度しか得ることができず、さらに位相遅延量が90±10度程度が限界であった。今回、3種類の回路を組み合わせ、比帯域54%の広帯域で90±5度程度を実現できるような回路の設計に成功した。さらに直交偏波分離器については、反射損失が20dB以上（入力強度の1/100）の低損失な設計を得ることができた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

開発した広帯域導波管周波数4分配器を受信機に組み込んで評価を行い、望遠鏡への搭載を経て天文観測に実用できたことは大きな進展であると考えている。今まで2つの受信機で観測していた周波数領域を、この方式では一度に観測することが可能となり、効率的な観測が期待できる。この結果は令和3年3月に論文としてPASJに投稿した。
一方で、直交偏波や円偏波を分離する回路の広帯域化も進めている。特に円偏波分離器に関しては、これまで問題であった位相遅延の周波数依存性を解決するために、異なる周波数依存性を持つ位相遅延器を組み合わせることで広帯域な位相遅延特性を得ようとする新たな方式の開発を進め、設計の段階ではあるが、非常に良い結果が得られた。この直交偏波分離器に関しても、広帯域に反射損失20dB以上を持つ低損失な設計が得られている。
以上、開発目標としていた3種類の導波管回路において、十分な研究成果が出ている。特に、偏波分離器の設計では、来年度以降に進める予定であったため、当初の計画以上の研究の進展があったと考えている。

Strategy for Future Research Activity

前年度までの開発で、低損失な直交偏波分離器の設計を得ることができた。本年度では、本回路の測定を進める。測定には、情報通信研究機構にある高周波VNAを使用する。シミュレーション通りの結果を得ることができれば、位相遅延器と組み合わせるために必要な円形-方形導波管変換と円偏波分離器を組み合わせた45度導波管変換の設計を進める。 さらに、新たに設計した位相遅延器についても測定を進める。位相遅延器は、これまで製作してきたプロトタイプからの改良点が多く、シミュレーション結果と測定結果に加えてレーザー3次元測定なども行い、切削による回路の設計からのズレを求め、再度シミュレーションに応用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Development of a wideband waveguide diplexer for simultaneous observation at 210-375 GHz (2020)
  • Author(s): Masui Sho、Minami Taisei、Okawa Masanari、Yamasaki Yasumasa、Yokoyama Koki、Ueda Shota、Hasegawa Yutaka、Nishimura Atsushi、Onishi Toshikazu、Ogawa Hideo、Kojima Takafumi、Gonzalez Alvaro
  • Journal Title: Proc. of Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Conference Volume: 11453 Pages: 114534F-1-8
  • DOI: 10.1117/12.2561355
• [Journal Article] Optical design of the 1.85-m mm-submm telescope in 210-375 GHz band (2020)
  • Author(s): Yamasaki Yasumasa、Masui Sho、Okawa Masanari、Yokoyama Koki、Minami Taisei、Ueda Shota、Hasegawa Yutaka、Nishimura Atsushi、Onishi Toshikazu、Ogawa Hideo、Okada Nozomi、Kimura Kimihiro、Gonzalez Alvaro、Kojima Takafumi、Kaneko Keiko、Sakai Ryo
  • Journal Title: Proc. of Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Conference Volume: 11453 Pages: 114534H-1-8
  • DOI: 10.1117/12.2561955
• [Journal Article] Current status and future plan of Osaka Prefecture University 1.85-m mm-submm telescope project (2020)
  • Author(s): Nishimura, A., Tokuda, K., Harada, R., Hasegawa, Y., Ueda, S., Masui, S. et al.
  • Journal Title: Proc. of Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Conference Volume: 11445 Pages: 114457F-1-13
  • DOI: 10.1117/12.2560955
• [Journal Article] Development of the new multi-beam receiver and telescope control system for NASCO (2020)
  • Author(s): Nishimura Atsushi、Masui Sho (47番目)、et al.
  • Journal Title: Proc. of Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Conference Volume: 11453 Pages: 114533Z-1-18
  • DOI: 10.1117/12.2562053
• [Presentation] 1.85m電波望遠鏡による 230GHz, 345GHz帯CO同位体6輝線同時観測のファーストライト (2021)
  • Author(s): 増井翔, 山崎康正, 近藤滉, 横山航希, 松本健, 南大晴, 大川将勢, 上田翔汰, 長谷川豊, 藤田真司, 西村 淳, 大西利和, 小川英夫, 小嶋崇文, 上水和典, 金子慶子, 坂井了, Alvaro Gonzalez
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] 野辺山 45 m 鏡 7 ビーム 3 帯域両偏波受信機の開発 IV : 導波管回路 (2021)
  • Author(s): 増井翔, 川下紗奈, 米山翔, 山崎康正, 横山航希, 長谷川豊, 大西利和, 小川英夫, 立松健一, 宮澤千栄子, 高橋敏一, 前川淳, 酒井剛
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] 1.85m鏡に搭載 新広帯域受信機 -ファーストライト- (2021)
  • Author(s): 増井翔, 山崎康正, 近藤滉, 横山航希, 松本健, 南大晴, 大川将勢, 小西諒太朗, 上田翔汰, 長谷川豊, 藤田真司, 西村淳, 大西利和, 小川英夫,小嶋崇文, 上水和典, 金子慶子, 坂井了, Gonzalez, A.
  • Organizer: 第21回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [Presentation] 1.85m望遠鏡の広帯域化 :210-375 GHz帯をカバーする分子スペクトル同時受信システム (2021)
  • Author(s): 増井翔
  • Organizer: (サブ)ミリ波単一鏡の革新で挑む, 天文学の未解決問題
• [Presentation] 野辺山 45m 鏡 7 ビーム 3 帯域両偏波受信機の開発 I: 目的 (2021)
  • Author(s): 立松健一, 宮澤千栄子, 高橋敏一, 前川淳, Alvaro Gonzalez, 金子慶子, 小川英夫, 長谷川豊, 山崎康正, 増井翔, 川下紗奈, 米山 翔, 横山 航希, 大西利和, 酒井剛
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] 野辺山 45m 鏡 7 ビーム 3 帯域両偏波受信機の開発 II: 受信機概要 (2021)
  • Author(s): 長谷川豊, 山崎康正, 増井翔, 川下紗奈, 米山翔, 横山航希, 小川英夫, 大西利和, 立松健一, 宮澤千栄子, 高橋敏一, 前川淳, Alvaro Gonzalez, 金子慶子, 酒井剛
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] 野辺山 45m 鏡 7 ビーム 3 帯域両偏波受信機の開発 III : 光学系 (2021)
  • Author(s): 山崎康正, 長谷川豊, 増井翔, 川下紗奈, 米山翔, 横山航希, 大西利和, 小川英夫, 木村公洋, 立松健一, 宮澤千栄子, 高橋敏一, 前川淳, Alvaro Gonzalez, 金子慶子, 酒井剛
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] SIS 受信機に付加される信号発生器 (SG) 由来の過剰雑音の原因 (2021)
  • Author(s): 横山航希, 増井翔, 川下紗奈, 山崎康正, 南大晴, 大川将勢, 米山翔, 長谷川豊, 西村淳, 大西利和, 小川 英夫, 小嶋崇文, 上水和典
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] 1.85 m 電波望遠鏡の新制御システム開発および CO (J =2-1,3-2) の同時 OTF 観測 (2021)
  • Author(s): 松本健, 近藤滉, 小西亜侑, 中尾優花, 西本晋平, 上田翔汰, 西村淳, 藤田真司, 増井翔, 山崎康正, 横山航希, 南大晴, 大川将勢, 川下紗奈, 米山翔, 大西利和, 小川英夫
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] NRO45m鏡搭載 新7ビーム両偏波3帯域同時受信機の開発 (2021)
  • Author(s): 長谷川豊, 山崎康正, 増井翔, 川下紗奈, 米山翔, 横山航希, 小川英夫, 大西利和, 立松健一, 宮澤千栄子, 高橋敏一, 前川淳, Alvaro Gonzalez, 金子慶子, 酒井剛
  • Organizer: 第21回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [Presentation] 1.85m鏡搭載 210-375 GHz広帯域伝送系及びコルゲートホーンの開発 (2021)
  • Author(s): 山崎康正, 増井翔, 近藤滉, 松本健, 大川将勢, 川下紗奈, 米山翔,小西亜侑, 南大晴, 横山航希, 長谷川豊, 藤田真司, 西村淳, 大西利和, 小川英夫, 木村公洋, 坂井了, 金子慶子, 小嶋崇文, Alvaro Gonzalez
  • Organizer: 第21回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [Presentation] SIS受信機に付加されるLO系起因の過剰雑音の原因調査 (2021)
  • Author(s): 横山航希, 増井翔, 川下紗奈, 山崎康正, 南大晴, 大川将勢, 米山翔, 長谷川豊, 西村淳, 大西利和, 小川英夫, 小嶋崇文, 上水和典
  • Organizer: 第21回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [Presentation] 45m鏡 新7ビーム両偏波3帯域同時観測受信機 - 導波管Triplexerの開発- (2021)
  • Author(s): 川下紗奈, 増井翔,長谷川豊, 米山翔, 山崎康正, 横山航希, 大西利和, 小川英夫, 立松健一, 宮澤千栄子, 高橋敏一, 前川淳, 酒井剛
  • Organizer: 第21回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [Presentation] 45m鏡 新7ビーム両偏波3帯域同時観測受信機 -直交偏波分離器の開発- (2021)
  • Author(s): 米山翔、増井翔、長谷川豊、川下紗奈、山崎康正、横山航希、大西利和、小川英夫、立松健一、宮澤千栄子、高橋敏一、前川淳、酒井剛
  • Organizer: 第21回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [Presentation] 茨城32m電波望遠鏡搭載用 6-9GHz帯広帯域受信機用ポーラライザーの開発 (2021)
  • Author(s): 上地康仁, 米倉覚則, 増井翔, 小川英夫
  • Organizer: 第21回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [Presentation] Development of wideband waveguide diplexer for simultaneous observations at 210-375 GHz (2020)
  • Author(s): Masui, S., Minami, T., Okawa, M., Yamasaki, Y., Yokoyama, K., Ueda, S., Hasegawa, Y., Nishimura, A., Onishi, T., Ogawa, H., Kojima, T., Gonzalez, A.
  • Organizer: Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Conference
• [Presentation] Optical design of the 1.85-m mm-submm telescope in 210-375 GHz band (2020)
  • Author(s): Yamasaki Yasumasa, Masui S., Okawa, M., Yokoyama, K., Minami, T., Ueda, S., Hasegawa, Y., Nishimura, A., Ogawa, H., Onishi, T., Okada, N., Kimura, K., Gonzalez, A., Kojima, T., Kaneko, K., Sakai, R.
  • Organizer: Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Conference
• [Presentation] Current Status and Future Plan of Osaka Prefecture University 1.85m mm-submm Telescope Project (2020)
  • Author(s): Nishimura, A., Tokuda, K., Harada, R., Hasegawa, Y., Ueda S., Masui, S. et al.
  • Organizer: Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Conference
• [Presentation] Development of the New Multi-Beam Receiver and Telescope Control System for NASCO (2020)
  • Author(s): Nishimura Atsushi、Masui Sho (47番目)、et al.
  • Organizer: Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Conference
• [Presentation] 200 GHz帯/300 GHz帯分離導波管フィルタを用いた SIS 受信機の開発 (2020)
  • Author(s): 増井翔, 南大晴, 横山航希, 大川将勢, 山崎康正, 上田翔汰, 長谷川豊, 藤田真司, 西村淳, 大西利和, 小川英夫, 小嶋崇文, 上水和典, 金子慶子, 坂井了, Alvaro Gonzalez
  • Organizer: 日本天文学会秋季年会
• [Presentation] 230 GHz, 345 GHz帯 同時観測用広帯域SIS受信機の開発 (2020)
  • Author(s): 増井翔, 南大晴, 横山航希, 大川将勢, 山崎康正, 松本健, 近藤滉, 上田翔汰, 長谷川豊, 藤田真司, 西村淳, 大西利和, 小川英夫, 小嶋崇文, 上水和典, 金子慶子, 坂井了, Alvaro Gonzalez
  • Organizer: Nobeyama Science Workshop
• [Presentation] ミリ波帯における広帯域円偏波分離器の開発 (2020)
  • Author(s): 増井翔, 長谷川豊, 大西利和, 小川英夫
  • Organizer: 18th Mizusawa VLBI Observatory Users Meeting
• [Presentation] 広帯域円偏波分離器の開発 (2020)
  • Author(s): 増井翔, 長谷川豊, 大西利和, 小川英夫
  • Organizer: 第18回 IVS技術開発センターシンポジウム
• [Presentation] 210-365 GHz帯 広帯域円偏波分離器の開発 (2020)
  • Author(s): 増井翔, 長谷川豊, 大西利和, 小川英夫
  • Organizer: VLBI懇談会シンポジウム
• [Presentation] 導波管の周波数帯域限界に迫る210－375 GHz帯コルゲートホーンの開発進捗 (2020)
  • Author(s): 山崎康正, 大川将勢, 南大晴, 横山航希, 増井翔, 上田翔汰, 長谷川豊, 西村淳, 大西利和, 小川英夫, 木村公洋, Alvaro Gonzalez, 小嶋崇文, 金子慶子, 坂井了
  • Organizer: 日本天文学会秋季年会
• [Presentation] 広帯域 IF(4-21GHz) 出力を持つ SIS 受信機に付加される LO 系起因の過剰雑音 (2020)
  • Author(s): 横山航希, 大川将勢, 南大晴, 山崎康正, 増井翔, 上田翔汰, 長谷川豊, 西村淳, 大西利和, 小川英夫, 小嶋崇文, 上水和典
  • Organizer: 日本天文学会秋季年会
• [Presentation] 1.85m 電波望遠鏡に搭載する 210-375 GHz 帯光学系の開発 (2020)
  • Author(s): 大川将勢, 南大晴, 横山航希, 山崎康正, 増井翔, 上田翔汰 長谷川豊, 西村淳, 大西利和, 小川英夫
  • Organizer: 日本天文学会秋季年会
• [Presentation] デジタル分光計XFFTSへの2.5－5 GHz入力の検討 (2020)
  • Author(s): 南大晴, 増井翔, 松本健, 近藤滉, 横山航希, 山﨑康正, 大川将勢, 上田翔汰, 長谷川豊, 藤田真司, 西村淳, 大西利和, 小川英夫
  • Organizer: 日本天文学会秋季年会
• [Presentation] 広帯域/高周波 VLBI 受信機システムの開発進捗 @ 大阪府立大学 (2020)
  • Author(s): 長谷川豊, 山崎康正, 増井翔, 小川英夫, 上地康仁, 川上泰輝, 米倉覚則, 落合啓, 木村公洋, 赤堀 卓也、石野 雅之, 川原 祐紀
  • Organizer: VLBI懇談会シンポジウム
• [Presentation] 茨城 32m 電波望遠鏡用 6-9 GHz 広帯域受信機用ポーラライザーの開発 (2020)
  • Author(s): 上地康仁, 米倉覚則, 増井翔, 小川英夫
  • Organizer: VLBI懇談会シンポジウム
• [Remarks] 増井翔さんが、VLBI懇談会シンポジウムにおいて『最優秀口頭発表賞』を受賞しました
  • URL: http://www.astro.s.osakafu-u.ac.jp/news/2020/20201117.html
• [Remarks] 大阪府立大学と国立天文台との間で研究協力協定書が締結されました
  • URL: http://www.astro.s.osakafu-u.ac.jp/news/2021/20210301.html