ミリ波サブミリ波帯における超広帯域円偏波分離器の開発

• 研究課題/領域番号: 21K03629
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分16010:天文学関連
• 研究機関: 大阪公立大学 (2022); 大阪府立大学 (2021)
• 研究代表者: 小川 英夫 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 客員教授 (20022717)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 円偏波 / 広帯域 / 電波天文学 / 導波管 / 円偏波分離器 / ミリ波 / テラヘルツ波 / 電波望遠鏡

研究開始時の研究の概要

ブラックホール観測に成功したEvent Horizon Telescope (EHT)の次期計画であるNext Generation EHT (ngEHT)の開発課題の一つに、230 GHz帯と345 GHz帯の両偏波同時観測が挙げられている。しかし、現在の技術では230-345 GHzに渡る広帯域な円偏波分離器の開発は難しかった。我々は位相遅延器と直交偏波分離器から成る円偏波分離器に焦点を当て、これまで広帯域化が困難であった位相遅延器を開発し、広帯域な位相遅延が得ることに成功した。本研究では、未開発の210-365 GHz帯の円偏波分離器の開発を目指す。

研究実績の概要

本年度では主に、開発した位相遅延器と直交偏波分離器を用いて、円偏波分離器としての特性を評価した。円偏波を分離するために位相遅延器は直交偏波分離器に対して、45度傾いて設置されている。そのため、位相遅延器と直交偏波分離器の間には、低損失に偏波を合成可能な45度導波管変換が必要であった。45度導波管変換には、正方形-円形導波管変換2つと円形導波管1つを用いて設計した。製造した45度導波管変換を用いて、円偏波分離器の測定を進めた。円偏波分離器を精度よく測定するために、製造した2つの円偏波分離器を鏡面対称に接続し、円偏波分離器2つ分の反射損失、交差偏波分離度、挿入損失を測定した。測定結果より、反射損失と挿入損失では予想通りの結果が得られた。交差偏波分離度に関しては、一部問題があり、調査した結果、測定時に接続している直線の正方形導波管が交差偏波の劣化の原因であることがわかった。現在、正方形導波管の再製作および、正方形導波管無しでの測定が可能であるかを検討している。しかし、全体的に設計通りの結果が得られており、今後望遠鏡の搭載に向けて準備も進める。

また、昨年度より進めていた測定時に使用している導波管変換の特性を除く測定も進めており、位相遅延器については取り除いた結果が設計結果をトレースしていることを確認できた。直交偏波分離器に関しては、今後取り除き、反射の劣化原因追求を進める。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

設計・開発を進めてきた210-365 GHzの円偏波分離器については、一部を除いて設計通りの測定結果が得られており、ミリ波サブミリ波帯における広帯域円偏波分離器が実現できつつある。今後、開発した円偏波分離器の望遠鏡への搭載準備を進めていく。
一方で、本研究で開発した円偏波分離器を70-116 GHz帯の周波数で望遠鏡に搭載することが決まり、本研究内容が既に波及効果を生み出している。

今後の研究の推進方策

交差偏波分離度の劣化の原因である正方形導波管のより詳細な調査のために、正方形導波管の3次元測定を検討している。これにより、片方の円偏波にのみ影響がある原因を理解し、再製作にフィードバックさせる。加えて、望遠鏡への搭載に向けて、クライオスタットを用いた冷却試験が可能かどうかの検討を進めている。
また、より高性能な特性を持った円偏波分離器の開発も進めており、反射損失24dB、位相遅延量90±4度の位相遅延器の設計が得られている。この設計の試作として、70-116 GHz帯での製造を考えており、210-365 GHzに比べて切削精度が高い条件下で回路を製造可能である。そのため、高性能な設計を再現する測定結果が得られると期待できる。上記の低周波での開発を元にして、210-365 GHz帯の設計へのフィードバックを検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Development of seven-beam optics using dielectric lenses for a new 72?116?GHz receiver in the Nobeyama 45?m telescope (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamasaki Y.、Hasegawa Y.、Yoneyama S.、Kawashita S.、Chinen T.、Masui S.、Nosohara C.、Sun H.、Dakie S.、Kameyama A.、Fujitomo I.、Nishikawa Y.、Ogawa H.、Tatematsu K.、Nishimura A.、Miyazawa C.、Takahashi T.、Maekawa J.、Gonzalez Al.、Kojima T.、Imada H.、Kaneko K.、Sakai R.、Sakai T.、Onishi T.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: － 号: 3 ページ: 499-513
  • DOI: 10.1093/pasj/psad015
  • 査読あり
• [雑誌論文] 210-365 GHz 90° Differential Phase Shifter for Wideband Circular Polarizer (2022)
  • 著者名/発表者名: Masui Sho、Hasegawa Yutaka、Ogawa Hideo、Kojima Takafumi、Onishi Toshikazu
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 巻: 12 号: 5 ページ: 527-534
  • DOI: 10.1109/tthz.2022.3191851
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a new wideband heterodyne receiver system for the Osaka 1.85 m mm-submm telescope: Receiver development and the first light of simultaneous observations in 230 GHz and 345 GHz bands with an SIS-mixer with 4-21 GHz IF output (2021)
  • 著者名/発表者名: Masui S., Yamasaki Y., Ogawa H., Kondo H., Yokoyama K., Matsumoto T., Minami T., Okawa M., Konishi R., Kawashita S., Konishi A., Nakao Y., Nishimoto S., Yoneyama S., Ueda S., Hasegawa Y., Fujita S., Nishimura A., Kojima T., Uemizu K., Kaneko K., Sakai R., Gonzalez A., Uzawa Y., Onishi T.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 73 号: 4 ページ: 1100-1115
  • DOI: 10.1093/pasj/psab046
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a new wideband heterodyne receiver system for the Osaka 1.85 m mm-submm telescope: Corrugated horn and optics covering the 210-375 GHz band (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamasaki Y., Masui S., Ogawa H., Kondo H., Matsumoto T., Okawa M., Yokoyama K., Minami T., Konishi R., Kawashita S., Konishi A., Nakao Y., Nishimoto S., Yoneyama S., Ueda S., Hasegawa Y., Fujita S., Nishimura A., Kojima T., Kaneko K., Sakai R., Gonzalez A., Uzawa Y., Onishi T.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 73 号: 4 ページ: 1116-1127
  • DOI: 10.1093/pasj/psab062
  • 査読あり
• [学会発表] 210-365 GHz帯 広帯域円偏波分離機の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 増井翔
  • 学会等名: フォトニックネットワークシンポジウム2023
• [学会発表] 茨城観測局電波望遠鏡搭載 広帯域CX帯受信機の開発4 (2023)
  • 著者名/発表者名: 知念翼, 孫赫陽, 抱江柊利, 米山翔, 川下紗奈, 増井翔, 山崎康正, 野曽原千晟, 長谷川豊, 澤田-佐藤聡子, 岡田望, 小川英夫, 大西利和, 米倉覚則, 清水裕亮, 松原空洋, 新沼浩太郎, 藤澤健太
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] EAVN/VERA 86GHz 帯を用いた巨大ブラックホールの観測に向けて (2023)
  • 著者名/発表者名: 秦和弘, 上野祐治, 小山友明, 鈴木駿策, 砂田和良, 本間希樹, 山内彩, 山下一芳（国立天文台) , 小川英夫, 亀山晃, 近藤奨紀, 澤田佐藤聡子, 抱江柊利, 増井翔, 山崎康正, 岡田望, 小山翔子, 新沼浩太郎, 紀基樹, 高村美恵子
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] 1.85m電波望遠鏡搭載受信機の 高感度化・広帯域化に向けた開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川下紗奈、増井翔、山崎康正、知念翼、米山翔、抱江柊利、野曽原千晟、孫赫陽、澤田-佐藤聡子、長谷川豊、大西利和、小川英夫、小嶋崇文
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] マイクロ波帯増幅器の出力における信号雑音比について (2022)
  • 著者名/発表者名: 川下紗奈、小嶋崇文、増井翔、大西利和、小川英夫
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] 茨城観測局電波望遠鏡搭載 広帯域CX帯受信機の開発3 (2022)
  • 著者名/発表者名: 知念翼, 孫赫陽, 抱江柊利, 米山翔, 川下紗奈, 増井翔, 山崎康正, 野曽原千晟, 長谷川豊, 澤田-佐藤聡子, 岡田望, 小川英夫, 大西利和, 米倉覚則, 清水裕亮,新沼浩太郎, 藤澤健太
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] 広帯域CX帯同軸導波管変換の開発とそれを用いたTRL校正 (2022)
  • 著者名/発表者名: 抱江柊利, 孫赫陽, 野曽原千晟, 知念翼, 米山翔, 川下紗奈, 山崎康正, 増井翔, 長谷川豊, 澤田-佐藤聡子, 大西利和, 小川英夫, 米倉覚則, 清水裕亮, 新沼浩太郎, 藤澤健太
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] 茨城観測局電波望遠鏡搭載広帯域CX位相遅延器の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 孫赫陽, 抱江柊利, 野曽原千晟, 知念翼, 米山翔, 川下紗奈, 山崎康正, 増井翔, 長谷川豊, 澤田-佐藤聡子, 大西利和, 小川英夫, 米倉覚則, 清水裕亮, 新沼浩太郎, 藤澤健太
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] Development of circular polarizers in 6.5-12.5 GHz band for the Ibaraki and Yamaguchi 32m radio telescopes (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Chinen, K.Son, S.Dakie, S.Yoneyama, S.Kawashita, S.Masui, Y.Yamasaki, C.Nosohara, Y.Hasegawa, S.Sawada-Sato, H.Ogawa, T.Onishi, N.Okada, Y.Yonekura, Y.Simizu, T.Matsubara, K.Ninuma, K.FuJisawa
  • 学会等名: 23rd East Asia Submillimeter-Wave Receiver Technology Workshop jointly with the Riken-NICT Joint Workshop on Terahertz Technology
  • 招待講演
• [学会発表] First light of 7 BEam Equipment with 3-frequencyband in 72-116 GHz for multi-line observations on the Nobeyama 45-m telescope: (1) Receiver system and its performances (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Yoneyama
  • 学会等名: 23rd East Asia Submillimeter-Wave Receiver Technology Workshop jointly with the Riken-NICT Joint Workshop on Terahertz Technology
• [学会発表] 1.85m鏡230GHz,345GHz帯同時観測のための一体型周波数分離フィルターの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川下紗奈, 増井翔, 山崎康正, 知念翼, 米山翔, 抱江柊利, 野曽原千晟, 孫赫陽, 長谷川豊, 大西利和, 小川英夫, 小嶋崇文
  • 学会等名: 第22回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [学会発表] 電波天文観測における広帯域RF, IF受信機技術の最新動向及び大阪府大1.85m望遠鏡での広帯域観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増井翔
  • 学会等名: 宇宙電波懇談会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 次世代電波望遠鏡に向けた広帯域受信機の開発と将来開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増井翔
  • 学会等名: 新学術領域「星・惑星形成」2021年度大研究会
• [学会発表] Development of wideband circular polarizer (2021)
  • 著者名/発表者名: 増井翔, 長谷川豊, 大西利和, 小川英夫
  • 学会等名: ngVLA-J Development Days 2021
• [学会発表] Design of the wideband waveguide OMTs for the ngVLA (2021)
  • 著者名/発表者名: 長谷川豊, 米山翔, 知念翼, 増井翔, 小川英夫, 大西利和, 立松健一
  • 学会等名: ngVLA-J Development Days 2021
  • 招待講演
• [学会発表] Development of 230 and 345 GHz simultaneous observation receiver with dual-polarization (2021)
  • 著者名/発表者名: Masui, S., Yamasaki, Y., Hasegawa, Y., Ogawa, H., Onishi, T., Kojima, T., Gonzalez, A.
  • 学会等名: From Vision to Instrument: Designing the Next-Generation EHT to Transform Black Hole Science
  • 国際学会
• [学会発表] ミリ波サブミリ波帯における広帯域円偏波分離器の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 増井翔, 長谷川豊, 山崎康正, 小川英夫, 大西利和, 小嶋崇文
  • 学会等名: VLBI懇談会シンポジウム
• [備考] 世界初！ 宇宙空間の多くの分子からの電波を同時に受信するシステムの開発に成功
  • URL: https://www.osakafu-u.ac.jp/press-release/pr20210708/