AliCPT1 위와 D밴드 캘리브레이션 소스 설계 및 성능 평가

초록

본 논문은 티베트 고원에 설치된 AliCPT‑1 CMB 편광 망원경의 빔 및 측면 로브 특성 측정을 위해 개발된 W‑밴드(75‑110 GHz)와 D‑밴드(120‑170 GHz) 마이크로파 캘리브레이션 소스의 설계, 구현 및 실험실 성능 검증 결과를 제시한다. 요구되는 출력 전력(>10 mW), 60 dB 이상의 동적 범위, ±1 % 수준의 전력 안정성, 0‑360° 회전 가능한 편광 각도 조절 기능 등을 만족함을 확인하였다.

상세 분석

AliCPT‑1은 72 cm 구경의 굴절 망원경으로 90 GHz와 150 GHz 두 대역에서 각각 19′와 11′의 각분해능을 제공한다. 이러한 고해상도 편광 측정을 위해서는 검출기 쌍 간 빔 불일치가 온도‑편광 누설을 일으켜 B‑모드 신호를 오염시킬 위험이 있다. 따라서 망원경의 원거리 빔(FFBM)과 원거리 측면 로브(FSLM)를 정밀하게 교정할 필요가 있다. 기존 BICEP/Keck 방식처럼 대형 열원(반경 1.7 m)을 사용하면 물리적 제약이 커지므로, 본 연구팀은 마이크로파 전자식 소스를 채택하였다.

설계 단계에서는 두 가지 캘리브레이션 시나리오를 고려하였다. 첫째, 1.4 km 거리의 C1 고지에 설치되는 FFBM 캘리브레이션에서는 -35 dB까지의 빔 프로파일을 측정해야 하며, 전송 전력은 -16 dBm~0 dBm 범위가 요구된다. 둘째, 18 m 거리의 FSLM 측정에서는 -90 dB까지의 측면 로브를 탐지해야 하므로, 전송 전력은 -3 dBm에서 -42 dBm 사이가 필요하고, 전체 동적 범위는 최소 60 dB가 되어야 한다.

W‑밴드와 D‑밴드 각각에 대해 75‑110 GHz와 120‑170 GHz 대역을 커버하도록 설계된 송신기에는 두 개의 기본 주파수 발생 경로가 있다. 하나는 50 Ω 저항을 저온 노이즈 증폭기로 증폭한 열노이즈 소스이며, 다른 하나는 VCO(전압 제어 발진기) 기반의 단일 주파수 혹은 스윕 모드 소스이다. 두 경로는 SPDT 스위치를 통해 선택되며, PIN 다이오드 스위치를 이용해 1 kHz 수준으로 신호를 차단(칩)한다. 이후 주파수 승배기와 고출력 증폭기를 거쳐 22 dBi 수준의 송신 안테나(웨이브가이드 톱니형 안테나)로 방출된다. 출력 전력은 두 단계의 전자식 가변 감쇠기(WT A)로 60 dB 이상 조절 가능하도록 설계되었다.

제어 및 동기화는 STM32 MCU와 CPLD, 고속 DAC, GPS PPS 신호를 이용해 구현하였다. MCU는 Ethernet을 통해 PC와 통신하고, 사용자가 정의한 시작·종료 주파수와 스윕 주기를 기반으로 최적의 DAC 스텝(최소 20 ns)과 주파수 단계 수를 자동 계산한다. 이를 통해 8 µs 내에 160단계 이상의 스윕을 수행할 수 있어 TES 검출기의 수백 마이크로초 열시정수를 충분히 초과하지 않는다. 또한, 회전 스테이지(분해능 0.0005°)와 틸트미터를 이용해 편광 각도를 정밀하게 제어·모니터링한다.

실험실 테스트에서는 전력계와 파워 센서를 이용해 최대 출력 +14 dBm(W‑밴드)와 +11 dBm(D‑밴드)를 확인했으며, 배경 노이즈는 각각 -25 dBm, -17 dBm 수준이었다. S21 측정으로 두 단계 감쇠기의 동적 범위가 설계 목표인 60 dB 이상임을 검증하였다. 전력 안정성 시험에서는 4시간 연속 측정 시 전력 변동이 ±1 % 이내에 머물렀으며, VCO 스윕 모드에서도 8 µs 스윕 주기로 안정적인 출력이 유지되었다. 이러한 결과는 AliCPT‑1의 빔 및 측면 로브 교정에 필요한 전력 수준, 동적 범위, 편광 제어 정확도, 시간 동기화 등을 모두 만족함을 의미한다.

본 연구는 고지대 대형 CMB 망원경에 적용 가능한 마이크로파 캘리브레이션 소스의 설계 원칙과 구현 기술을 제시함으로써, 향후 차세대 편광 실험에서도 유사한 접근법을 적용할 수 있는 기반을 제공한다.