A figure of merit for the x-band all-sky survey
Date
2023-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The X-Band All-Sky Survey (X-BASS), is an experiment aimed at mapping the sky, both in intensity and polarisation, in the frequency range 7—15 GHz. This is an extension of the C-Band All-Sky Survey (C-BASS), taking the form of a single-dish polarimeter
located in Klerefontein, South Africa. Using Cassegrain-like reflector surfaces already in place as part of C-BASS, the work will focus on the design of a feed antenna forthe new frequency band of interest. In traditional design algorithms, generic Figures of Merit (FoMs) describing the radiation pattern variations are used as design goals. These multiple FoMs are heuristically determined, and it is normally difficult to ascertain the quantitative importance of each FoM when combining them to describe the actual system performance. This is especially true for X-BASS, where the specific role of the instrument poses a unique set of requirements, the trade-off of which is not immediately apparent. As such, this work establishes new FoMs which directly relate antenna properties to their effect on distinct science goals. In order to accomplish this, attention must be paid toward the specific purpose of X-BASS, which is to aid experiments observing the cosmic microwave Background (CMB). Radiation from the CMB is seen to fluctuate across the sky in both temperature and polarisation. It is in the measurement of these anisotropies that lies a wealth of information on the origins of the universe and the physical mechanisms governing its evolution. The next generation of experiments seek to observe the CMB polarisation with an extraordinary degree of accuracy, placing ever-increasing demands on the instruments used to perform them. As such, more tailored design approaches than those that currently exist are required to optimise antenna structures in a way which maximises the quality of these science outcomes. This work sets out to accomplish this, providing a FoM for the X-BASS antenna which is readily calculable and relates directly to the uncertainty seen in the determination of cosmological parameters from CMB observations. Furthermore, this description is not specific to X-BASS, but could be applied more generally to other instruments aimed at measuring the CMB. With the FoM developed here at hand, future work can focus on rigorous analysis and optimisation of the antenna structure, allowing the effect of specific design choices to be studied in detail. The prescription could also be extended to consider more non-ideal effects, adding to the complexity of the analysis and providing a tool by which the next generation of CMB instruments can be designed.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die “X-Band All Sky Survey (X-BASS)” is ’n radio sterrekunde eksperiment met kartering van die hemelruim, in beide intensiteit sowel as polarisasie in die 7–15 GHz band, as doelstelling. Dit is ’n uitbreiding van die “C-Band All Sky Survey (C-BASS)”, en neem die vorm van ’n enkel-weerkaatser polarisasiemeter aan, en is gebaseer in Klerefontein, Suid Afrika. Deur gebruik te maak van die Cassegrain-tipe weerkaatser oppervlaktes wat reeds in plek is as deel van C-BASS sal hierdie werk fokus op die ontwerp van die voer antenna in die nuwe frekwensieband. In tradisionele ontwerp algoritmes word generiese werkverrigtingsmaatstawwe (FoMs), wat die stralingspatroon variasies beskryf, normaalweg gebruik as ontwerp teikens. Verskeie FoMs word heuristies bepaal en geweeg, maar dit is tipies moeilik om die kwantitatiewe belangrikheid van elkeen te bepaal om die totale stelselwerkverrigting te akkuraat te beskryf. Dit is vernaam waar vir X-BASS waar die spesifieke doel van die eksperiment ’n unieke stel vereistes daar stel wat moeilik is om teen mekaar op te weeg. Sodanig stel hierdie werk ’n nuwe stel FoMs voor wat direk die antenna eienskappe met hulle effek op die wetenskapsdoel van die eksperiment in verband bring. Ten einde hierin te slaag moet aandag gegee word aan die spesifieke doel van X-BASS, wat hoofsaaklik ingespan sal word om eksperimente wat die kosmiese mikrogolf agtergrond (CMB) waarneem by te staan. Straling van die CMB varieer oor die hemelruim in beide temperatuur en polarisasie. Die meting en karakterisering van hierdie anisotropiese gedrag gee ’n ryk bron van inligting aangaande die oorsprong en evolusie van die heelal en die fisiese meganismes wat dit onderspan. Die volgende geslag van eksperimente sal poog om die CMB polarisasie met ongekende vlakke van akkuraatheid waar te neem, wat ’n dienooreenkomstige streng stel voorwaardes plaas op die werkverrigting van die instrumente wat hierdie waarnemings sal doen. Sodanig word meer pasgemaakte ontwerp strategieë as wat tans gebruik word benodig om die antenna strukture te optimeer sodat die kwaliteit van die wetenskap produkte van hierdie stelsels gemaksimeer word. Hierdie werk het ten doel om dit te bereik deur ’n FoM vir die X-BASS antenna te voorsien wat maklik is om te bereken en direk verband hou met die bepaling van kosmologiese parameters uit CMB waarnemings. Verder is hierdie beskrywing nie spesifiek en uniek aan X-BASS nie, maar kan in die algemeen ook op ander eksperimente wat die CMB waarneem toegepas word. Met die FoM wat hier ontwikkel was ter hande, kan toekomstige werk fokus op die behoorlike analise en optimering van die antenna struktuur, ten einde die effekte van spesifieke ontwerpskeuses in detail te bestudeer. Die voorskrif kan ook uitgebrei word om meer nie-ideale effekte te oorweeg, wat die kompleksiteit van die analise sal verhoog, maar ’n verbeterde gereedskapstuk sal lewer vir die ontwerp van die volgende geslag CMB waarneming instrumente.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die “X-Band All Sky Survey (X-BASS)” is ’n radio sterrekunde eksperiment met kartering van die hemelruim, in beide intensiteit sowel as polarisasie in die 7–15 GHz band, as doelstelling. Dit is ’n uitbreiding van die “C-Band All Sky Survey (C-BASS)”, en neem die vorm van ’n enkel-weerkaatser polarisasiemeter aan, en is gebaseer in Klerefontein, Suid Afrika. Deur gebruik te maak van die Cassegrain-tipe weerkaatser oppervlaktes wat reeds in plek is as deel van C-BASS sal hierdie werk fokus op die ontwerp van die voer antenna in die nuwe frekwensieband. In tradisionele ontwerp algoritmes word generiese werkverrigtingsmaatstawwe (FoMs), wat die stralingspatroon variasies beskryf, normaalweg gebruik as ontwerp teikens. Verskeie FoMs word heuristies bepaal en geweeg, maar dit is tipies moeilik om die kwantitatiewe belangrikheid van elkeen te bepaal om die totale stelselwerkverrigting te akkuraat te beskryf. Dit is vernaam waar vir X-BASS waar die spesifieke doel van die eksperiment ’n unieke stel vereistes daar stel wat moeilik is om teen mekaar op te weeg. Sodanig stel hierdie werk ’n nuwe stel FoMs voor wat direk die antenna eienskappe met hulle effek op die wetenskapsdoel van die eksperiment in verband bring. Ten einde hierin te slaag moet aandag gegee word aan die spesifieke doel van X-BASS, wat hoofsaaklik ingespan sal word om eksperimente wat die kosmiese mikrogolf agtergrond (CMB) waarneem by te staan. Straling van die CMB varieer oor die hemelruim in beide temperatuur en polarisasie. Die meting en karakterisering van hierdie anisotropiese gedrag gee ’n ryk bron van inligting aangaande die oorsprong en evolusie van die heelal en die fisiese meganismes wat dit onderspan. Die volgende geslag van eksperimente sal poog om die CMB polarisasie met ongekende vlakke van akkuraatheid waar te neem, wat ’n dienooreenkomstige streng stel voorwaardes plaas op die werkverrigting van die instrumente wat hierdie waarnemings sal doen. Sodanig word meer pasgemaakte ontwerp strategieë as wat tans gebruik word benodig om die antenna strukture te optimeer sodat die kwaliteit van die wetenskap produkte van hierdie stelsels gemaksimeer word. Hierdie werk het ten doel om dit te bereik deur ’n FoM vir die X-BASS antenna te voorsien wat maklik is om te bereken en direk verband hou met die bepaling van kosmologiese parameters uit CMB waarnemings. Verder is hierdie beskrywing nie spesifiek en uniek aan X-BASS nie, maar kan in die algemeen ook op ander eksperimente wat die CMB waarneem toegepas word. Met die FoM wat hier ontwikkel was ter hande, kan toekomstige werk fokus op die behoorlike analise en optimering van die antenna struktuur, ten einde die effekte van spesifieke ontwerpskeuses in detail te bestudeer. Die voorskrif kan ook uitgebrei word om meer nie-ideale effekte te oorweeg, wat die kompleksiteit van die analise sal verhoog, maar ’n verbeterde gereedskapstuk sal lewer vir die ontwerp van die volgende geslag CMB waarneming instrumente.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2023.