Tama300 xix
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’05.03.26(土) - PowerPoint PPT Presentation


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レーザー干渉計型重力波検出器 TAMA300 のパワーリサイクリング XIX ( 信号取得・制御系 ). 中川憲保、新井宏二、佐藤修一,高橋竜太郎,阿久津智忠, 辰巳大輔,常定芳基,福嶋美津広,山崎利孝,三代木伸二, 長野重夫,安東正樹,森脇成典,武者満,神田展行,三尾典克,川村静児,藤本眞克,坪野公夫,大橋正健,黒田和明, TAMA Collaboration. 目次. 動機 Demodulator と Mixer 高調波対策 高調波の寄与 まとめ. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。. 1. 動機. Demodulator.

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Presentation Transcript
Tama300 xix

レーザー干渉計型重力波検出器TAMA300のパワーリサイクリングXIX(信号取得・制御系)

中川憲保、新井宏二、佐藤修一,高橋竜太郎,阿久津智忠,

辰巳大輔,常定芳基,福嶋美津広,山崎利孝,三代木伸二,

長野重夫,安東正樹,森脇成典,武者満,神田展行,三尾典克,川村静児,藤本眞克,坪野公夫,大橋正健,黒田和明,

TAMA Collaboration

 日本物理学会第60回年次大会 東京理科大(千葉、野田)  中川憲保


目次

  • 動機

  • DemodulatorとMixer

  • 高調波対策

  • 高調波の寄与

  • まとめ


に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。

1.動機

Demodulator

Photo detector

復調回路 (demodulator)

Power [dBm]

2f : -12dBm 3f : -53dBm 4f : -46dBm 5f : -52dBm

1f : -18dBm

0

Frequency [Hz]

15M

重力波信号はここに乗って来る

あまりに余分な信号が多い。これはノイズにならないだろうか…?


2 1 demodulator
2-1. Demodulatorに入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。とは

改良前の構成

Buffer

Phase shifter

LO

15MHz

Mixer

IF

RF

Demodulator

Photo detector

LO:変調に用いた基準信号。Phase shifterで位相を操作する。

RF:干渉計からの信号。TAMAでは直接Mixerにつながる。


2 2 mixer
2-2. Mixerに入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。とは

15M

その働き

干渉計に入れた信号(LO)と出てきた信号(RF)を掛け合わせ、干渉計信号(IF)を分離する。

IF

LO

RF

理想的な場合

LO

RF

IF

×

DC

30M

15M


2 2 mixer1
2-2. Mixerに入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。とは

高調波がもたらす問題

LO、RFの一方だけに高調波がある場合は問題ない

ノイズの可能性

LO

RF

IF

×

純LO×純RF

×

純LO×汚RF

×

汚LO×純RF

×

汚LO×汚RF


2 2 mixer2
2-2. Mixerに入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。とは

ダウンコンバートしてからでは区別出来ない!

LO、RFで高調波対策に取り組む

高調波がもたらす問題

LO、RFの一方だけに高調波がある場合は問題ない

ノイズの可能性

LO

RF

IF

×

純LO×純RF

×

純LO×汚RF

×

汚LO×純RF

×

汚LO×汚RF


2-3. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。高調波への感度

RFにわざと高調波を入れてその感度を測定

ダウンコンバート測定

LOが1fのみなら、高調波の感度は0のはず

評価測定

実際、TAMAのDemodulatorでどのくらいダウンコンバートするのか調べてみた。

予想図

Buffer

LO

Phase shifter

入力power

Mixer

RF

LO:15MHz

RF:15MHz+1kHz

IFに出てくる1kHzのpowerを読み取る

15M+1kHz


2-3. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。高調波への感度

RFにわざと高調波を入れてその感度を測定

ダウンコンバート測定

LOが1fのみなら、高調波の感度は0のはず

評価測定

Buffer

LO

Phase shifter

1kHz

入力power

Mixer

RF

LO:15MHz

RF:15MHz+1kHz

IFに出てくる1kHzのpowerを読み取る

15M

+1kHz


2-3. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。高調波への感度

RFにわざと高調波を入れてその感度を測定

ダウンコンバート測定

LOが1fのみなら、高調波の感度は0のはず

評価測定

Buffer

LO

Phase shifter

1kHz

入力power

Mixer

RF

LO:15MHz

RF:30MHz+1kHz

IFに出てくる1kHzのpowerを読み取る

30M

+1kHz


2-3. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。高調波への感度

RFにわざと高調波を入れてその感度を測定

ダウンコンバート測定

LOが1fのみなら、高調波の感度は0のはず

評価測定

Buffer

LO

Phase shifter

1kHz

入力power

Mixer

RF

LO:15MHz

RF:45MHz+1kHz

IFに出てくる1kHzのpowerを読み取る

45M

+1kHz


2-3. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。高調波への感度

RFにわざと高調波を入れてその感度を測定

ダウンコンバート測定

LOが1fのみなら、高調波の感度は0のはず

評価測定

約10dB

Buffer

LO

Phase shifter

1kHz

Mixer

3fのHarmonic distortionは約10dB(3倍ちょっと)

RF

高調波がノイズになりうる!

対策を考える

45M+1kHz


3-1. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。高調波対策

LOで高調波を減らす改良

位相調整にPhase shifterを使用

現在、over driveで使用

高調波が増加

対策

Phase shifterの前にattenuator、後にアンプを入れて調整する


3 2 lo
3-2. LOに入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。の改良

Buffer

LO

Phase shifter

Mixer

Amp 11dB

Buffer

LO

Phase shifter

AttN 10dB

Mixer

LO:基本波 RF:基本波or高調波+1kHz

LO改良結果

IF出力(1kHz成分)

Phase Shifterの入力調整を以下のように行った

-21dB

-18dB

基本波   : 変化無し  偶数倍波 : 改善     奇数倍波 : 

変化無し

原因を追究


3-3. Mixerに入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。の特性

改善しない理由

今回使ったMixer

復調にはMixerを用いている

Mixerは単なる掛け算機と考えていた

Double balanced mixer

TUF-3LH

(minicircuits)

実際はLOはスイッチとして働く

正弦波でなく矩形波に近いふるまい

奇数倍波の高調波が発生する

Mixer内の回路図

構造上これは防ぎようがない


4-1. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。干渉計における影響

干渉計感度への寄与の測定

干渉計を制御しつつ信号を分割して高調波の寄与を測定

干渉計制御

Dark port

Power splitter

Photo detector

高調波を選択するfilter

1f : -18dBm 2f : -12dBm 3f : -53dBm 4f : -46dBm 5f : -52dBm

実際、干渉計感度に高調波がどれだけ影響を与えるかを見てみた。

各高調波の感度への寄与


4-1. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。干渉計における影響

干渉計感度への寄与の測定

干渉計を制御しつつ信号を分割して高調波の寄与を測定

LO

干渉計制御

Dark port

Power splitter

Photo detector

高調波を選択するfilter

干渉計制御用と、高調波測定用のDemodu-latorでの位相が一致するように調整する。

1f : -18dBm 2f : -12dBm 3f : -53dBm 4f : -46dBm 5f : -52dBm

LO

各高調波の感度への寄与


4-1. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。干渉計における影響

感度=

(最大)2+(最小)2

干渉計感度への寄与の測定

干渉計を制御しつつ信号を分割して高調波の寄与を測定した

干渉計制御

1fと比較した時、位相が明確でないので、2fによる感度を位相を変えて、最大になる時と最小になる時を測定。

Dark port

Power splitter

Photo detector

buffer

down

1f : -18dBm 2f : -12dBm 3f : -53dBm 4f : -46dBm 5f : -52dBm

1fノッチ(減衰)

LO

buffer

2fによる感度への寄与


4-1. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。干渉計における影響

感度=

(最大)2+(最小)2

干渉計感度への寄与の測定

干渉計を制御しつつ信号を分割して高調波の寄与を測定した

干渉計制御

1fと比較した時、位相が明確でないので、3fによる感度を位相を変えて、最大になる時と最小になる時を測定。

Dark port

Power splitter

Photo detector

buffer

down

1f : -18dBm 2f : -12dBm 3f : -53dBm 4f : -46dBm 5f : -52dBm

1fノッチ(減衰)

down

2fノッチ(減衰)

残りの高調波による感度への寄与

buffer


4-2. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。測定結果

感度曲線

今回、干渉計の制御に用いていたTAMAの感度


4-2. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。測定結果

感度曲線

1fを減衰させ、2fの高調波による影響

Demodulatorとfilterのノイズにリミットされている。

現在の測定性能でのupper limit

2倍波の影響は無さそうだ

2fの測定


4-2. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。測定結果

感度曲線

1f、2fを減衰させ、それ以外の高調波による影響

Demodulatorとfilterのノイズにリミットされている。

現在の測定性能でのupper limit

3倍波以上も影響は無さそうだ

3f以上の測定


5.に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。まとめ

LO

高調波

Phase shifter

over driveへの対処で、偶数倍波は改善

Mixer

LOで奇数倍波は対処できないことが判明

干渉計感度への寄与

現在の測定精度では影響は見えない。少なくても今回のノイズレベルまで感度が向上しても大丈夫。

倍波の流入

感度に効いてこなくても基本波以上のパワーで存在しており、サチレーションが起きる可能性がある。今後PD等で対策は必要。


以上ですに入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。


3-1. Demodulator に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。「LO」

まずは、LOで高調波を減らす改良

Phase shifterのharmonic distortion

位相調整にPhase shifterを使用

現状、Phase shifterがover drive

TAMA300ではLOとして、11.8dBmが入っているが、このPhase shifterの推奨値は0dBm

現状

2fに関して約-10dB

この事が原因で高調波が増えてしまっている。

Phase shifterの前にattenuatorを、後にアンプを入れて調整する


3-1. Demodulator に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。「LO」

まずは、LOで高調波を減らす改良

Phase shifterのharmonic distortion

位相調整にPhase shifterを使用

現状、Phase shifterがover drive

TAMA300ではLOとして、11.8dBmが入っているが、このPhase shifterの推奨値は0dBm

調整後

2fに関して約-20dB

この事が原因で高調波が増えてしまっている。

10倍の改善

Phase shifterの前にattenuatorを、後にアンプを入れて調整する


4 2 demodulator rf
4-2. Demodulator に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。「RF」

RF改良結果

高調波

ノイズフロア

それぞれの問題をふまえて以下のように改良を行った

-27dB

-60dB

-54dB

-58dB

Mixer

RF

IF出力(1kHz成分)

Mixer

LO:基本波 RF:基本波or高調波+1kHz

Low-pass filter

Buffer

基本波   : 変化無し  偶数倍波 : 改善     奇数倍波 : 改善

RF

2nd wave notch

Buffer


4 2 demodulator rf1
4-2. Demodulator に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。「RF」

RF改良結果

高調波

ノイズフロア

それぞれの問題をふまえて以下のように改良を行った

Mixer

RF

Mixer

RFの改良前後のノイズフロアレベル

Low-pass filter

Buffer

ノイズフロアは悪化

干渉計感度からの要請10-7以下を満たさない

RF

2nd wave notch

Buffer

このままだとこの改良は使えない


4 2 demodulator rf2
4-2. Demodulator に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。「RF」

RF改良結果

高調波

ノイズフロア

それぞれの問題をふまえて以下のように改良を行った

Mixer

RF

Mixer

RFのBufferゲインを変えた時のノイズレベル

Low-pass filter

Buffer

ゲインに比例したノイズレベル

Bufferが原因と判明

RF

2nd wave notch

Buffer

難しい選択‥‥


3-4. Demodulator に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。「LO」

奇数倍波が改善しない理由

問題となる3倍波のHarmonic Distortion

復調にはMixerを用いている

LO

Mixerは単なる掛け算機と考えていた

15MHz

Resistance

Mixer

RF

50Ω

実際はLOとRFの役割は異なり、LOはスイッチとして働く

正弦波でなく矩形波に近いふるまい

-37dB

奇数倍波の高調波が発生する


3-4. Demodulator に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。「LO」

奇数倍波が改善しない理由

問題となる3倍波のHarmonic Distortion

復調にはMixerを用いている

LO

Mixerは単なる掛け算機と考えていた

15MHz

Mixer

RF

50Ω

実際はLOとRFの役割は異なり、LOはスイッチとして働く

-13dB

正弦波でなく矩形波に近いふるまい

奇数倍波の高調波が発生する

Mixerを入れると悪化

構造上これは防ぎようがない


5-2. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。感度曲線測定結果

減衰した1fから決まる感度

  • Q-phaseで比較した感度曲線

高調波が効いてくる?

Demodulator noiseで決まっている

減衰しても効いてくる1fで決まっている


5-2. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。感度曲線測定結果

  • I-phaseで比較した感度曲線

減衰した1fから決まる感度

減衰しても効いてくる1fで決まっている

Demodulator noiseで決まっている


5-2. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。感度曲線測定結果

位相差がわからないのでI、Qの自乗和ルートを取った

  • 高調波の感度曲線寄与の評価

30Hz

30Hz以下では高調波が効いてくる可能性がある

それ以上では、2fで100倍、3fで6.3倍感度が向上しても影響はない


3 3 demodulator
3-3. Demodulatorに入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。

Influence of the harmonics

Demodulation also down convertunnecessary harmonics to AF

It is a noise of the signal.

AF

LO

RF

Removed by a filter

Calculation of the

Standard

Harmonics (it is not exist in ideal)

LO

RF

It is impossible to distinguish!

Signal of the interferometer

To do something against harmonics.


4 improvement of the demodulator
4. Improvement of the demodulatorに入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。

Buffer

LO

Amp

Output

Phase shifter

Mixer

Diplexer1st order

RF

Improvement

Buffer

Amp

LO

Amp

Phase shifter

Output

AttN 20dB

Mixer

2nd wave notch

Low-pass filter

Diplexer2nd order

RF

Buffer

Buffer


参考に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。「 高調波の計算」

現状

Harmonic Distortion

倍波のHarmonic Distortion

N倍の周波数のパワーから基本波の周波数パワーを引いたもの。単位はdB。

LO:-25dB

RF:0dB

AF:-25dB

(0.3%)

さらに高次の高調波についても同様の事が言える

dBとdBm

足し上げると基本波の数%

目安として

0dBm=1mW

復調後は区別できず、直接ノイズとなってしまう

3dB=2倍10dB=10倍20dB=100倍

まず、信号ではないLO改良!


Detector
参考「に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。Detectorノイズレベル」

必要なノイズレベル

Detector部に要求されるノイズレベルの前提としては、「干渉計の感度曲線に影響を与えない」事である。その計算については、いくつかの条件から求めた。

 ・DCで目標を

 ・大まかに伝達関数Tは

これより、Detector部に要求されるノイズレベルは

          以下ということになる。

ぎりぎりTAMA300現行モデルのノイズレベルと一致する。また次世代干渉計を考えると、出来る事ならDetectorノイズは落としておきたい。


Mixer
参考に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。「Mixerのはたらき」

パワー小

パワー大

-

-

+

-

+

off

+

on

  • Mixerの働き(理想)

  • LOとRFを掛け合わせ、高周波域を除去することで、シグナルの周波数をdown convertする。

  • Mixerの働き(現実)

     ・ LOの働きはダイオードのスイッチをオンオフするのが主。

     ・そのために矩形波のような働きになる。

     ・よって、奇数倍の高調波が発生しやすくなる。

×

LO

RF

diplexer (IF) で除去

Output signal

Mixer回路

パワー大

パワー小

+

+

+

+

-

-

+

+

-

-

-

-

on

off

LO位相

+

+

-

+

-

-

LOスイッチで極性が変わる


5-2. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。測定結果

感度曲線

2fを減衰させ、1fの高調波による影響


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