Magíster en Ingeniería Eléctrica / El proyecto astronómico ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, es el radiobservatorio interferométrico más grande del mundo. Se compone de 66 antenas con diámetros de 7 y 12~m, ubicadas en el norte de Chile a una altitud de 5000~m sobre el nivel del mar. Su excelente localización y tecnología proveerán sensibilidad y resolución sin presedentes para el estudio de los origenes del universo, formación y evolución de galaxias, estrellas, planetas y la compleja química del medio interestelar. Por ello, ALMA constituye un gran desafío en diversas áreas de la ciencia y la tecnología. En esta tesis se presenta el diseño, contrucción y caracterización del sistema óptico para el receptor heterodino de la Banda 1 de ALMA. Este sistema combina una serie de exigentes especificaciones técnicas, limitaciones de construcción y restricciones de costo que requieren equilibrarse. El sistema debe cubrir el rango de frecuencia entre 35-50 GHz (con el objetivo de extenderlo hasta 52 GHz) sin ninguna sintonización mecánica, lograr un eficiencia de apertura para toda la banda que supere el 80%, poseer una apertura de polarización superior a 99.5%, incluir en torno a 10 K de ruido, poseer un error de alineamiento menor a 5~mrad respecto a la posición nominal y no debe interferir con los dispositivos ya existentes. Además, el sistema debe ser compatible para las antenas de 7 y 12 m, que poseen un ángulo de iluminación distinto al secundario. El sistema óptico consiste en una antena tipo bocina compacta corrugada, una membrana de gore-tex y membrana ranurada de teflón como filtros de las etapas de 15 y 110 K, respectivamente, y un lente con zona biconvexo fabricado de polietileno que incluye corrugaciones como capa anti-reflectora. Está tesis se enfoca en la antena tipo bocina y el lente. El proceso de diseño de los dipositivos se realizó de manera iterativa, por lo que dos modelos de antenas tipo bocina y tres lentes de una zona son presentados. El diseño de las antenas consistió en determinar las características necesarias del patrón radiativo utilizando modelos cuasiópticos. Luego se optimizó su perfil utilizando ténicas de adaptación modal y algoritmos genéticos. El procedimiento de diseño de lentes fue similar al utilizado para la bocina. Primero, se consideraron como parámetros iniciales los valores calculados mediante el modelo quasioptico y luego se realizaron análisis de sensibilidad utilizando la ténica de método de los momentos y método de elementos finitos. El mejor sistema en simulación corresponde a la segunda versión de la antena y la tercera del lente. Este sistema cumple totalmente las especificaciones mencionadas, logrando eficiencias de apertura mejores que 80.4% para toda la banda. La temperaturas de ruido promedio calculada es de 10.4 K, donde el lente presenta la mayor contribución con aproximadamente 7 K. Además, el sistema es compatible para la antena de 7 y 12 m, si el lente se desplaza 5.66 mm hacia el centro del criostato en la configuración de 7 m, con degradaciones en eficiencia de apertura menores a 0.5%. Por último se presentan dos sistemas caracterizados, correspondientes a la primera antena más la primera o segunda lente, pues al momento de escribir esta tesis, el resto de dispositivos se encontraban en construcción. El mejor sistema medido poseen eficiencias de apertura mejores que 79.2% en excelente concordancia con las simulaciones. Además, se han identificado algunas fuentes de error que poseen las mediciones, incluyendo errores en alineamientos y cambios de fase por temperatura.

Ingeniero Civil Eléctrico / El Atacama Large Millimeter Array, ALMA, es el mayor instrumento construido para detectar radiación electromagnética en el rango de las ondas milimétricas y sub-milimétricas. ALMA se compone de 66 antenas operando en modo interferométrico, cada antena a su vez tiene 10 receptores heterodino sintonizados en distintas bandas de frecuencia entre 30 y 950 GHz. En el contexto de estudiar posibles mejoras a la arquitectura actual surge la posibilidad de reemplazar los receptores de Banda 2 y 3 por un solo receptor que cubra el rango de frecuencia desde los 67 a 116 GHz. En la estructura de los receptores de ALMA, luego de que la radiación electromagnética es recibida por la antena de bocina, esta debe ser separada en polarizaciones ortogonales. El instrumento encargado de realizar la separación es conocido como transductor de modos ortogonales u OMT por sus siglas en ingles. Al ser de los primeros dispositivos en el receptor, es de vital importancia que introduzca el menor ruido posible a las señales a procesar. En esta memoria nos centramos en el diseño, simulación y medición de un OMT de tipo juntura turnstile para la Banda 2 + 3 de ALMA, que cumpla con las especificaciones de pérdidas por reflexiones, aislación entre puertos de salida, transmisiones copolar y crosspolar. El trabajo comenzó por el diseño de la juntura turnstile, elemento clave de este dispositivo que separa las polarizaciones, y continuó con el diseño de los demás componentes de guía de onda del OMT, tales como los codos escalonados, transformadores de impedancia y combinadores de potencia. Una vez obtenido un modelo completo se realizaron análisis de resonancias y se modificó el modelo con tal de eliminarlas y/o mitigarlas. Finalmente se incorporan al diseño ciertas consideraciones mecánicas que facilitan la construcción e integración del OMT con los demás elementos del receptor. El primer prototipo de OMT se contruyó y caracterizó utilizando un analizador escalar de redes, obteniéndose medidas preliminares del comportamiento del OMT. Los resultados obtenidos indican que las pérdidas por retorno del dispositivo son del orden de −15 dB. Las pérdidas de inserción son del orden de −3 dB. Las transmisión crosspolar posee un nivel medio cercano a los −30 dB. Mientras la aislación entre puertos de salida son del orden de los −30 dB. Por último debemos decir que las mediciones de transmisión crosspolar y aislación estan limitadas por la presición del sistema de medición( 0,01 % de presición). A pesar de las limitaciones del sistema las mediciones obtenidas son una caracterización inicial permite analizar y examinar el diseño propuesto. A partir de esto se genera retroalimentación útil para siguientes iteraciones del OMT tanto en el diseño como en construcción y medición del mismo

Ingeniera Civil Eléctrica / El proyecto astronómico ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, constituye un gran desafío tecnológico en diversas áreas. Particularmente para los ingenieros dedicados al desarrollo de instrumentación el reto consiste en crear dispositivos de alta precisión, con bajo ruidos y de alta resolución que permitan estudiar el universo más lejano y frío. El primer elemento electrónico que recibe las onda milimétricas y submilimétricas del universo es el receptor heterodino que es el encargado de maximizar su detección, amplicar y propiciar la digitalizacion de la señal. El ingreso de la onda espacial comienza a través de un lentes o conjunto de espejos y un par de filtros infrarrojos para luego llegar hasta la antena tipo bocina que faculta la recepción y conduce la información al resto del sistema. La geometría de esta antena determina el patrón de radiación, los modos transmitidos y el ancho de banda que soportará. Por ello es de suma importancia realizar una adecuada selección de su ángulo de apertura, largo, perfil, tipo y número de corrugaciones para obtener el mejor rendimiento en consideración de las tenues señales que se estudiaran y el espacio constructivo. En esta memoria nos concentraremos en diseñar, simular y medir una antena tipo bocina para el receptor heterodino de la banda 1 de ALMA correspondiente a 33-52 GHz, que cumplía con las propiedades eléctricas de ganancia y forma del haz, así como con las características mecánicas que permitan su fabricación en un solo bloque. Primero se analizó un modelo previo diseñado para la banda de frecuencia 31.3-45 GHz con el fin de conocer la influencia de los parámetros constructivos de la antena. Luego se propusieron 10 modelos con un número menor de corrugaciones cuyo ancho era mayor respecto al modelo original para facilitar el proceso constructivo. Posteriormente mediante el software μWave de Mician, que utiliza la técnicas adaptacion modal, se optimizaron los parámetros físicos de diseño. Esta optimización tomó en consideración tanto su fabricación en un bloque único como los objetivos electromagnéticos deseados. Finalmente tras lograr un modelo que cumplía los objetivos se validaron los resultados mediante el método de elementos finitos utilizando el software HFSS de Ansoft. Se trabajó con una compañía local para fabricar los modelos. Tras la tercera iteración se logró un dispositivo adecuado pero depurable. Se presentan los dos mejores modelos logrados con su caracterización electromagnética, física y detección de errores con su debido análisis de patrones radiativos, pérdidas por reflexión, ancho en la cintura del haz y centro de fase. Los resultados obtenidos son satisfactorios, cumpliendo con los objetivos de diseño propuestos en consideración de los errores detectados que se deben corregir.