Measurement of the Primary Beam of the Tianlai Cylindrical Antenna Using an Unmanned Aerial Vehicle

Resumo Técnico: Medição do Feixe Primário da Antena Cilíndrica Tianlai Usando um Veículo Aéreo Não Tripulado

Definição do Problema
O Tianlai Cylinder Pathfinder Array (TCPA) é um interferômetro de rádio projetado para o mapeamento de intensidade de 21 cm, consistindo em três refletores parabólicos cilíndricos fixos orientados ao longo do eixo Norte-Sul (N-S). Um desafio crítico na calibração de tais antenas de azimute fixo é determinar o padrão do feixe primário. Enquanto o perfil do feixe Leste-Oeste (E-W) pode ser medido via trânsito de fontes radioastronômicas brilhantes, o perfil N-S permanece difícil de caracterizar devido à escassez de fontes pontuais adequadas em diversas declinações e à impossibilidade de colocar a grande estrutura em uma câmara anecoica. A dependência anterior de modelos analíticos ajustados a simulações carecia de validação empírica, particularmente em relação à direção N-S e a potenciais assimetrias causadas pelo ambiente local.

Metodologia
Os autores apresentam uma medição preliminar do perfil do feixe do TCPA na faixa de frequência de 700–800 MHz usando um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT/UAV) como uma fonte de calibração móvel. A metodologia envolve as seguintes etapas:

1. Configuração Experimental: Um drone DJI M300 RTK transporta uma fonte emissora de ruído calibrada (um gerador de ruído de banda larga com filtragem de passagem de banda e amplificação). O drone opera na zona de campo distante da antena, definida por $d = 2D^2/\lambda$. Para a abertura E-W de 15 m do TCPA, isso requer uma distância de aproximadamente 1050–1200 m; o drone voou a uma altura de 1220 m.
2. Plano de Voo: O drone executou trajetórias de voo circulares centradas em uma alimentação específica com um raio de 1220 m. Dois modos de voo distintos foram empregados:
   • Voo N-S: O drone percorreu ângulos zenitais ($\theta_{NS}$) de $-70^\circ$ a $+70^\circ$ em passos variando de $5^\circ$ a $15^\circ$.
   • Voo E-W: O drone percorreu ângulos zenitais ($\theta_{EW}$) de $-3^\circ$ a $+3^\circ$ em passos de $0,3^\circ$ para resolver o estreito feixe E-W.
   • Os voos foram realizados à noite para minimizar a interferência solar e garantir a estabilidade do ganho do sistema.
3. Processamento de Dados: O correlacionador do TCPA registrou sinais de autocorrelação. Para isolar o sinal do drone ($V_{dns}$) do fundo do céu ($V_0$), os autores utilizaram dados de um dia adjacente (sem o drone) como linha de base. Um modelo de ganho linear dependente do tempo foi aplicado para corrigir o desvio do receptor entre os dias de linha de base e de medição.
4. Calibração do Emissor do Drone: Uma etapa crucial envolveu a caracterização do padrão de feixe do dipolo montado no drone ($B_{dns}$), que é distorcido pela estrutura do drone. Isso foi alcançado voando o drone em um arco sobre uma antena dipolo baseada no solo. O feixe do dipolo terrestre ($B_{ground}$) foi simulado usando o software eletromagnético FEKO com parâmetros de solo medidos. O feixe real do drone foi derivado pela deconvolução do padrão conhecido do dipolo terrestre a partir do sinal recebido.
5. Reconstrução do Feixe: O feixe do cilindro final ($B_{cyl}$) foi calculado dividindo a visibilidade medida (após a subtração do céu) pelo padrão de feixe calibrado do drone: $B_{cyl} \propto \hat{V}_{dns} / B_{dns}$.

Principais Resultados

• Perfil do Feixe N-S: O perfil do feixe N-S medido exibe um pico em $\theta_{NS} = 0^\circ$ com uma estrutura de "ombro" distinta em torno de $\pm 30^\circ$, seguida por um declínio acentuado perto de $\pm 60^\circ$. O perfil é ligeiramente assimétrico, com o ombro mais pronunciado no lado norte ($\theta_{NS} < 0$). Essa assimetria contrasta com as simulações eletromagnéticas, que mostram um declínio simétrico e monotônico. Os autores atribuem essa discrepância provavelmente a reflexões do solo de colinas próximas, que não foram incluídas na simulação.
• Perfil do Feio E-W: As medições E-W alinham-se geralmente com as simulações e com as medições de trânsito de fontes brilhantes (ex: Cyg A). No entanto, os feixes medidos são ligeiramente mais largos e exibem lóbulos laterais mais altos do que as simulações. As medições do drone mostram uma concordância ligeiramente melhor com as simulações do que as medições de trânsito, provavelmente devido à maior relação sinal-ruído da fonte ativa, reduzindo artefatos do piso de ruído.
• Consistência: As medições em diferentes alimentações (ex: A18, A22, A24, A25) e voos repetidos (separados por até 24 horas) demonstram consistência robusta, com variações entre voos comparáveis às variações entre alimentações.
• Polarização: Resultados para ambas as polarizações XX (N-S) e YY (E-W) foram obtidos. A polarização YY mostrou um pequeno mergulho próximo ao centro, possivelmente devido a efeitos de acoplamento cruzado.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a medição de campo distante baseada em VANT é uma técnica viável e eficiente para caracterizar os padrões de feixe de grandes arranjos de radiotelescópios fixos, abordando especificamente a dificuldade de longa data de medir o perfil N-S. O estudo valida o método de VANT através do cruzamento dos resultados E-W com dados de trânsito astronômico e simulações.

Os autores enfatizam que, embora os perfis medidos sejam geralmente semelhantes às simulações eletromagnéticas, existem discrepâncias nas regiões de "ombro", lóbulos laterais e larguras de feixe. Eles concluem que essas diferenças provavelmente surgem de suposições simplificadoras nas simulações, como a negligência de reflexões do terreno local, imperfeições de superfície e ruído de acoplamento cruzado. O artigo postula que esta abordagem de VANT fornece uma correção empírica necessária aos modelos de simulação, melhorando assim a precisão da calibração necessária para o mapeamento de intensidade de 21 cm e medições da equação de estado da energia escura.