Een aantal geheimen dat het heelal verbergt kan mogelijk over vijftien jaar worden ontrafeld met een nieuwe generatie radiotelescopen. Volgens astronomen gaat het om instrumenten die vele malen gevoeliger zijn dan de huidige telescopen. De meeste mensen denken daarbij al snel aan de bekende schotelantennes met aanzienlijke diameters. Maar de nieuwe ‘ogen en oren’ van de astronomen bestaan uit hele velden (arrays) van duizenden, zo niet miljoenen, kleine antennes. In diverse soorten, verspreid over een of meerdere continenten. Ze staan met een snelle glasvezelkabel in verbinding met een centraal cluster van computers die alle gegevens verwerkt.

Maar er zijn tal van hobbels op de weg. Rob Maaskant heeft er twee gladgestreken om de bouw van een supertelescoop dichterbij te brengen. Hij maakte een elektromagnetische analyse van grote antenne arrays. En deed onderzoek naar het modelleren van de ontvangstgevoeligheid van een compleet antenne array systeem.

Maaskant studeerde cum laude af aan de faculteit Electrical Engineering bij prof.dr. Anton Tijhuis in 2003. Hij kwam daarna in dienst bij het Nederlands instituut voor radioastronomie ASTRON in Dwingeloo. Terwijl hij werkte aan antenneprojecten, bleef het contact met zijn promotor Tijhuis behouden. “Een belangrijke onderzoeksrichting van Tijhuis is Diakoptics voor elektromagnetische systemen, wat heel goed past bij wat ASTRON nodig heeft. Dat is eigenlijk een groot complex elektromagnetisch probleem opsplitsen in vele kleine deelproblemen die elk afzonderlijk en onafhankelijk van elkaar op een relatief eenvoudige manier kunnen worden opgelost. Vervolgens gebruik je die deeloplossingen om de oplossing van het totale probleem te synthetiseren”, zegt de promovendus.

Maaskant heeft er zeker baat bij gehad: “We konden de antenne arrays niet goed genoeg modelleren omdat de geheugencapaciteit en de rekenkracht van computers niet toereikend zijn. Het nadeel van commerciële software is bovendien dat ze verschillende typen van problemen moeten aankunnen, maar niet geschikt zijn om specifieke problemen accuraat en efficiënt op te lossen. We hebben daarom zelf methodieken moeten ontwikkelen waarmee de modellering nu zelfs op een normale desktopcomputer mogelijk is.”

Astronomen ‘luisteren’ met radiotelescopen naar een heel stille hemel. De ruis vanuit de kosmos is miniem. Om toch met voldoende nauwkeurigheid te meten, is daarom een systeem nodig dat zelf heel weinig storende ruis veroorzaakt.

“Op een bepaald moment hadden we een elektromagnetisch model in handen dat het ontwerp van antenne arrays mogelijk maakt. De uiteindelijke vraag is echter welke ontvangstgevoeligheid je in combinatie met de lage-ruisversterkers en een elektronische bundelvormer kunt halen. Die ontvangstgevoeligheid is namelijk dé parameter voor het ontwerpen van het systeem. Je moet dus niet alleen de antenne array, maar ook de versterkers en de ‘noise en power mismatch’ tussen beide modelleren. De interactie tussen systeemcomponenten bepaalt namelijk voor een groot deel de ontvangstgevoeligheid”, zegt Maaskant. “Toen ik in 2004 aan dit onderzoek begon, was de gevoeligheidsanalyse van zo’n compleet antenne array systeem met sterk gekoppelde antenne-elementen min of meer onbekend. Er zijn tal van aspecten die van belang kunnen zijn bij het ontwerpen van dergelijke systemen. Denk aan de niet-uniforme ruistemperatuur van de hemel (achtergrondstraling), de verliezen in de antennegeleiders die het signaal verzwakken en die, indien ongekoeld, zelf thermische ruis produceren, of de polarisatiekarakteristieken van het instrument.”

Wanneer één versterker aan één antenne wordt gekoppeld, valt het geheel nog redelijk eenvoudig te begrijpen. Zodra het om meerdere versterkers en antennes gaat, waartussen bovendien ook nog eens een heel sterke elektromagnetische koppeling bestaat, is dat een groot probleem. “Toch zul je die wederzijdse koppelingen in acht moeten nemen om het systeem zo optimaal mogelijk te kunnen ontwerpen”, meent Maaskant.

Een versterker genereert ruis aan zijn in- en uitgang. De ruis aan de versterkeringang wordt deels uitgestraald door de desbetreffende antenne. Omdat antennes onderling elektromagnetisch op elkaar inwerken, wordt deze ruis elders het systeem weer ingekoppeld. “Tijdens het samenbrengen van de versterker uitgangssignalen (bundelvorming) kunnen deze bijdrages destructief interfereren, maar ook coherent optellen. In het ontwerp van een antenne array met versterkers moet je dus rekening houden met die ruiskoppeling”, aldus Maaskant. Met elementaire metingen in een laboratorium en met behulp van zijn systeemsimulator wist hij zijn onderzoek te valideren. Theorie en praktijk zijn gedurende die tijd voortdurend aan elkaar getoetst. “Binnen ASTRON hebben we de mogelijkheid om zowel de antennes en de versterkers zelf te ontwikkelen. Gecombineerd tot een systeem moeten ze de hoogste ontvangstgevoeligheid realiseren. Idee en uitvoering worden dus continu uitgewisseld, en ervaringen worden op internationaal niveau gedeeld binnen het SKA-consortium.” (FvO)/.