1.Многоэлементная приемная решетка в фокусе РАТАН-600

В 1998-1999 гг исследована малоаберрационная зона радиотелескопа РАТАН-600 в различных режимах работы. Показано, что многолучевой режим работы радиотелескопа с использованием одномерных фокальных приемных решеток наиболее эффективен с параболическим облучателем в околозенитном режиме для углов 90-87 град. и в режиме Радио-Шмидт телескоп(рис.1). В 2000 г. завершено моделирование характеристик РАТАН-600 с учетом поляризации для случая полного (трехмерного) заполнения фокальной зоны радиотелескопа в антенной системе “Юг+Плоский” с главным зеркалом в форме параболического цилиндра и в режиме “радио Шмидт” телескоп(рис 2). Показано, что оптимальной для РАТАН-600 в обоих случаях является “террасная” (рис.2г) архитектура приемной решетки, при использовании которой до 3000 микрополосковых приемных элементов может быть размещено в фокальной области облучателя тип 5 РАТАН-600, что может значительно повысить интегральную чувствительность и поле зрения радиотелескопа.
 
 

Рис2. Безаберрационная зона вдоль фокальной линии облучателя РАТАН-600 в различных режимах работы(а), вертикальные диаграммы РАТАН-600("Юг+Плоский") при оптимальном поперечном заполнении фокальной области(б), максимум диаграммы напрвленности РАТАН-600 F(l,h) как функция разноса элементов в поперечном направлении l и в глубину h (h=0 –плоская решетка)(в), террасная архитектура приемной решетки(г)

На рис.3 в масштабе Солнца показано поле зрения РАТАН-600 в режиме Радио-Шмидт телескоп с фокальной решеткой 170x7 элементов и 6 м параболоида с решеткой 8x8 элементов на волне 1 см.

Рис.10. Разрешение и поле зрения РАТАН-600 в режиме Радио-Шмидт телескоп с фокальной решеткой 170x7 элементов(разнос излучателей 1.5l ) и 6 м параболоида с решеткой 8x8 элементов(разнос излучателей 0.8l ) на волне 1 см.

1.1.Приемная решетка с линейной поляризацией

На рис.4 показан разработанный в НПО "Светлана" прототип 4-х элементной приемной фокальной решетки на 26-30 ГГц в микрополосковом исполнении без корпуса.
 

Рис.1. 4-х элементная приемная фокальная решетка на 26-30 ГГц в микрополосковом исполнении(слева) с использованием малошумящих MMIC усилителей(справа вверху), конструкция микрополскового излучателя диапазона 26-30 ГГц(справа, внизу)

На базе полученных результатов моделирования был изотовлен также прототип решетки 3х8 элементов “террасного” типа в диапазоне 26-30 ГГц (рис. 5) и измерены его характерики в том числе измерены диаграммы направленности излучателей в составе решетки в Е и Н плоскостях и крос-поляризации (рис.5), развязка между элементами в составе решетки в Е и Н плоскостях и КСВН излучателей. Измерения ДН проводились в безэховой камере Хельсинского Университета технологии(рис.8), результаты измерений хорошо согласуются с теорией.

На рис.6. приведены результаты измерений взаимной связи излучателей в одномерной и трехмерной антенной решетках в Е и Н плоскостях.

 
Рис.4 3х8 елементная антенная решетка с результами измерений диаграм направленности элемента в составе решетки.

Fig.2.Взаимная связь |S ₁₂| ² микрополосковых излучателей(5.9x3.4 mm) в одномерной решетке в H-плоскости (a), взаимная связь |S₁₂|² излучателей втрехмерной решетке в E- плоскости(b).

Рис.7. КСВН микрополоскового излучателя с составе одномерной (1) и трехмерной (2) решеток

Измеренный КСВН микрополоскового излучателя в составе одномерной и трехмерной решеток в полосе приведен на рис 7.

На рис.9 а. приведены 15 минутные записи шум дорожек 3-каналов приемной решетки, направленной в небо, записи получены в разные дни в различных погодных условиях.
На рис. 10 приведены их спектры шумов. Как и следовало ожидать в режиме “Total power” на частотах 10-15 Гц наблюдается резкий подьем амплитуды спектра, вызванный аномальным(фликер) шумом усилителей, характерным для всех твердотельных полупроводниковых СВЧ устройств.

В 1999 г был протестирован вариант схемы компенсации нестабильности коффициента усилинения приемного канала с помощью добавления внешнего гармонически-модулированного монохроматического сигнала. Указанным способом на волне 3 см была достигнута значительная корреляция нестабильности в основном и компенсирующем каналах. Недостатком данной схемы является трудность полного постдетекторного разделения основного и компенсирующего сигналов на выходе приемника, поэтому было предложено заменить частотную селекцию компенсирующего сигнала на временную, что фактически представляет собой вариант применения схемы “быстрой” или “непрерывной” калибровки для борьбы с аномальным шумом усилителей. Проведенное моделирование показало возможность многократного снижения уровня аномального шума в результирующем сигнале при использовании “быстрой” калибровки для его компенсации. На рис. 9 б показан результат удаления аномального шума с помощью “быстрой” калибровки (вверху) и исходная шумовая дорожка с нормальным и аномальным шумом на фоне источника (внизу). Тонкая линия на рис.9 б – результат обработки “быстрой” калибровки. Обработку сигнала “быстрой” калибровки в масштабе реального времени предполагается производить с помощью быстродействующего DSP системы сбора при частотах дискретизации выходного сигнала приемника 50 –100 кГц на канал.

Рис.11. Функциональная схема построения многоканальной системы сбора на ADSP(вверху), 16-ти канальная система сбора на ADSP(внизу справа), многоканальный согласующий фильтр(внизу слева).

На рис.11 показана 16-ти канальная система сбора на DSP, разработанная в СПБГТУ, c помощью которой проводилась запись шум-дорожек приемной решетки.

С целью реализации схемы “быстрой” калибровки на АО “Светлана” был изготовлен монохроматический генератор на диоде Ганна на 28 ГГц с амплитудной стабильностью 2*10-6 и быстродействующий PIN-диодный модулятор с развязкой – 70 дБ (рис.12).
 

Табл 1
 

Диапа-зон частот, ГГц	Число прием-ных каналов	Взаимная развязка излучате-лей, дБ	Ширина мощностной диаграммы направлен-ности по уровню –10 дБ, град	Коэфф. усиления канала, ДБ	КСВН в полосе	Шумовая температура излуча-теля, К	Шумо-вая темп. Приемника, К
26-30	8	-30	100	65-70	1.35	10	270

 

В настоящее время ведутся испытания схемы “быстрой” калибровки приемной решетки.
 
 

Рис.12. 4-х элементная приемная решетка в корпусе(слева), высокостабильный генератор на диоде Ганна c PIN-модулятором для реализации режима "быстрой" калибровки (справа). Модули приемной решетки линейной поляризации на 26-30 ГГц(справа).

Измеренные в лабораторных условиях характеристики 8-ми элементной приемной решетки(табл.1) близки к расчетным.

Для радиометрической калибровки приемных каналов решетки применен высокостабильный генератор шума(ГШ) на кремниевом IMPAT диоде (рис.15). СПМШ ГШ измеренна относительно азотной нагрузки(рис.13). Основные характеристики калибровочного ГШ приведены в таблице 2:

Рис 9. Шум дорожки 3-каналов приемной решетки, записанные в разные дни в различных погодных условиях (а), пример моделирования шумовой дорожки с нормальным шумом при заданном отношении cигнал/шум и аномальным шумом заданной частоты, амплитуды и формы до (внизу) и после (вверху) коррекции аномального шума с помощью “быстрой” калибровки(б). Тонкая(красная) линия - результат обработки быстрой калибровки.

Табл 2
 

СПМШ генератора в полосе, измеренная относительно азотной нагрузки приведена на рис.13.

“Быстрая” и радиометрическая калибровка всех каналов приемной решетки осуществляется коммунально с помощью одного рупора. Схема блока калибровок приведена на рис14.
 
 

Рис.14. Схема блока "быстрой" и радиометрической калибровки
 
 

Рис.15. Высокостабильный генератор шума на IMPAT- диоде диапазона 26-40 ГГц

Характеристики быстродействующих PIN-модуляторов, специально разработанных для данной цели, приведены в таблице 3 и на рис.16.

Таблица 3
 

На рис.17 приведены ВАХ детекторов Шотки с нулевым смещением: HP-детектора, использованного в приемном модуле линейной поляризации и его российского аналога,

Рис 16. КСВН и потери PIN-модуляторов в полосе

Рис.17. ВАХ HP детектора Шотки(слева) и его российского аналога(справа)

использованного в модуле круговой поляризации. Чувствительность детекторов 0.5 mV/uW и 1.5 mV/uW соотвенно. Наряду с более высокой чувствительностью (при различных омических сопротивлениях) российский аналог показал больший динамический диапазон и с учетом более низкой стоимости предпочтителен для многоэлементной решетки.

1.2.Модуль приемной решетки с круговой поляризацией

Одним из наиболее распространенных способов полного анализа принимаемого излучения является прием отдельно правой (R) и левой(L) поляризаци, комбинация которых с вводом фазового сдвига дает все параметры Стокса исследуемого сигнала. Для ряда астрофизических задач (Солнце, пульсары) достаточно независимо регистрировать мощности L и R поляризаций. C целью получения возможности поляризационных измерений разработан и изготовлен модуль приемной фокальной решетки с круговой поляризацией (L и R ) диапазона 26-30 ГГц. Работа велась совместно с кафедрой Радиосистем СПб Электро-технического университета, НПО “Светлана” и университетом Турку(Финляндия).

Для приема круговой поляризации применен излучатель типа “обьемная цилиндрическая спираль над проводящим экраном”(излучатель типа Xelix) (рис.19). Основные измеренные
 
 

Рис 19. Излучатель типа Хеlix

Рис 20. Диаграмма направленности излучателя типа Xelix
 
 

характеристики излучателя приведены в таблицах 3 и 4, диаграмма направленности излучателя показана на рис.20.

Табл4
 

На рис.21 приведен измеренный КСВН излучателя с фиксирующей фторопластовой шайбой в полосе

Рис 21. КСВН спирального излучателя в полосе

Модули приемной решетки круговой поляризации(левой и правой) с обтекателями показаны на рис.22. Обтекатели сформованы из специального полимерного материала с низкой гигроскопичностью, заданным e и малым тангенсом угла потерь. Кроме фиксации спирального излучателя на оси приемного модуля и его защиты от воздействия окружающей среды обтекатели улучшают КПД излучателя без внесения ощутимых потерь.

После завершения лабораторных испытаний модули приемной решетки линейной и круговой поляризации планируется испытать в режиме наблюдений на радиотелескопе РАТАН-600.
 
 

Литература

1.Хайкин В.Б., Майорова Е.К., Чухлебов М.И. РАТАН-600 как Радио-Шмидт телескоп. XXVII Радиоастрономическая конференция, СПБ, 1997, т.3, сс. 52-53.

2.Хайкин В.Б., Майорова Е.К., Чухлебов М.И., Венгер А.Р., Бахтеев Р.Р., Коржавин А.Н., Нагнибеда В.Г. Методические результаты наблюдений Солнца на волне 3.2 мм на обновленной отражающей поверхности Северного сектора РАТАН-600.XXVII Радиоастрономическая конференция,СПБ,1997, т.3, сс.38-39.

3.F.Danilevich,Yu.Komach,E.Kozlovsky, L.Shapiro, K.Lyozov, Z.Ulman, V.Khaikin,

S.Golosova. A new laser instrument for improvement of the RATAN-600panel surface. Proceedings of XIY ESTEC Antenna Conference, Noordwiijk, June, 1997.

4.V.B.Khaikin,E.K.Majorova,R.G.Shifman, M.D.Parnes, V.A.Dobrov. MMIC solution for multi-pixel reception in RATAN-600 aberrationless focal zone. In Proced. ESA Workshop on Millimetre Wave Applications, Espoo, Finland, May 1998.

5.V.Khaikin,E.Majorova.Yu.Parijskij, M.Parnes, R.Shifman, V.Dobrov, V.Volkov, and S.Uman. 7x8 Element MMIC Array at 26-30 GHz for Radio Astronomy Applications.In Proceed. of International Conference "Perspective on Radio Astronomy: "Technologies for Large Antenna Arrays", The Netherlands, April 1999, pp.171-182.

6.E.K.Majorova, V.B.Khaikin. Computation of RATAN-600 characteristics in operation as a "radio-Schmidt telescope". Astrophyz.Issled.(Izvestia SAO), N48, pp.133-144, 1999.

7.V.B.Khaikin, E.K.Majorova, Yu.N.Parijskij, R.G.Shifman, M.D.Parnes, V.A.Dobrov,V.A.Volkov, V.D.Korolkov, S.D.Uman, N.A.Esepkina, S.K.Kruglov. Multi-element focal array for a radio telescope. Proceed. of VIII Russian-Finnish Symposium on Radio Astronomy, pp.129-132, Pulkovo, St.Petersburg, June 1999.

8.V.B.Khaikin, E.K.Majorova,Yu.N.Parijskij, M.D.Parnes, R.G.Shifman, V.A.Dobrov, V.A.Volkov,V.D.Korolkov, S.D.Uman, N.A.Esepkina, S.K.Kruglov. Multi-element MMIC focal array for radio telescope. Raioastronomical Researches. Proceedings of the VIII Russian-Finnish Symposium on Radioastronomy, 1999,129-132.

9.V.Khaikin, M.Parnes, R.Shifman, V.Dobrov. MMIC focal receiver array for radio telescope applications. In proceed. of URSI/Convention on Radio Science, Turku, October 4-5, 1999.

10.V.Khaikin, M.Parnes, R.Shifman, V.Dobrov, V.Volkov, V.Korol'kov and S.Uman. Multi-element MMIC array technologies for a radio telescope. Astronomy & Astrophysics Transactions,2000, v.19, N3-4, pp.596-611.

11.V.B.Khaikin, E.K.Majorova, I.G.Efimov, O.A.Victorov. Long time cosmic source tracking at RATAN-600 in "radio-Schmidt" mode. Astronomy & Astrophysics Transactions, 2000, N3-4, pp.608-615.

12.E.K.Майорова, В.Б.Хайкин. Радиотелескоп РАТАН-600 как двухзеркальная апланатическая система. Радиофизика, том XLII, N3,2000, cc.185-196.

13.V.Khaikin, E.K.Majorova. RATAN-600 as a Multibeam Radio Telescope for CMBA Observations. In Proceed. of XXIV IAU GA, p.27.,2000.

14.E.K.Majorova, V.B.Khaikin. Multibeam array in a radio telescope focus. Astronophyz. Issled.(Izvestia SAO), 2000, 50, 91-103.

15.Parijskij et al. Preparation of RATAN-600 to "Comological Gene" Experiment. In Proceed of XXV URSI GA in Toronto, Canada, 1999.