Комплекс семи высокочувствительных радиометров сплошного спектра несет на РАТАН-600 абсолютно наибольшую наблюдательную нагрузку, по какой бы методике мы не определяли этот параметр. Начиналось же все в далекие 50-е годы на Пулковском холме, в только что организованном С.Э.Хайкиным отделе "Радиоастрономии ГАО". И было все, как положено в Мире: Свет только что отделился от Тьмы, а более ничего не было... Первые два радиометра для работы в сплошном спектре были привезены после кандидатских защит их авторов - аспирантов С.Э.Хайкина.

Радиометры были изготовлены в ФИАНе и построены, как и все приемные устройства СВЧ в то время, по супергетеродинной схеме. Работа с радиометрами велась небольшой группой во главе с бессменным, на протяжении 30 лет, лидером этого направления Дмитрием Викторовичем Корольковым. Трудно, да и бессмысленно сопоставлять параметры первых радиометров с параметрами современных: шумовые температуры измерялись в тысячах, а не в единицах и десятках Кельвин (да и Кельвин, как единица измерения, еще не существовал, были просто "градусы абсолютной шкалы"), а полосы принимаемых частот - в единицах и нескольких десятках, а не в сотнях и тысячах Мегагерц.

Не лучше было и положение с доступной элементной базой: транзисторов не было вообще (а интегральных схем - тем более), из полупроводников были только смесительные и детекторные диоды СВЧ и первые образцы выпрямительных диодов. Вся техника низких и промежуточных частот работала на лампах, то же можно сказать и о технике СВЧ: клистроны (гетеродины) и усилители высокой частоты (ЛБВ) - это тоже лампы. Как следствие, для питания были нужны сотни и тысячи вольт, для цепей накала - единицы и десятки ампер.

Для улучшения параметров первых радиометров в первую очередь нужно было повышать стабильность источников питания, отсюда и работа в списке литературы - первая публикация Д.В.Королькова о разработке мощного стабилизатора питания цепей накала. В ряде первых работ рассматривались методы и возможности измерения и улучшения параметров супергетеродинных радиометров. Подобные радиометры в первую очередь применялись на малых зеркалах в установках по исследованию радиоизлучения Солнца. Благодаря тесному (и затем многолетнему) сотрудничеству с НИИ "Домен" стали доступны первые образцы СВЧ ферритов для Фарадеевских модуляторов и фазовращателей, благодаря чему стала возможна постановка исследований поляризации.

Можно отметить, что в первые годы хорошим тоном считалась совместная работа над конкретными проблемами "аппаратурщиков" и "астрофизиков" в рамках динамично складывающихся творческих микроколлективов; в дальнейшем такое взаимодействие стало ослабевать. К концу 50-х годов, с вводом в эксплуатацию Большого Пулковского радиотелескопа, стала очевидной ограниченность возможностей супергетеродинных радиометров, не обеспечивающих потребной чувствительности. Постановка работ по расширению полосы принимаемых частот и по снижению эквивалентной шумовой температуры стала неминуемой. Были изготовлены первые радиометры на лампах бегущей волны (ЛБВ).

В то же время Д.В.Корольковым были инициированы эксперименты по разработке первых образцов усилителей СВЧ нового типа - параметрических (ПУ). Забегая вперед, скажем, что эти усилители стали основой всех высокочувствительных радиометров на последующие два десятилетия. Главным активным элементом ПУ является полупроводниковый диод с модулируемой при помощи специального генератора ("накачки") емкостью p-n перехода. ПУ - принципиально двухполюсное устройство, и для разделения входного и усиленного сигналов требует применения специального ферритового элемента - циркулятора.

Циркуляторы приходилось делать самим, сначала - на основе Фарадеевских ферритовых стержней в круглом волноводе, помещенном в соленоид, а затем - на основе волноводных тройников с огромными самодельными электромагнитами. Полностью отсутствовало лабораторное оборудование, на котором можно было исследовать широкополосные устройства, поэтому пришлось разработать и изготовить своими силами свипп-генератор СВЧ на основе клистрона с циклической перестройкой частоты при помощи микроэлектропривода.

Разработка ПУ велась в стране многими организациями параллельно. Преимуществом группы ГАО было отсутствие официального "заказчика", которому работу нужно было "сдавать". В короткие сроки Д.В.Корольковым и Г.М.Тимофеевой работа была доведена сначала до действующего макета, а затем и до действующего в реальных наблюдениях на БПР радиометра диапазона 3 см. Вместе с новым усилителем была опробована, применена и стала затем общепринятой схема радиометра прямого усиления (без преобразования частоты). Эта схема надолго стала отличительной чертой "Пулковской школы" радиометрии. Схема прямого усиления исключает наличие взаимных помех от сетки основных частот (и их гармоник) множества гетеродинов, что особенно важно для многоволновых комплексов РАТАН-600.

Вскоре после появления входных ПУ со всей остротой встал вопрос о необходимости разработки последующих каскадов усиления с "промежуточным" уровнем шумов, необходимых для согласования по шумам входных ПУ и выходных каскадов. Первоначально эту роль играли так называемые "малошумящие" ЛБВ, для работы которых нужно использовать дорогую и сложную фокусирующую систему с соленоидом, требующую, к тому же, частой юстировки. На Западе к тому времени появился новый тип усилителей СВЧ - усилитель на туннельном диоде (УТД).

С появлением первых отечественных образцов туннельных диодов разработка УТД была предпринята в нашем коллективе. Были сконструированы и изготовлены первые образцы УТД на волне 4 см, быстро внедренные в состав действующего радиометра для БПР, и это было одним из первых практических применений УТД в отечественной радиоастрономии. В течение многих лет, до смены поколений элементной базы, тандем ПУ + УТД служил основой схемотехнического решения для многих радиометров БПР и РАТАН-600. Сочетание ПУ и УТД оказалось столь удачным, что было применено в радиометре экспедиционного солнечного инструмента - Интерферометра с малой базой (РИМБ). В этом качестве, вслед за солнечными затмениями, РИМБ объехал пол Мира (острова Кука, Мексика).

Материал, накопленный в исследованиях и разработках, был обобщен в работах. Работа, вышедшая из печати под редакцией Д.В.Королькова, стала для отечественной радиоастрономии классической. П.А. Фридманом и Д.В.Корольковым была предложена и подробно описана схема радиометра с шумовым пилот-сигналом (по западной терминологии - схема с добавлением шума), отличающаяся от западных аналогов квази-нулевым режимом (т.е., наличием балансировки). Последнее обстоятельство позволяет, как и в классической схеме Дике, исключить флуктуации коэффициента усиления, но, в отличие от этой схемы, убрать из входного тракта между усилителем и первичным рупором практически все элементы с потерями (модулятор). Новая схема оказалась перспективной не только для радиометров сплошного спектра, она снимала ограничения на резкое снижение шумовой температуры входных усилителей для всех однолучевых (без сканирования диаграммы) радиометров, иными словами, снимала ограничения на применение глубокого охлаждения входных каскадов.

Направление "крио-ПУ" начиналось с простых самодельных заливных криостатов с временем сохранения температуры жидкого азота (78 К) порядка нескольких часов. Изготовленный на основе этого ПУ радиометр был установлен на БПР и активно использовался в наблюдениях. На основе тех же комплектующих был изготовлен и введен в действие в 70-х годах первый криорадиометр для РАТАН-600. Заливные криостаты азотного уровня просуществовали, постепенно совершенствуясь, несколько лет. Последние варианты были изготовлены заводским способом на вполне профессиональном уровне и удерживали жидкий азот несколько суток.

Дальнейшим шагом в направлении снижения уровня шума ПУ стал переход в 1979 году на совершенно новую технику охлаждения - микрокриогенные системы (МКС) с замкнутым циклом по рабочему газу и уровнем захолаживания 15 К. Д.В.Корольковым было организовано (и сохраняется до сих пор!) тесное сотрудничество с одним из самых передовых предприятий отрасли - НИИ "Сатурн" в Киеве. Полученные оттуда усилители СВЧ на основе крио-ПУ с МКС стали основой для самого чувствительного радиометра РАТАН-600 на волну 7.6 см.

Пройдя несколько циклов модернизации, этот радиометр бессменно проработал более 20 лет, оставаясь самым чувствительным в своем классе. В этом радиометре удачно сошлось все: структура по "схеме с добавлением шума", т.е. с "чистым" входным трактом; естественный минимум потерь на данной частоте в волноводах входного тракта; достаточно низкая (15 К) физическая температура входных каскадов и возможность ее сохранения практически неограниченное время; полоса усиливаемых частот порядка 15%. При температуре системы не более 40 К реализованная в наблюдениях чувствительность для времени интегрирования 1 сек составляла 2-3 мК.

В 80-х годах была решена задача минимизации потерь во входных переключателях (модуляторов) радиометров со сканированием (двухлучевых). Сотрудничество с НИИ "Домен" позволило исследовать и внедрить в качестве штатного в коротком сантиметровом диапазоне длин волн новый тип волноводного переключателя (циркулятора) с магнитной памятью. Такой прибор переходит из одного состояния в другое при воздействии импульса (несколько мксек) сильного тока (5 - 15А) и не потребляет управляющий ток в статическом состоянии. Последнее означает, что средняя мощность по цепи управления пренебрежимо мала (доли и единицы миллиВатт), и ничто не мешает поместить такой модулятор в криостат. С использованием подобных приборов были разработаны и изготовлены для РАТАН-600 штатные криорадиометры на волны 1.4, 2.7 и 3.9 см и ряд других, использовавшихся короткое время.

Время параметрических усилителей кончилось в конце 80-х - начале 90-х годов. Все усилители стали транзисторными, сначала - на GaAs транзисторах, затем (и по сию пору) на различных вариантах структуры НЕМТ. При реализуемых по шумам и полосе параметрам, близким к параметрам ПУ, усилители на транзисторах обладают рядом несомненных преимуществ, к которым относятся: разделение входного и выходного сигналов без циркулятора, т.е., устройство принципиально четырех- (а не двух-) полюсное; простота питания постоянным током и отсутствие СВЧ-генераторов мощности накачки. Все эксплуатационные параметры транзисторных усилителей, прежде всего - стабильность формы амплитудно-частотной характеристики, значительно превышают таковые, типичные для ПУ.

Ситуация осложнялась деструктивными процессами в обеспечении отечественной элементной базой, и только перестройка и последующие события открыли доступ к импортным комплектующим приличного качества. С помощью гранта ESA удалось приобрести СВЧ-транзисторы, стали доступны микроволновые микросхемы и высококачественные элементы СВЧ-тракта (разделители поляризации). "Транзисторизации" подверглись абсолютно все усилительные каскады радиометров обсуждаемого комплекса, как выходные (неохлаждаемые), так и входные, в том числе - криогенные. Несколько особняком стоял радиометр на волну 8.2 см с охлаждением входных транзисторных каскадов до -40 град. С при помощи термоэлектронных охладителей на эффекте Пельтье. Радиометр был работоспособен, но не выдержал конкуренции с криогенными вариантами.

Радиометр на волну 7.6 см был, после 25-летней эксплуатации, заменен на новую разработку на международной волне 6.52 см. Радиометр двухканальный, регистрируются две круговые или две линейные поляризации одновременно. Двухканальный криоблок обеспечивает шумовую температуру не более 10 К в полосе 900 МГц. При шумовой температуре системы на средних углах возвышения антенны не более 38 К реализованная чувствительность составляет 2.3 мК/с^1/2. Кроме дополнительного выигрыша по чувствительности в корень квадратный из двойки вследствие двухканальности, одновременная регистрация двух круговых поляризаций позволяет при последующей обработке данных эффективно вычитать шум от внеосевых точечных радиоисточников, а также шумы атмосферы в ближней зоне и вариации излучения земли.

Академиком Ю.Н. Парийским была сформулирована задача перехода, в соответствии с мировыми тенденциями, к матричному построению радиометрической системы на конкретной волне, ибо прямые пути повышения чувствительности одиночного радиометра близки к исчерпанию. Задача разработки МАтричной Радиометрической Системы (МАРС) была поставлена применительно к волне 1 см и решается в три этапа. На первом этапе (МАРС-1) выбиралась идеология построения одиночного канала, на втором этапе (МАРС-2) была изготовлена и доведена до монтажа на антенне и активного участия в наблюдательном процессе трехэлементная матрица. Испытания показали, что даже в трехэлементном варианте "теплая" матрица сравнима по чувствительности с криорадиометром на волну 1.4 см.

На этапе МАРС-3 изготовлена и монтируется на антенне 16-элементная матрица. Каждый элемент матрицы состоит из малогабаритного радиометрического модуля с каналом прямого усиления на микросхемах миллиметрового диапазона с усилением порядка 60 дБ в полосе частот 5 ГГц. На входе каждого модуля установлен коммутатор/модулятор на основе циркулятора с магнитной памятью. Два первичных рупора каждого модуля соединяются с модулятором сменными переходными волноводными секциями с возможностью поворота анализатора поляризации. Каждый из 16 элементов матрицы совершенно автономен, что повышает общую надежность. Объединяющим для всех элементов является только тракт калибровки, работающий от единого твердотельного генератора шумовой мощности. Ожидаемая чувствительность по антенной температуре для каждого элемента матрицы составляет 5 мК/с^-1/2.