Описан облучатель, выполненный на резонаторе бегущей волны. Показано, что можно создать систему из таких резонаторов, рассчитанную для приема излучения на нескольких длинах волн одновременно, при этом фазовые центры всех резонаторов совпадают. Описан принцип работы, приведены основные расчетные характеристики и некоторые результаты измерений и практического использования такого облучателя на РАТАН-600.

An irradiator realized on the running wave resonator is described. The possibility of creating of the system of resonators inserted in each other for receiving radiation at several wavelengths simultaneously is shown. In this case phase centers of all irradiators are coincided. The main calculating characteristics and some results of usage of this system as the primary feed for the radiotelescope RATAN-600 are given.

В рефлекторных антеннах радиотелескопов в качестве первичных облучателей используются обычно рупорные облучатели на сантиметровых волнах и дипольные или спиральные – в дециметровом диапазоне. Как правило, в радиотелескопах облучатель работает на фиксированной волне со сравнительно узкой полосой принимаемых частот (5 – 20 %), поэтому многие задачи, требующие исследования в широком диапазоне сантиметровых – дециметровых волн, приходится решать методом последовательных наблюдений со сменой облучателей и приемников. Существуют разработки широкодиапазонных и широкоугольных, рупорных, спиральных или печатных антенн, пригодных для использования в качестве облучателей, однако работающих на одной линейной или круговой поляризации. Это ограничение делает их непригодными для радиоастрономии, где поляризационные измерения имеют очень большое значение. Известны решения совмещения двух волн с сохранением возможности поляризационных измерений с помощью частотно-зависимых рефлекторов [1, 2]. Однако проблема совмещения нескольких облучателей на ряд волн в фокусе рефлекторной антенны и перекрытия диапазона в несколько октав с сохранением возможности поляризационных измерений остается до сих пор нерешенной.

В настоящей работе приводится описание облучателя на основе резонаторов бегущей волны (РБВ), который позволяет совмещать облучатели разных диапазонов в одном фокусе. Здесь мы приводим описание многоволнового облучателя на основе РБВ и результаты измерений основных характеристик, проведенных на РАТАН-600.

Основные требования, сформулированные при разработке такого облучателя, были следующие:

а) обеспечение возможности одновременного приема излучения на нескольких длинах волн путем совмещения фазовых центров нескольких облучателей;

б) наличие принципиальных возможности перекрытия широкого диапазона длин волн (несколько октав).и реализация для экспериментальных исследований в дециметровом диапазоне многоволновой антенны с частотным перекрытием в 2.5 раза (три волны – 12, 20 и 30 см);

в) ширина полосы частот каждого канала многоволновой антенны должна быть порядка 10%;

г) низкие шумовые температуры облучателя, хотя бы в узкой полосе частот.
 
 

	Рис. 1. Схематический чертеж облучателя на РБВ для одной волны. 1 – резонатор бегущей волны, выполненный в виде тон-кого плоского кольца над ”краном 2 и связанный через направленный ответвитель г и согласующие трансформаторы с выводами 4.
	Рис. 2. К принципу работы антенны на РБВ. 1 – генератор; 2 – направленный ответвитель; з – резонатор бегущей волны; 4 – нагрузка.
	Рис. 3 Диаграмма направленности антенны на РБВ
	Рис. 4. Нормированная амплитудно-частотная характеристика антенны на РБВ. 1 – излученная мощность; 2 – мощность, рассеиваемая в нагрузке.
	Рис. 5. Зависимость шумовой температуры антенны на РБВ от отношения полос радивметра и антены Ь~р,ц/Ь~,. 5~= ~ (~др~д – ~~~)/~~~ ~ – нормированный сдвиг центральных частот радиометра и антенны; кривая 1 соответствует случаю 5~=0, г – 5~=0.25, в – ъ~=0.1.

1. Принцип работы и основные расчетные характеристики облучателя на РБВ. Возможность использования полоскового резонатора бегущей волны в качестве антенны круговой поляризации отмечалась ранее в работах [3 – 5].

Облучатель на РБВ для одной волны выполняется в виде тонкой кольцевой полоски, расположенной на некоторой высоте Ь (~) над плоским экраном и с помощью направленного ответвителя связывается с питающими СВЧ-входами (рис. 1 и 2). При подключении генератора к одному из входов в кольце возбуждается бегущая волна левого или правого направления, а поле, излученное по оси, будет иметь круговую поляризацию соответствующего знака.

Векторы нормированных падающих (а) (рис. 2) и отраженных (Ь) волн связаны между собой для случая резонатора бегущей волны следующими соотношениями:

Здесь [ S ] – матрица рассеяния, которая для направленного ответвителя имеет вид

где arg S₁₂ = arg S₁₃ + r/2; S₁₂, S₁₃- коэффициенты передачи соответствующих плеч; и – постоянная распространения волны в кольце; l' – длина свободного участка кольца (рис. 2); а1, а2, а3, а4 и b1, b2, b3, b4 – нормированные амплитуды падающих и отраженных волн в соответствующих плечах направленного ответвителя.

Анализ матричного соотношения (1) показывает, что при условиях

Диаграмму направленности для такой антенны легко найти, проинтегрировав кольцевой ток в выражении для векторного потенциала. Окончательные выражения для компонент магнитного поля в сферических координатах q, f и r имеют следующий вид:

     (4)

На рис. 3 представлена расчетная диаграмма направленности (Ь/Х = 0.08).

Для случая ответвителя с малыми потерями, когда

т. е. затухание мощности в кольце равно коэффициенту передачи по мощности из плеча Х в плечо П направленного ответвителя (рис. 2).

Применительно к излучающей антенне на РБВ затухание мощности в кольце равно отйошению полной излученыой мощности Р~ к мощности Р, падающей волны в плече 11 направленного ответвителя, т. е.

Величина Р~ найдена численным интегрированием вектора Пойтинга по полу,пространству над экраном. Для малых й(“Х, т. е. когда я~п(2“Ь/Х) – Ь/Х,

соответствующая связь 8,~ с геометрией кольца аппроксимируется следующим выражением:

              (6)

Выражение (6) является основой при выборв параметров направдеййого ответ; вителя.

Широкополосность излучателя (рис. 4) определяется шириной;резонансной кривой РБВ, которая может быть найдена для уровня половинной мощности по следующей формуле:

или с учетом (6):

Можно видеть из последнего выражения, что антенна тем более широкополосна, чем больше й и меньше Я~ (т. е. шире кольцо).

Из анализа рис. 4 следует, что малые потери в облучателе на РБВ получаются в случае, когда полоса частот радиометра Ь~ "много меньше полосы ан тенны Ь~. по уровню половинной мощности. Это же обстоятельство существенно и при рассмотренци шумовой температуры антенны, которую можно. заплясать для случая прямоугольной АЧХ радиометра и АЧХ антенны в следующем виде:

      (9)

где Т~ – температура нагрузки (рис. 2).

Таким образом, снижения шумовой температуры антенны можно достичь уменьшением Ь~", и охлаждением нагрузки. На рис. 5 приведены расчетные кривые шумовой температуры антенны для случая тепловой нагрузки (Т,= =300 К) в зависимости от отношения полосы радиметра к полосе антенны Ь~",/Ь~, для трех случаев сдвига центральной частоты антенны относительно центральной частоты радиометра 5~= ~ (~~,"– ~")//"~.

11. Экспериментальное исследование характеристик облучателя да РБВ. Работы по исследованию облучателя на РБВ в антенной системе РВАН-600 ведутся с 1979 г. Первоначально был выполнен вариант облучателя с совмещением двух волн – 20 и 30 см. Он представлял собой вложенные друг в друга два кольца, которые располагались на разных расстояниях й над экраном. Фазовый центр каждого кольца находился на оси кольца в плоскости экрана. Для согласования антенн с 2"=120 Ом со стандартной линией 7,=50 Ом использовались четвертьволновые трансформаторы (рис. 1).

Наблюдения дискретных источников на РАТАН-600 на этих волнах показали, что диаграмма направленности такого облучателя была несколько асимметричной. Нарушения круговой симметрии возникали за счет конечного затухания волны по кольцу и побочного излучения из области связи ~" (рис. 2). Это привело к смещению фазовых центров по каналам правой и левой круговых поляризаций относительно друг друга на величину порядка 1.7 10 1. Измерения в,канале Р=1д – 1~, регистрирующем разность круговых поляризаций, показали наличие значительной инструментальной поляризации, достигающей 5% от Х=Хд~1~.
 

	Рис. 6. Схематический чертеж совмещенного облучателя для трех длин волн. 1 – плоские кольца – РБ В; 2 – выводы для трех волн одной поляризации; з – область связи – направленные ответвители для трех волн; 4 – экран. Размеры:
.	Рис. 7. Пример наблюдения источника Лебедь А на волнах 12 и 2.7 см

Появление аберрационного лепестка справа на ааписи интенсивности на волне 12 см свящно со значител~ ным выносом из Фокуса облучателя на РБВ. В фокусе антенной системы Южного сектора РАТАН-600 с п~ рископом, которая использовалась в этих наблюдениях, находился волноводный облучатель волны 2.7 см. В канале для волны 12 см величина поляризованного сигнала, пропорционального сигналу в канале 1, не превосходит величины 0.4%, что говорит о малом сдвиге фааовых центров диаграмм левой и правой круговых поляризаций,.

ПФ – модулятор круговой поляризации; П3 – модулятор интенсивности. Аттенюаторы АТ1, АТ2 и АУ3 испольауются для балансировки каналов и компенсации. Система калибровни состоит из генератора шума ГШШ, переключателя П~ и направленных ответвителей НШ и НОг для канала поляризации. ГШПг и НОз используются для налибровки нанала интенсивности. У – тракт усиления, детектирования и т. д.

С целью устранения этого эффекта был выполнен вариант облучателя, в котором кольцо возбуждалось двумя направленными ответвителями так, что симметрия облучателя практически не нарушалась. Этот облучатель был выполнен с совмещенным фазовым центром для трех волн – 12, 20 и 30 см (рис. 6).

Измерения показали значительное уменьшение (на порядок) ~сдвига фазовых центров для обеих поляризаций до величины – 1.7 10 Х для волны 30 см, что соответствует смещению диаграммы на 2.7 10 доли от ее полуширины. Оценки, сделанные по поляризационным наблюдениям радиоисточников Лебедь А и Краб, показали малую величину паразитного поляризационного сигнала, кот“ рый оказался равен – 0.4 /~ от сигнала в канале интенсивности (рис. 7).

Измерение смещения фазовых центров по каналам суммарной интенсивности относительно оси симметрии на соседних волнах 20 и 30 см, а также в после= дующих наблюдениях и на волне 12 см показали, что в пределах точности проведенных измерений (3") не обнаружено смещения фазовых центров на всех волнах относительно друг друга.

Рис. 9. Пример записи наблюдения радиоизлучения Солнца на волнах 12 см (каналы 1 и У), 2.0 см (каналы у и ~) и 2.3 см (канал У).

Масштабы кривых наблюдения: волна 12 ем, канал 1 – 240 К/мм, канал У – 240 К/мм; волна 2.0 см, канал 7 – 600 К/мм, канал У – 420 К!мм; волна 2.3 см, канал У – 420 К/мм.

Проведенные измерения показали также следующее:

а) развязка между облучателями на соседних волнах составляет 20 дБ;

б) КСВ совмещенного облучателя, промеренный по всем каналам, находится в пределах от 1.1 до 1.4;

в) угол раскрыва диаграммы для каждой волны соответствует расчетной (рис. 3) и составляет ~32 для уровня 0.5 и ~60' для уровня 0.1 по мощности;

г) шумовые температуры облучателя соответствуют в целом расчетным (рис. 5). Полная шумовая температура облучателя совместно с антенной системой Южного сектора РАТАН-600 с перископом составила для волны 1=12 см У =110 К, а для 1=30 см Т,=115 К. Следует учитывать, что примерно половина величины приходится на собственную температуру телескопа. В этих измерениях Ь~""/А~,=1 и 5~=0;

д) коэффициент эллиптичности составляет 0.9 – 0.95 и измерялся с помощью линейного вибратора, который находился в дальней зоне облучателя и записывался от генератора шума.

Для работы с совмещенным облучателем на РБВ была разработана типовая схема радиополяриметра дециметрового диапазона (рис. 8). Особенностью схемы является необходимость точной балансировки каналов правой и левой круговых поляризаций до модулятора П2, для чего в схему введены точные аттенюаторы с малыми начальными потерями. Калибровки каналов правой и левой круговых

поляризации, а также каналов интенсивности осуществляются с помощью ГШП.

Описанный трехволновой облучатель был успешно применен при наблюдениях затмения Солнца 31.07.81 на волнах12 и 30 см на антенне Д 2.5м (на волне 20 см не было радиометра) и испытан на РАТАН-600 на волне 12 см по дискретным источникам и Солнцу. На рис. 9 приведена запись радиоизлучения Солнца, сделанная на волне 12 см с облучателем на РБВ, которая сопоставлена с наблюдениями на волнах 2.0 и 2.3 см на радиополяриметрах солнечного комплекса [6]. Видно, что имеется хороший балаыс между каналами правой и левой круговых поляризаций (сигнал в канале ~, пропорциональный сигналу в канале Х, отсутствует в целом по всей кривой). Обсуждение результатов наблюдения (рис. 9) выходит за рамки данной работы, хотя можно отметить такую интересную особенность, как отсутствие поляризации в яркой части локальных источников (источники А и В) в противоположность сантиметровым волнам и наличие высокой поляризации (источник В) на периферии локального источника. Это говорит о том, что на основе магнитотормозной модели локального источника (сейчас уже общепринятой) можно при наличии широкого спектра, полученного в одновременных наблюдениях на многих волнах, построить распределение магнитного поля над пятном, используя развитые по наблюдениям на РАТАН-600 методы измерения магнитного поля.

П1. 3аключение. Приведенные результаты испытаний трехволнового облучателя с общим фазовым центром показывают, что на основе кольцевых антенн на РБВ может быть создан многоволновой облучатель рефлекторной антенны с коэффициентом перекрытия от волны к волне порядка 1.5, обеспечивающий возможность поляризационных измерений. В ближайшее время такой трехволновой комплекс (12 см, 20 см и 30 см) предполагается запустить в регулярную эксплуатацию для солнечных измерений на РАТАН-600, а затем расширить его, добавив волны 8 и 75 см. Таким образом решается проблема одновременных наблюдений Солнца на РВАН-600 в дециметровом диапазоне. Продвижение на более короткие волны, короче 8 см, по-видимому возможно, но требует серьезной технологической проработки ввиду малых размеров элементов антенны. Требуются дальнейшие более тщательные исследования шумовых характеристик таких антенн, только после этого может быть решен вопрос о целесообразности их применения с высокочувствительными радиометрами. В этом направлении работу также предполагается продолжить.

1. П о л я р и м е т р Гаванской радиоастрономической станции / М. И. Астрахан,
В. Я. Гольнев, Н. Г. Петерова, Э. дель Позо, С. Сориа, Ф. Сото. – Солнечные данные,
1974,  # 9, с. 74.

2. Тhe  45 meter radiotelescope. – Nobeyama Radio Observatory Technical Report,
4981, М 6.

3. П р у д к и й В. П., Ч и р к и н И. В. Антенна круговой поляризации на резонаторах бегущей волны. – Изв. вузов. Радиоэлектроника, 1976, 19, М 2.

4. Б о г о д В. М., Д и к и й В. Н., С о р е л ь В. Е. Разработка и применение полосковых антенн на резонаторах бегущей волны в качестве многоволнового облучателя дециметрового диапазона РАТАН-600. – В кн.: Тезисы Х1 Всесоюаной радиоастрономической конференции по аппаратуре, антеннам и методам. Ереван, 1978, с. 172.

5. П е р в ы е наблюдения Солнца дециметрового диапазона на РАТАН-600 / В. М. Богод, Г. 5. Гельфрейх, В. Н. Дикий, А. Н. Коржавин, В. Е. Сорель. – В кн.: Тезисы Х111 Всесоюзной конференции по радиоастрономическим исследованиям солнечной системы. Киев, 1981, с. 18.

6. К о м п л е к с радиополяриметров сантиметрового диапазона для радиотелескопа РАТАН-600 / В. М. Богод, С. И. Болдырев, И. А. Ипатова, Д. В. Корольков, В. В. Романцов. – Солнечные данные, 1976, 34 И, с. 93.Поступила в редакцию 30.12.81