Антенна радиотелескопа

Антенна радиотелескопа - устройство для сбора радиоизлучения космических объектов. Антенна радиотелескопа определяет его чувствительность (минимально обнаружимый сигнал) и угловое разрешение (способность разделить излучение близких друг к другу радиоисточников). Мощность принимаемого сигнала от радиоисточника с плотностью потока радиоизлучения F равна 0,5 AF, где А - эффективная площадь антенны, коэффициент 0,5 определяется тем, что принимается лишь одна из поляризаций. Минимально обнаружимый сигнал зависит от величины А, шумовой температуры радиотелескопа Т_ш и радиометрического выигрыша ; здесь - полоса частот принимаемого сигнала, - время наблюдения источника, k - постоянная Больцмана. Шумовая температура радиотелескопа Т_ш=Т_ша+Т_шр - определяется шумовой температурой антенны Т_ша и шумовой температурой радиометра Т_шр. Шумовая температурa антенны зависит от доли потерь в антенно-фидерном тракте и вклада радиоизлучения Земли и атмосферы через боковые лепестки диаграммы направленности (ДН) антенны: Т_ша=Т₀+(1-)T_з + T_ат+T_ф)D d/D d, где Т₀ - температурa окружающей среды, Т_з - температурa Земли, T_ат - эффективная температурa атмосферы, Т_ф - температурa фона космического радиоизлучения, D - диаграмма направленности антенны радиотелескопа по мощности. Шумы антенны уменьшают при помощи снижения потерь , охлаждения тракта (понижения Т₀) и специального облучения антенны радиотелескопа (снижения вклада шумов Земли). Угловое разрешение антенны определяется ее ДН, ширина которой зависит от размеров антенны d и длины волны : .

В таблице приведены наиболее характерные типы антенн радиотелескопов и их ДН; там же указана чувствительность антенн к пространственным частотам. Конструктивное исполнение антенн существенно зависит от диапазона длин волн и назначения.

Антенны зеркального типа. Основным элементом антенн этого типа является зеркало, которое собирает падающее на него излучение в фокальной точке (параболическое зеркало) либо на фокальной линии (параболический цилиндр, сферическое зеркало). В фокусе устанавливается облучатель в виде рупора либо цепочки диполей. ДН облучателя формируется так, чтобы облучить все зеркало (собрать с него всю энергию), но исключить облучение пространства вне его. Этим достигаются максимальное использование поверхности зеркала А и минимальный уровень шумов Т_ша. Для исключения искажения фронта отраженной волны неровности поверхности зеркала не должны превышать /20. Форма поверхности зеркала должна сохраняться в зтих пределах при разных температурax, ветровых нагрузках и положении антенны. Эти требования ограничивают размеры зеркал, минимальную длину волны и определяют их стоимость, поэтому первые крупные антенны зеркального типа были неподвижными или полуподвижными. Оптимизация параметров радиотелескопов привела к ряду конструктивных решений - созданию зеркальных антенн разных типов и классов. Наибольшее распространение получили параболические зеркала.

Антенны с параболическими зеркалами. Первые антенны этого типа были неподвижными (например, 32-м "земляные чаши" Крымской радиоастрономической станции ФИАН, начала 1950-х гг.) или устанавливались на поворотном устройстве, позволяющем изменять положение антенны лишь по углу места (90-м антенна в Грин-Бэнк, США). Перестановка электрической оси антенны в пределах нескольких ДН осуществлялась изменением положения облучателя. В Грин-Бэнк для поворота электрической оси антенны по азимуту (прямому восхождению) смещают в соответственном направлении облучатель, На Крымской радиоастрономической станции облучатель установлен на каретке, обеспечивающей его перестановку в фокальной плоскости в двух направлениях.

Первые полноповоротные радиотелескопы имели традиционную монтировку оптических телескопов - экваториальное поворотное устройство, обеспечивающее установку антенны в заданном направлении по прямому восхождению и склонению (рис. 1). Компенсация вращения Земли (слежение за источником) осуществлялась равномерным вращением инструмента вокруг оси прямого восхождения, устанавливаемой параллельно оси вращения Земли, т. е. наиболее простым и удобным поворотным устройством, к тому же обеспечивающим сохранение позиционного угла при сопровождении источника. Однако в этом заключается и его недостаток - в ходе наблюдений зеркало поворачивается вокруг своей оси, и под действием сил тяжести возникают несимметричные деформации, искажающие его форму (для крупных зеркал). Поэтому современные крупные прецизионные радиотелескопы имеют азимут-угломестные поворотные устройства, что впервые было применено в антенне радиотелескопа РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории (рис. 2), По той же причине оптики также перешли на аналогичную монтировку (6-м телескоп в станице Зеленчукской на Кавказе). Пересчет экваториальных координат в азимутальные осуществляется ЭВМ. Это не усложняет систему, т. к. в действительности и в случае экваториальной подвески (для крупных зеркал) необходимо учитывать влияние рефракции и отклонение электрической оси под действием деформаций, в т. ч. тепловых. Нужно обеспечивать и режим сканирования какой-либо площадки неба, что можно осуществить лишь с помощью ЭВМ.

Обычно радиотелескопы открыты. Для исключения влияния температурных изменений и ветровых нагрузок на зеркало в ряде случаев инструмент помещают внутри купола. Купол может иметь раздвижное окно, как для оптического телескопа (11-м радиотелескоп на Китт-Пик, США), либо быть сплошным (Хайстекская обсерватория, 37-м радиотелескоп, рис. 3). Недостатками сплошного купола являются поглощение в оболочке и рассеяние на фермах конструкций. Антенна радиотелескопа в Хайстеке имеет облегченную конструкцию, для уменьшения деформации зеркала под действием гравитационных сил применены компенсирующие противовесы. Разработаны специальные конструкции зеркал с азимут-угломестной подвеской, которые деформируются под действием гравитационных сил (при изменении угла места), сохраняя свою форму (т. н. гомологическая схема). Меняется лишь фокусное расстояние, это изменение компенсируют смещением облучателя.

Для обеспечения высокого коэффициента использования апертуры К_а (отношения эффективной площади А к раскрыву антенны) и низкой шумовой температуры антенны Т_ша используют рупоры различных типов. Наиболее эффективны т. н. корригированные рупоры, внутренние стенки которых прорезаны четвертьволновыми канавками, в этом случае К_а = 0,55-0,7.

Более удобна в эксплуатации и эффективна по своим параметрам кассегреновская схема облучения. В этом случае перед фокальной точкой устанавливается вторичное зеркало гиперболической формы, которое отражает падающее на него излучение во вторичный фокус, расположенный ближе к основанию первичного зеркала. Аппаратура становится доступной в процессе наблюдений, кроме того, облучение вторичного зеркала происходит в направлении приема сигнала ("холодного" неба, а не "горячей" Земли) и шумовая температурa антенны Т_ша получается минимальной. Общая шумовая температурa системы 64-м радиотелескопа в Голдстоуне (США) на длине волны 13 см равна 15 К, а К_а = 0,8. Большое значение К_а достигнуто с помощью корригированного облучателя и зеркал специальной формы (квазипараболической и квазигиперболической, рис. 4).

В схеме Грегори используется вторичное зеркало эллиптической формы, которое устанавливается за первичным фокусом, что допускает возможность работы из первичного фокуса без снятия вторичного зеркала. Система Грегори использована на 100-м радиотелескопе в Эффельсберге в ФРГ (рис. 5). Радиотелескопы с параболическими зеркалами работают во всем спектре радиоволн - от метровых до самых коротких миллиметровых. Их угловое разрешение достигает десятков секунд дуги. Зеркала специальной формы использованы в 70-м радиотелескопе в Евпатории.

Радиотелескопы со сферическими зеркалами имеют неподвижную антенну. Перемещение в пространстве луча антенны осуществляется облучением разных частей зеркала. Для исправления сферической аберрации используют вторичное зеркало специальной формы либо линейный облучатель с исправлением фазы вдоль его длины. Радиотелескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико) имеет сферическое зеркало с радиусом R = 265 м и диаметром раскрыва 305 м. Диаметр эквивалентного параболического зеркала равен 200 м. Щиты отражающей поверхности установлены на опорах, закрепленных непосредственно в скальном грунте. Это обеспечивает возможность точного выставления щитов и сохранение их положения при разных ветровых нагрузках и температурах. Радиотелескоп работает до волн 3-см диапазона. Облучатель антенны закреплен на каретке, движущейся по дуге, расположенной на расстоянии 0,5 R. Дуга может вращаться относительно оси антенны. Т. о. обеспечивается управление электрической осью антенны по двум направлениям в пределах 20 от зенита. Система облучения подвешена с помощью тросов в фокальной точке, управление осуществляется с помощью ЭВМ. Рассмотренные антенны имеют цилиндрически симметричные ДН (карандашного типа).

Перископические антенны. Влияние гравитационного поля Земли и жесткость материалов ограничивают размеры зеркал. Разработаны радиотелескопы, антенны которых имеют сравнительно небольшие размеры по вертикали и большие в горизонтальном направлении (в виде усеченного параболоида).

Радиотелескоп Крауса имеет неподвижное параболическое зеркало высотой 21, длиной 110 м и плоский переотражатель, наклон которого позволяет устанавливать электрическую ось антенны на разные углы места. Радиотелескоп этого типа построен в Зименках, близ Горького, его прецизионное зеркало параболической формы имеет размеры 25х2м. Инструмент работает в миллиметровом диапазоне длин волн. Сопровождение в пределах небольших углов по азимуту осуществляется перемещением облучателя. Для расширения возможностей сопровождения радиотелескоп в Нансе (Франция) имеет зеркало сферической формы, его размеры 300х35 м, размеры переотражателя 200х40 м. Антенны этого типа имеют плоскую (веерную, или ножевую) ДН и работают на длинах волн миллиметрового и дециметрового диапазонов.

Параболические цилиндры используют на войнах метрового и дециметрового диапазонов. Вдоль фокальной оси этих зеркал устанавливают диполи. Изменение угла места таких антенн обеспечивают перестановкой (вращением) антенны, а по азимуту - соотвующей фазировкой диполей. Антенна этого типа находится в Пущино на радиоастрономической станции ФИАН. Этот инструмент работает во всем спектре метрового диапазона, размеры зеркала 40х1000 м. Радиотелескоп в Ути (Индия) работает на частоте 327 МГц. Ось параболического цилиндра установлена параллельно оси вращения Земли (на склоне холма). Т. о. обеспечивается экваториальная монтировка зеркала. Перестановка электрической оси радиотелескопа по склонению осуществляется с помощью фазировки диполей, установленных вдоль фокальной линии параболического цилиндра. Антенна имеет 12 выходов, соответствующих 12 ДН, разнесенных по склонению друг относительно друга на половину своей ширины.

Синфазные антенные решетки обычно применяют на волнах метрового и декаметрового диапазонов. Решетка состоит из диполей с отражателями. Одной из таких антенн является большая синфазная антенна (БСА) на волну 3,5 м на радиоастрономической станции ФИАН в Пущино. На декаметровых волнах инструментом такого типа является радиотелескоп в Граково, под Харьковом. Управление электрической осью антенны осуществляют фазировкой диполей. Антенны этого типа просты в изготовлении и имеют низкую стоимость.

Антенны с незаполненными апертурами. Рассмотренные выше антенны радиотелескопов относятся к антеннам с заполненными апертурами, а измеряемый ими спектр ограничен областью малых пространственных частот. Ширина их ДН определяется площадью антенны. Принципиально иным классом антенн радиотелескопов являются антенны с незаполненными апертурами. Это современные антенно-вычислительные комплексы, предназначенные для исследования распределения радиояркости объектов космического радиоизлучения с высоким угловым разрешением. Как правило, они чувствительны к высоким пространственным частотам (табл.). Антенны с незаполненными апертурами имеют большое число лепестков, которые исключаются специальными методами обработки (см. Апертурный синтез).

Радиоинтерферометр является простейшим инструментом этого типа, он чувствителен лишь к одной из пространственных частот, определяемой длиной базы. Меняя длину базы, можно измерить весь спектр пространственных частот исследуемого объекта и по нему построить изображение. Для повышения эффективности наблюдений увеличивают число элементов интерферометра и располагают их в определенном порядке друг относительно друга для исключения повторения одинаковых длин баз. Использование вращения Земли (наблюдения источника при разных позиционных углах) позволяет расширить спектр измеряемых частот. Разработаны различные типы инструментов с незаполненными апертурами.

РАТАН-600 расположен вблизи станицы Зеленчукской (рис. 6). Его антенна - разновидность перископической, состоит из 895 отражателей, установленных по кругу диаметром ~600 м; размеры отражателя по вертикали 7,4 м, по горизонтали 2 м. Отражатели можно перемещать по углу, азимуту и в радиальном направлении. Каждое зеркало следит за источником и отражает падающее на него излучение в фокальную точку. В зависимости от угла места профиль антенны меняется, отсюда и название инструмента - антенна переменного профиля. Меняется и положение фокальной точки, поэтому в процессе наблюдений облучатель передвигается по радиально установленным рельсам и компенсирует это изменение. Инструмент имеет ножевую ДН, работает в диапазоне сантиметровых волн.

Очень большая антенная решетка (Very Large Array - VLA) построена в 1981 в США (штат Нью-Мексико). Состоит из 27 полноповоротных параболических антенн диаметром 25 м, расположенных вдоль направлений, образующих букву V. Длина плеч 21 и 19 км. Антенны перемещаются по рельсовому пути и занимают одно из 72 фиксированных положений. Ширина ДН синтезированного луча 0,1" при длине волны 1,3 см и 2" при длине волны 21 см. Инструмент по угловому разрешению превосходит лучшие оптические инструменты.