Двухчастотный автоколлимационный юстировочный комплекс для радиотелескопа РАТАН-600

Размещено на http://www.allbest.ru/

Двухчастотный автоколлимационный юстировочный комплекс для радиотелескопа РАТАН-600

В.Б. Хайкин

В.Н. Радзиховский

С.Е. Кузьмин

С.В. Шлензин

Аннотации

Сообщается о завершении разработки и испытаний двухчастотного автоколлимационного юстировочного комплекса с пространственным разделением излучаемого и принимаемого сигналов 8 мм и 2 см диапазонов. Рассмотрены требования к чувствительности, динамическому диапазону приемника и мощности источника шума для автоколлимационной юстировки радиотелескопа РАТАН-600. Приведены особенности конструкции СВЧ узлов автоколлимационного юстировочного комплекса и их характеристики. Тестовые испытания на РАТАН-600 показали надежную работу юстировочного комплекса и возможность юстировки (привязки) элементов антенны с погрешностью не хуже 0.1 мм.

Ключевые слова: радиотелескоп, автоколлимационная юстировка, автоколлимационный юстировочный комплекс.

Abstract. Reported the completion of development and testing of a dual frequency autocollimating adjusting complex with spatial separation of emitted and received signals at 8 mm and 2 cm ranges. The requirements for sensitivity, dynamic range of the receiver and the power of noise source for autocollimating adjustment of RATAN-600 radio telescope are considered. The features of the design of microwave parts of autocollimating adjusting complex and their characteristics are given. Test runs on the RATAN-600 showed reliable operation and the ability to provide an adjustment (alignment) antenna elements with an accuracy not worse than 0.1 mm.

Key words: autocollimation adjustment, autocollimation adjusting complex, radio telescope. приемник диапазон юстировочный

Введение

Автоколлимационный (АК) метод [1] является наиболее востребованным на радиотелескопе РАТАН-600, что связано с легкостью перестройки антенны из юстировочного состояния в рабочее. Традиционно АК юстировочная аппаратура разрабатывалась на радиотелескопе РАТАН-600 в 3 см диапазоне с использованием монохроматического генератора и временного способа разделения излучаемого и принимаемого сигналов с помощью импульсного стробирования по дальности. Это обеспечивало необходимую развязку передатчика и приемника (не менее 50 дБ) и подавление сигнала, отраженного от местных предметов. При этом паразитным сигналом оставался рассеянный фон от отражающих элементов (щитов) главного зеркала, его опор (фундаментов) и подстилающей поверхности под опорами. Борьба с рассеянным фоном антенны в основном сводилась к отведению всех элементов по углу места на достаточный угол и наведению в вертикальное положение только юстируемого элемента наряду с опорным. Для снижения вклада рассеянного фона от фундаментов и подстилающей поверхности под опорами иногда приходилось прибегать к увеличению числа опорных щитов.

В настоящей работе описан двухчастотный АК юстировочный комплекс с пространственным разделением излучаемого и принимаемого сигналов. Основная волна 8 мм используется для высокоточной юстировки - привязки отражающих элементов (щитов) к окружности заданного радиуса и настройки их угловых координат (угол места и азимут), 2 см диапазон используется для предварительной юстировки и устранения неоднозначности, вызванной потенциальной возможностью привязки элементов с ошибкой nл. В новом юстировочном комплексе также предусмотрена возможность измерения АК КПД на волне 8 мм, что осуществляется сравнением мощностей излучаемого в антенну и отраженного от антенны сигналов.

1. Особенности формирования автоколлимационного юстировочного сигнала

На рис.1 приведена схема АК юстировки, где юстируемый щит наводится в вертикальное положение и настраивается на максимум сигнала по трем координатам (радиусу -R, углу места -U, азимуту -A) относительно опорного. Относительно опорного щита выполняется настройка юстируемого щита по фазе (радиусу), при настройке угловых координат опорный щит увеличивает уровень сигнала юстируемых щитов и показывает, что юстируемый щит находится в фазе с опорным. Для пространственного разделения сигналов в новом юстировочном комплексе приемный и передающий рупора размещаются вдоль фокальной линии вторичного зеркала максимально близко друг к другу, в традиционной однорупорной схеме используется волноводный ферритовый циркулятор на входе [1]. В случае пространственного разнесения приемного и передающего рупоров в процессе АК юстировки, строго говоря, формируется не окружность, а эллипс с очень малым эксцентриситетом, в фокусах которого располагаются фазовые центры приемного и передающего рупоров, но отличие его от окружности с центром между рупорами составляет не более 0.6 мм на краях антенны, имеющей средний радиус 288000 мм, что допустимо. При этом достигается развязка более 60 дБ, а влияние местных предметов и рассеянного фона антенны менее существенно при использовании широкополосного источника и приемника сигнала в сравнении с монохроматическим.

Характерной особенностью АК способа юстировки многоэлементной антенны является малая мощность, отраженная от одного щита в сравнении с отраженным сигналом от всей антенны. Особенно критической ситуация становится для периферийных щитов, где имеется естественное спадание облучения. Мощность Pi, поступающая на вход АК приемника после отражения от i-го щита при облучении N щитов Главного зеркала может быть найдена как [1]:

Рис.1. Cхема АК юстировки с пространственным разделением сигналов

,

где P0 - полная мощность, излучаемая источником

F2(Ф) - нормированная диаграмма направленности первичного облучателя

Фi - координата центра i-го щита

ДФi - угловой размер i-го щита из центра окружности

з(Ф) - КПД перископической системы в вертикальной плоскости

K- коэффициент использования вертикального размера щита

Учитывая, что F2(Ф) мало изменяется в пределах щита, ДФi =const, з(Ф)=const, вводя эффективую ширину диаграммы направленности первичного облучателя ДФэф, используя оценки з(Ф), Ki для правильно спректированной перископической системы из N облучаемых щитов в [1] получено важное соотношение для мощности ожидаемого сигнала на входе приемника:

Таким образом, Pi обратно пропорционально квадрату числа облучаемых щитов и для периферийного щита на краю апертуры примерно в 100 раз меньше чем для центрального, что требует большого запаса мощности передатчика, широкого динамического диапазона приемника и достижения высокой стабильности приемника для работы с очень малым сигналом от периферийного щита.

Понимая под шумом флуктуации выходного сигнала, обусловленные как собственными шумами приемника так и паразитным сигналом передатчика, проникающим в приемник, получим требуемую флуктуационную чувствительность приемника ДPпр и допустимый уровень паразитного сигнала передатчика Pпар:

Для N=225, М=200 (достижимое отношение С/Ш), F2(Фi)=0.1 на крайних элементах антенны получаем Pпар./P0?ДPпр/P0=1*10-9, что требует повышения чувствительности при одновременном расширении динамического диапазона приемника что трудно достижимо. Учтем потери на рассеяние в неидеальной антенной системе. Автоколлимационный КПД антенной системы (сектора РАТАН-600) на волне 8 мм, когда ошибки привязки элементов и фокусировки системы входят дважды, обычно не лучше 6-10 дБ, т.е. возвращенная из антенны мощность Pант =0.25-0.1 P0 и тогда необходимый динамический диапазон приемника составит: Pант/ДPпр =(0.25-0.1) P0/10-9*P0=(2.5-1.25)*108 более 80 дБ, что невозможно реализовать на практике. Поэтому на входе приемника обычно вводят калиброванный аттенюатор, который закрывают на 30-40 дБ для приема сигнала от всей антенны и открывают для работы с одним или парой щитов.

Зададимся практически реализуемой температурной чувствительностью приемника ДT=100 мК (при времени интегрирования 0.1 сек), которой в полосе 6 ГГц соответствует ДPпр =8*10-15 Вт и тогда требуемая мощность источника шума P0 ? 80 мкВт. Для достижения приемлемого динамического диапазона приемника практически приходится настраивать усиление приемника ниже оптимального, что ухудшает его чувствительность и требует большей мощности источника сигнала. Дополнительный запас мощности нужен и для АК юстировки антенной системы "Юг+Плоский" радиотелескопа РАТАН-600, где из-за короткофокусности системы эффективно действующая апертура в 1.5-2 раза сокращается, а вклад периферийных щитов антенного сектора существенно падает в сравнении с обычным сектором радиотелескопа (Север, Юг и др.) что требует мощности источника шума 8 мм диапазона не менее 0.5 мВт. Дополнительный запас мощности в 8 мм диапазоне позволяет выполнять измерения АК КПД с помощью высокочувствительной широкополосной детекторной секции без МШУ. В 2 см диапазоне, где КПД и рассеянный фон фокусирующей системы существенно выше, на пол-порядка-порядок меньше и требуемая мощность источника шума. Поскольку юстировка щита занимает время порядка одной минуты, а всего сектора - не менее 6-7 часов, сигнал периферийных щитов сектора обычно не превышает нескольких шум-дорожек высокие требования предъявляются к долговременной стабильности как приемника так и передатчика, применяемого для АК юстировки. Практически, однако, наибольшую нестабильность в процессе АК юстировки вносят неоднородности атмосферы приземного слоя, которые вызывают амплитудные (дрожание) и фазовые (изменение электрической длины пути волны) искажения сигнала и потому АК измерения в 8 мм диапазоне требуют наиболее спокойных атмосферных условий, обычно достигаемых в вечернее и ночное время.

2. Особенности построения СВЧ узлов автоколлимационного юстировочного комплекса

Важнейшей частью нового АК юстировочного комплекса является высокостабильный широкополосный источник шума (ГШ), на котором остановимся подробнее. Для реализации высокостабильного, широкополосного и достаточно мощного ГШ в 8 мм и 2 см диапазонах используется усиление шумового излучения согласованной волноводной нагрузки до необходимого уровня. В качестве усилителя при проектировании источника шумового сигнала 8 мм диапазона использована монолитная микросхема CHA 3093, представляющая собой усилитель средней мощности в диапазоне частот 20...40 ГГц. Структурная схема источника шумового сигнала приведена на рис. 1 [2].

Рис. 2. Структурная схема источника шумового сигнала

Схема содержит две усилительные секции, каждая из которых состоит из двух каскадно-включенных микросхем с коэффициентом усиления (КУ) 40 дБ. Непосредственное последовательное соединение двух усилительных секций приводит к самовозбуждению, для устранения которого между секциями включен развязывающий вентиль. Доступные вентили не в состоянии обеспечить развязку во всем частотном диапазоне усилительных микросхем из-за чего возникает возбуждение вне рабочей полосы вентиля. Для предотвращения внеполосного возбуждения был спроектирован и изготовлен волноводный septum-фильтр. Это обеспечило устойчивую работу всей усилительной цепи, полный КУ которой в полосе составил 77 дБ с неравномерностью ± 1,5 дБ. Внешний вид источника шумового сигнала и АЧХ septum-фильтра приведены на риc.3. ГШ 2 см диапазона с меньшим требуемым усилением (50-55 дБ) выполнен по упрощенной схеме без septum-фильтра.

Приемные модули юстировочного комплекса построены по схеме прямого усиления. Каждый радиометрический модуль содержит волноводно-микрополосковый переход, 2 каскада МШУ КУ=42 дБ, квадратичный детектор и выходной малошумящий операционный усилитель. Особенностью исполнения приемных модулей является использование детекторных диодов Шоттки с повышенным динамическим диапазоном (более 35 дБ) и сниженный на 10-15 дБ КУ МШУ в сравнении с оптимальным, что позволило увеличить мощностной порог насыщения при допустимом снижении чувствительности приемников из-за увеличения шумового вклада оконечных каскадов.

Рис.4. Функциональная схема двухчастотного АК юстировочного комплекса

С целью измерения АК КПД без использования приемника разработана широкополосная высокочувствительная детекторная секция 8 мм диапазона на базе импедансно-согласованного низкобарьерного диода Шоттки [3], способная детектировать сигнал от ГШ и отраженный от всей антенны с отношением СИГНАЛ/ШУМ > 100, что упрощает процесс измерения АК КПД. Основные СВЧ устройства, входящие в АК юстировочный комплекс, и их параметры приведены в таблице 1. На рис.4. приведена функциональная схема АК юстировочного комплекса. С целью достижения высокой долговременной стабильности выходного сигнала применен модуляционный режим работы приемников с волноводными PIN-модуляторами на входе и цифровым синхронными детекторами на выходе, а также реверсивное ПИД-регулирование термостатируемого объема. Реализованная долговременная (суточная) температурная стабильность приемников АК юстировочного комплекса не хуже 0.5 К. В юстировочном комплексе используется контроллерное управление блоком питания, термостатом и режимами работы (рис.4). В качестве облучателей вторичного зеркала радиотелескопа в АК юстировочном комплексе применены псевдо-скалярные и гладкостенные сплайно-профильные рупора [4].

Таблица 1.

Автоколлимационный юстировочный комплект на волны 8 мм/2 см в процессе наладки и на фокальной линии облучателя тип 2 радиотелескопа РАТАН-600 показан на рис.5.

Рис 5. Автоколлимационный юстировочный комплекс на волны 8 мм/2 см в процессе наладки (вверху) и тестирования на фокальной линии облучателя тип 2 радиотелескопа РАТАН-600 (внизу)

Тестовые испытания на радиотелескопе РАТАН-600 показали надежную работу АК юстировочного комплекса, возможность юстировки элементов антенны Главного зеркала с погрешностью не хуже 0.1 мм по радиусу и 25" по угловым координатам и существенно повысили эффективности последующих наблюдений на волне 8 мм [5].

Литература

1. Н. Ходжамухамедов, А.А. Стоцкий, В.Н. Боровик. Автоколлимационный метод юстировки и контроля антенны переменного профиля. Радиотехника и электроника, т.15, Т 2, 258, 1970.

2. Хайкин В.Б., Кузьмин С.Е., Нарытник Т.Н., Радзиховский В.Н. ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЙ 8 ММ ИСТОЧНИК ШУМОВОГО СИГНАЛА ДЛЯ ЮСТИРОВКИ РАДИОТЕЛЕСКОПА РАТАН-600. В трудах CRIMICO-2009, Севастополь, сентябрь, 2009.

3. V.B. Khaikin, V.R. Zakamov, V.I. Shashkin, S.E. Kuzmin, V.N. Radzikhovsky. A WIDEBAND RECEIVER-MODULE FOR PASSIVE MM WAVE IMAGING ARRAY: OPTIMIZATION AND TEST RESULTS. In Proceed. of MSMW 2010, June 2010, Kharkov, Ukraine, June 21-26, 2010.

4. R. Chernobrovkin, N. Popenko, V. Khaikin, Ch.Granet. Compact Efficient Feed-Horn at 30-38 GHz for a Multi-beam Radio Telescope. Journal of Infared, Millimeter and Teraherts waves, v.31, N7, July 2010.

5. Хайкин В.Б., Бурсов Н.Н., Караваев Д.М., Яковлев C.В., Носов Д.В., Якунин В.В. Результаты антенных измерений и наблюдений на Северном секторе РАТАН-600 на волне 8 мм. В сборнике ВАК-2010.

Размещено на Allbest.ru