Двухчастотный автоколлимационный юстировочный комплекс для радиотелескопа РАТАН-600

 

В. Б. Хайкин ¹, В. Н. Радзиховский ², С. Е. Кузьмин ², С. В. Шлензин ²

¹ Санкт-Петербургский филиал Специальной астрофизической обсерватории РАН
² НПФ «Айсберг-НТ»

Статья получена 18 мая 2014 г.

 

Аннотация. 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.

 

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 nλ.  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  P_i, 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

              Ф_i – координата центра i-го щита

              ΔФ_i - угловой размер i-го щита из центра окружности

              η(Ф) – КПД перископической системы в вертикальной плоскости

K- коэффициент использования вертикального размера щита

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

Таким образом,  P_i 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 ΔP_пр и допустимый уровень паразитного сигнала передатчика  P_пар:

Для N=225, М=200 (достижимое отношение С/Ш),  F²(Ф_i)=0.1 на крайних элементах антенны получаем P_пар./P₀≈ΔP_пр/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  P_ант =0.25-0.1 P₀  и тогда необходимый динамический диапазон приемника составит: P_ант/ΔP_пр =(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   ΔT=100 мК  (при времени интегрирования  0.1 сек), которой в полосе 6 ГГц  соответствует ΔP_пр =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.

A	B
Рис. 3. Внешний вид источника шумового сигнала(a) и АЧХ septum-фильтра (b)

 

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.

Наименование	Параметры
8 мм приемный модуль	δТ ≈ 25 мК/Гц1/2
8 мм ГШ	Pвых ≈ 2 мВт,  G ≈ 77 дБ
8 мм детекторная секция	Вольт-Ваттная чувствительность  5 мВ/мкВт
2 см приемный модуль	δТ ≈ 25 мК/Гц1/2
2 см ГШ	G ≈ 50 дБ

 

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, Т2, 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.