ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2024, № 12 · РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Ожидаемая эффективность евразийских субмиллиметровых телескопов (ESMT) в фокусе Кассегрена в диапазоне 1-3 мм

В.Б. Хайкин1, Г.А. Макоев1

1 Специальная астрофизическая обсерватории РАН, Санкт-Петербург, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2024.12.14 УДК 521.98 EDN ABZYHO

Аннотация

В работе дана оценка атмосферных ограничений и аберрационных потерь эффективности ESMT в фокусе Кассегрена в диапазоне 1-3 мм. Показано что радиояркостные температуры сухой и влажной атмосферы могут отличаться на порядок и составлять Tb = 42 К / 69 К на волне 3 мм / 2 мм при PWV = 5 мм, что становится критичным для чувствительности крио-радиометров. Все аберрационные потери ESMT на волне 1-3 мм в поле зрения FOV = ±15' не превышают 2% кроме кривизны поля изображения (КПИ). Ожидаемые потери от КПИ на волне 3 мм / 2 мм / 1 мм для плоской матрицы при диаметре контр-рефлектора d = 2.5 м составляют 10% / 20% / 90%, а сама КПИ может достигать 17 мм на краю поля изображения. Для того чтобы скомпенсировать КПИ фазовые центры рупоров матрицы нужно расположить по поверхности Петцваля, которая имеет отклонение от плоскости 2 мм на краю поля изображения. Методом прямого интегрирования апертурного рассчитаны одиночные и многолучевые диаграммы направленности ESMT в диапазоне 2 мм и 3 мм для двумерной и бюджетной двухрядной матрицы приемных элементов в фокусе Кассегрена. С их помощью получены реалистичные ожидаемые изображения диска Солнца с компактными источниками и активными областями.

  • субтерагерцовый телескоп
  • поле зрения
  • многолучевая диаграмма направленности
  • пропускание атмосферы
  • аберрационная эффективность
Abstract (in English)

Expected efficiency of the Eurasian Submillimeter Telescopes (ESMT) at a Cassegrain focus in the range of 1-3 mm

The paper evaluates the atmospheric limitations and aberration losses of ESMT efficiency at the Cassegrain focus in the range of 1-3 mm. It is shown that the radio brightness temperatures of dry and humid atmospheres can differ by an order of magnitude and amount to Tb = 42 K / 69 K at a wavelength of 3 mm / 2 mm at PWV = 5 mm, which becomes critical for the sensitivity of cryo-radiometers. All ESMT aberration losses at a wavelength of 1-3 mm in the field of view FOV = ±15' do not exceed 2% except for the curvature of the image field (KPI). Expected losses from the KPI at a wave of 3 mm / 2 mm / 1 mm for a flat matrix with a counter-reflector diameter of d = 2.5 m are 10% / 20% / 90%, and the KPI itself can reach 17 mm at the edge of the image field. To compensate for the KPI, the phase centers of the horns of the matrix need to be located along the Petzval surface, which has a deviation from the plane of 2 mm at the edge of the image field. Single and multi-beam ESMT radiation patterns in the range of 2 mm and 3 mm for a two-dimensional and low-cost two-row matrix of receiving elements in the Cassegrain focus were calculated by the method of direct integration of the aperture. With their help, realistic expected images of the disk of the Sun with compact sources and active regions were obtained.

Для цитирования

Хайкин В.Б., Макоев Г.А. Ожидаемая эффективность евразийских субмиллиметровых телескопов (ESMT) в фокусе Кассегрена в диапазоне 1-3 мм // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – № 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.14

Литература

  1. Хайкин В. и др. О проекте Евразийского субмиллиметрового телескопа (ЭСМТ) // 2020 7-я Всероссийская микроволновая конференция (РМС). - IEEE, 2020. - С. 47-51.
  2. Khaikin V. et al. On the project of eurasian submillimeter telescopes (esmt) and the possibility of using adaptive optics to improve the quality of submm images. - 2022. - №. 7.
  3. Nakariakov V.M., Melnikov V.F. Quasi-periodic pulsations in solar flares // Space Science Reviews. - 2009. - Т. 149. - С. 119-151.
  4. Khaikin V.B., Storozhenko A.A., Bogod V.M. Radioheliographs and radio reflectors in solar plasma studies // Astrophysical Bulletin. - 2019. - Т. 74. - С. 221-233.
  5. Marchiori G. et al. Towards the Eurasian Submillimeter Telescope (ESMT): Telescope concept outline and first results // Proceedings of the Ground-Based Astronomy in Russia. 21st Century. - 2020. - С. 378-383.
  6. Duan R. et al. KID Based Submillimeter Instrument for Eurasian Submillimeter Telescopes // Proceedings of the Ground-Based Astronomy in Russia. 21st Century. - 2020. - С. 384-389.
  7. Макоев Г.А., Хайкин В.Б. Результаты моделирования многолучевых диаграмм направленности и эффективности ESMT в фокусе Кассегрена в диапазоне 1-3 мм, Труды ИПА РАН, Выпуск 65, 2023.
  8. Ruze J. Antenna tolerance theory-A review // Proceedings of the IEEE. - 1966. - Т. 54. - №. 4. - С. 633-640.
  9. Bevis M. et al. GPS meteorology: Remote sensing of atmospheric water vapor using the global positioning system // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. - 1992. - Т. 97. - №. D14. - С. 15787-15801.
  10. Шиховцев А.Ю. и др. Статистический анализ содержания водяного пара на Северном Кавказе и в Крыму // Оптика атмосферы и океана, 35, 1, 67-73, 2022.
  11. Grigoriy B. et al. Analysis of variations in factors of specific absorption of sub-terahertz waves in the earth's atmosphere // 2020 7th All-Russian Microwave Conference (RMC). - IEEE, 2020. - С. 229-232.
  12. Bubnov G.M. et al. Searching for new sites for THz observations in Eurasia // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2015. - Т. 5. - №. 1. - С. 64-72.
  13. Wang Y. et al. Evaluation of precipitable water vapor from four satellite products and four reanalysis datasets against GPS measurements on the Southern Tibetan Plateau // Journal of Climate. - 2017. - Т. 30. - №. 15. - С. 5699-5713.
  14. Cortés F. et al. Twenty years of precipitable water vapor measurements in the Chajnantor area // Astronomy & Astrophysics. - 2020. - Т. 640. - С. A126.
  15. Otárola A. et al. Thirty-meter telescope site testing X: precipitable water vapor // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. - 2010. - Т. 122. - №. 890. - С. 470.
  16. A review of astroclimate conditions of possible locations for Eurasian SubMM Telescopes (ESMT). In the Proceedings of the VAK-2024, Nizhny Arkhyz, August 2024.
  17. Zinchenko I.I. et al. Measurements and Evaluations of the Atmospheric Transparency at Short Millimeter Wavelengths at Candidate Sites for Millimeter-and Sub-Millimeter-Wave Telescopes // Applied Sciences. - 2023. - Т. 13. - №. 21. - С. 11706.
  18. Padman R. Optical fundamentals for array feeds // Multi-feed Systems for Radio Telescopes. - 1995. - Т. 75. - С. 3-26.
  19. Born M., Wolf E. Principles of optics. - 1980.
  20. Shillue B. MMA Memo 175: Gain Degradation in a Symmetrical Cassegrain Antenna Due to Laterally O set Feeds. - 1997.
  21. Majorova E.K., Khaikin V.B. Characteristics of radio telescopes with multielement microstrip focal arrays // Radiophysics and quantum electronics. - 2005. - Т. 48. - №. 2. - С. 85-97.
  22. Khaikin V.B., Lebedev M.K. Simulation of radiation pattern of a large MM wave radio telescope with offset feed // 2006 First European Conference on Antennas and Propagation. - IEEE, 2006. - С. 1-6.
  23. Смирнова В.В. и др. Радиотелескоп миллиметрового диапазона РТ-7.5 МГТУ им. НЭ Баумана: состояние и перспективы развития // Известия Крымской астрофизической обсерватории. - 2023. - Т. 119. - №. 4. - С. 49-57.