Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2026, № 7 · ELECTRODYNAMICS

Quasi-optical system for a multiband VLBI instrument of millimiter wavelength

S.Y. Turygin1, I.V. Belkovich2, D.A. Sorokin2

1 JSC "Design Bureau of Radio Engineering and Electronics", Friazino
2 Astrospace Center of the P.N. Lebedev Physical Institute of the RAS, Moscow, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2026.7.10 UDC 52-17:52-774 EDN WRUKQE

Abstract

Quasi-optical system design of a space-based cryogenic multiband receiver for the ground-to-space very-long-baseline radio interferometer of the Millimetron space observatory operating in the 7 mm, 3 mm, 1,3 mm and 0.8 mm bands is presented in the paper. Quasi-optical system of the instrument includes a number of reflecting mirrors, frequency-selective mirrors and receiving horns. The synthesis of the mirrors was carried out using the Dragone criterion for compensating distortions on asymmetric mirrors. In addition to the classical quasi-optical approach, numerical electromagnetic simulation with the methods of integral equations and physical optics is used for analysis. The mode matching method is used to synthesize horn feeds. The final calculation of the quasi-optics with the telescope, including an estimation of the aperture efficiency, was performed using the physical optics.

  • radio astronomy
  • VERY long baseline interferometry
  • Quasi-optics
  • horns
  • millimeter waves
Аннотация (на русском)

Квазиоптическая система многодиапазонного рсдб-инструмента миллиметрового диапазона

В статье представлена квазиоптическая система бортового криогенного многодиапазонного приемного устройства, работающего в диапазонах 7 мм, 3 мм, 1,3 мм и 0,8 мм, которая может использоваться в наземно-космическом радиоинтерферометре со сверхдлинной базой. Квазиоптическая система инструмента включает в себя цепочку отражающих зеркал, частотно-селективные зеркала и приемные рупоры. Синтез зеркальной системы проведен с использованием критерия Драгоне для компенсации искажений на несимметричных внеосевых зеркалах. Для анализа и расчетов помимо классического квазиоптического подхода используется численное трехмерное моделирование с расчетом методами интегральных уравнений и физической оптики. Для синтеза рупорных облучателей используется метод согласования мод. Финальный расчет квазиоптики с телескопом с оценкой коэффициента использования поверхности проведен методом физической оптики. Полученные расчетные величины КИП антенны составляют от 0,73 до 0,79, уровень кроссполяризационной составляющей не превосходит -28 дБ.

For citation

Turygin S.Y., Belkovich I.V., Sorokin D.A. Quasi-optical system for a multiband VLBI instrument of millimiter wavelength // Journal of Radio Electronics. – 2026. – No. 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.7.10

References

  1. Kardashev N.S., Khartov V.V., Abramov V.V. et al. "RadioAstron" - a telescope with a size of 300 000 km: Main parameters and first observational results // Astronomy Reports. 2013. Vol. 57, no. 3. Pp. 153-194. https://doi.org/10.48550/arXiv.1303.5013
  2. Event Horizon Telescope Collaboration, Akiyama K., Alberdi A. et al. First M87 event horizon telescope results. II. Array and instrumentation // The Astrophysical Journal Letters. 2019. Vol. 875, no. 1. P. L2.
  3. Raymond A.W., Palumbo D. et al. Evaluation of New Submillimeter VLBI Sites for the Event Horizon Telescope // The Astrophysical Journal Supplement Series. 2021. Vol. 253. P. 5.
  4. Likhachev S.F., Rudnitskiy A.G., Shchurov M.A. et al. High-resolution imaging of a black hole shadow with Millimetron orbit around Lagrange point L2 // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2022. Vol. 511. Pp. 668-682.
  5. Новиков И.Д., Лихачев С.Ф., Щекинов Ю.А. и др. Задачи научной программы космической обсерватории Миллиметрон и технические возможности её реализации // Успехи физических наук. 2021. Т. 191, № 4. С. 404-443. https://doi.org/10.3367/UFNr.2020.12.038898
  6. Khudchenko A., Smirnov A., Turygin S. et al. Overview of VLBI instrument for Millimetron space mission // Proceedings of SPIE. 2022. Vol. 12190. P. 121902W. https://doi.org/10.1117/12.2630728
  7. Khudchenko A., Turygin S., Golubev E. et al. Millimetron Space-Earth VLBI instrument: recent updates. Rep. 01-2024. 2024.
  8. Rudakov K.I., Khudchenko A.V., Filippenko L.V. et al. THz Range Low-Noise SIS Receivers for Space and Ground-Based Radio Astronomy // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, no. 21. P. 10087. https://doi.org/10.3390/app112110087
  9. Khudchenko A., Tretyakov I., Koshelets V.P. et al. Design and Analysis of a Waveguide Structure for 211-275 GHz 2SB SIS Mixer // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2023. Vol. THz-13, no. 6. Pp. 645-653. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2023.3307595
  10. Рудаков К.И., Худченко А.В., Кошелец В.П. Волноводный SIS-смеситель на частоту 345 ГГц // Журнал технической физики. 2024. Т. 69, № 7. С. 1111-1118. https://doi.org/10.61011/JTF.2024.07.58347.176-24
  11. Rioja M.J., Dodson R., Asaki Y. The transformational power of frequency phase transfer methods for ngEHT // Galaxies. 2023. Vol. 11. P. 16.
  12. Zhao G.-Y. et al. The power of simultaneous multi-frequency observations for mm-VLBI: beyond frequency phase transfer // The Astronomical Journal. 2017. Vol. 155. P. 26.
  13. Rioja M.J. et al. The power of simultaneous multi-frequency observations for mm-VLBI: Astrometry up to 130 GHz with the KVN // The Astronomical Journal. 2015. Vol. 150. P. 202.
  14. Dragone C. Offset Multireflector Antennas with Perfect Pattern Symmetry and Polarization Discrimination // Bell System Technical Journal. 1978. Vol. 57, no. 7. Pp. 2663-2684.
  15. Smirnov A., Golubev E., Filina E. et al. Development status of the Millimetron Space Observatory // Proceedings of SPIE. 2020. Vol. 11443. P. 114432H. https://doi.org/10.1117/12.2562829
  16. Golubev E.S., Kotsur E.K., Arkhipov M.Yu., Smirnov A.V., Lyakhovec A.O., Pyshnov V.N. Primary mirror panels of the Millimetron Space Observatory // Proceedings of SPIE. 2020. Vol. 11451. P. 114510K. https://doi.org/10.1117/12.2562838
  17. Goldsmith P.F. Quasioptical Systems. New York: IEEE Press, 1998. 412 p.
  18. Kogelnik H., Li T. Laser beams and resonators // Applied Optics. 1966. Vol. 5, no. 10. Pp. 1550-1567. https://doi.org/10.1364/AO.5.001550
  19. Lamb J.W. Quasioptical Coupling of Gaussian Beam Systems to Large Cassegrain Antennas // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1986. Vol. 7. Pp. 1511-1536. https://doi.org/10.1007/BF01010755
  20. Chu T.-S. An imaging beam waveguide feed // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1983. Vol. AP-31, no. 4. Pp. 614-619.
  21. Goldsmith P.F. Quasi-optical techniques at millimeter and submillimeter wavelengths // Infrared and Millimeter Waves. Vol. 6 / ed. K.J. Button. New York: Academic Press, 1982.
  22. Montofre D.A. et al. High-performance smooth-walled horn antennas for THz frequency range: Design and evaluation // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2019. Vol. 9, no. 6. Pp. 587-597.
  23. Коган Б.Л. Электромагнитные поля круговой поляризации в теории зеркальных антенн: диссертация.. доктора технических наук: 05.12.07. - Москва, 2004. - 179 с.