Методические указания к лабораторной работе Радиотелескоп МГТУ (2004) (Методические указания к лабораторной работе "Радиотелескоп МГТУ" (2004))

1Московский государственный технический университетим. Н.Э. БауманаЖаркова Н.А., Парщиков А.А., Рыжов В.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯк лабораторной работе «Радиотелескоп МГТУ» по курсу"Устройства приема и преобразования сигналов"Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана200412ВВЕДЕНИЕСочетание остронаправленной антенны и высокочувствительного радиометра врадиоастрономии получило название радиотелескопа. Аналогичный состав имеют иустановки для наблюдения земных источников радиоизлучений.Создание крупного радиотелескопа миллиметрового диапазона, оснащенногосовременной радиоаппаратурой, является сложной научно-технической задачей,требующей участия инженеров и ученых разного профиля.

Основной объем работ посозданию радиотелескопа РТ-7,5 МГТУ был выполнен кафедрой радиоэлектронныхустройств РЛ1 МВТУ. Проектирование антенн радиотелескопа велось МВТУ всодружестве с Физическим институтом им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН).Основные работы по изготовлению металлоконструкций и узлов механическогопривода выполнены Экспериментально-опытным заводом МВТУ.В дальнейшем под словосочетанием "Радиотелескоп РТ-7,5 МГТУ" следуетпонимать радиотелескоп на базе антенны РТ-7,5.

Слова "Радиотелескоп МГТУ им. Н.Э.Баумана" будут нами использоваться как название учебно-научной лаборатории, иотноситсяковсему комплексу научногоивспомогательногооборудования,расположенному на площадке радиотелескопаЦелью лабораторной работы по Радиотелескопу РТ-7,5 МГТУ является краткоезнакомство с особенностями распространения и применения миллиметровогодиапазона волн, конструкцией антенн радиотелескопов этого диапазона, методаминаведения антенн и слежения за астрономическими источниками, радиоприемнойаппаратурой радиотелескопа и программами управления радиотелескопом.23ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ МИЛЛИМЕТРОВОГОДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛНВ последние годы интенсивность исследований и разработок, направленных насоздание различных радиотехнических устройств диапазона 30…300 ГГц возрастает.Расширение области применения диапазона миллиметровых волн обусловлено тремяфакторами: большой протяженностью спектра, особенностями их распространения ватмосфере, малой длинной волны.Протяженность диапазона спектра миллиметровых волн составляет 300 ГГц,однако, часть этой полосы не пригодна для использования устройствами, работающимив атмосфере Земли, ввиду наличия полос интенсивного поглощения радиоволн за счетмолекулярных резонансов в кислороде парах воды и примесных газах рис.1 [1,2,3,4].Водяных паровКислородаОкнапрозрачностиатмосферыλ=1,4 ммλ=2,2 ммλ=3,2 ммλ=8,6 ммЧастота , ГГцРис.1.Удельное затухание радиоволн в атмосферных газах при давлении, равном 1атмосфере, температуре 200С и концентрации водяного пара 7,5 г/м2теория,измерения34В"окнахпрозрачности"атмосферы,расположенныхмеждулиниямипоглощения, погонное затухание является умеренным.

Минимумы поглощениянаблюдаются на частотах 35, 94, 140 и 220 ГГц (длины волн 8,6, 3,2, 2,2 и 1,4 ммсоответственно), при этом ширина соответствующих "окон прозрачности" оцениваетсякак 16, 23, 26 и 70 ГГц.Практическое отсутствие ограничений на полосу радиосистем, работающих вММ диапазоне, дает возможность:-одновременной работы большого числа радио систем без взаимных помех;-перестройки РЛС в широком диапазоне частот в целях борьбы с помехами;-использования широкополосных сигналов для передачи больших потоковинформации с большой скоростью;-высокого разрешения по дальности при использовании коротко-импульсныхили широкополосных зондирующих сигналов, разделение близких целей,точное измерение их координат;-получение высокого разрешения на частоте Доплера;-получения высокой чувствительности, широкой полосы радиометровпассивных радиосистем.45ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОТЕЛЕСКОПАХРазнообразие объектов исследований в радиоастрономии, широкий диапазондлин волн, большое число коллективов работающий в разных странах привелобольшому разнообразию типов радиотелескопов.

Радиотелескопом называют комплексаппаратуры включающей в себя антенну или несколько антенн с линиями связи междуними, приемную аппаратуру с аналоговой и цифровой обработкой сигнала, аппаратурууправления.Общие характеристики радиотелескопов.Задача радиотелескопа – формирование качественного изображения небесноготела с высоким разрешением. Известно, что чувствительность РТ зависит от площадиантенногоустройства(площадьопределяеткоэффициентусиленияантенны),разрешающая способность от его максимального размера.По типу используемых антенн различают радиотелескопы с заполненной инезаполненной апертурой.Первый в мире радиотелескоп был построен в 1938 году Гротом Роббером иимел антенну в виде параболического зеркала. Такого типа антенны с заполненнойапертурой.Параболические полноповоротные зеркальные антенны успешно работают всантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.

В этих диапазонах они имеютхорошее разрешение, которое определяется отношением /D (длинны волны к диаметрузеркала). Физические размеры зеркальной антенны ограничены и не могут быть больше100-300м в диаметре из-за текучестисовременныхметаллоконструкций, аразрешающая способность в результате не может быть сделана выше 0,1’ -1’ из-заотносительной жесткости ферменных конструкций.Существует целый ряд параболических антенн «Земляные чаши», у которыхотражающая поверхность расчленена и ее элементы связаны с землей. Таким образом,одна из основных проблем полноповоротных антенн жесткость оказывается решенной.Однакоперемещениедиаграммынаправленностивозможнотолькозасчетперемещения излучателя.

В результате получается обзор только ограниченного сектора.В более длинно волновых диапазонах получить хорошее разрешение на антеннахс заполненной апертурой невозможно. Однако большинство источников космическогоизлучения имеют очень малые угловые размеры.Принцип работы антенн незаполненной апертурой состоит в том, чтоперераспределяют в пространстве по своему усмотрению доступную собирающую56поверхность радиотелескопа, получая при этом высокое пространственное разрешение.В результате появились системы параллельного синтеза – крестообразные, кольцевыерадиотелескопы, различные решетки, и системы последовательного синтеза –фазочувствительные интерферометры с переменной базой, антенны азимутальногоапертурного синтеза (антенны переменного профиля – АПП) и другие системы.Основные технические характеристикирадиотелескопов с антеннамисзаполненной апертурой.- Sэфф – эффективная площадь радиотелескопа или собирающая поверхность,- а – эффективный телесный угол диаграммы направленности антенны,- Тш К- шумовая температура антенны (или всей системы с приемнымустроством),- ТАmin = ТА К- чувствительность радиотелескопа по антенной температуре.Радиоастрономические параметры определяют наблюдательные возможностирадиотелескопа.

К ним относятся:- Рmin Вт/м2- чувствительность по плотности потока радиоизлучения,- ТяminК– чувствительность по яркостной температуре (Тя – яркостнаятемпература источника).Телесный угол диаграммы направленности антенны а связан с эффективнойплощадью Sэфф и коэффициентом усиления: S эфф 2а,G4 4 S эфф.a2Если угловой размер объекта исследования и>>а антенны, то ТА=Тя.В другом случае, когда и<<а температура антенны TA  Tяи 2 Tя и .

(1)aS эффПо определению интегральная плотность потока радиоизлучения источника повсем поляризациям определяется интегрированием яркостной температуры источникапо его телесному углу: P регистрациитолькоk2одной T d kTя ияи2поляризациипринимаемая антенной получим:Pmin . Заменяя Тя на температуру ТА (1) и при(Sэфф=Sэфф/2)минимальнаямощность,2kT A.S эфф67АНТЕННЫ РАДИОТЕЛЕСКОПА РТ-7,5 МГТУРадиотелескоп РТ-7.5 предназначен для работы в коротковолновой частимиллиметрового диапазона волк (=1…4 мм) и стоит в ряду наиболее крупныхполноповоротных радиотелескопов этого диапазона и существующих в мире.Основным параметром позволяющим судить об относительной точности антеннявляется отношение диаметра D антенны к средней квадратичной ошибке  ееповерхности.Конструкция антенн РТ-7,5.Две полноповоротные антенны Радиотелескопа МГТУ расположены нарасстоянии 250 м одна от другой вдоль линии восток запад, имеют параболическиезеркала диаметром 7,75 м с фокусным расстоянием 3,25.

Внешний вид одной из антеннпоказан на рис.2.Ошибки поверхности параболических антенн [5,6]. являются основнымисточником снижения их эффективности и определяют минимальную длину волны, накоторой они могут использоваться (мин=10…20 ). Полная ошибка отражающейповерхности слагается из ошибок изготовления, весовых деформаций, связанных споворотом зеркала по углу места и тепловых деформаций.Ошибки,пространственнуюобусловленныеразличнымипротяженность.Приэтомфакторами,ониимеютнеодинаковоразнуювлияютнаэлектрические характеристики антенны.

Так весовые и тепловые деформациифункционально связаны с ориентацией антенны и распределением по ней температуры.Они охватывают части поверхности, протяженность которых сравнима с радиусомзеркала.Вследствиеэтихошибоквозникаютискаженияформыдиаграммынаправленности, состоящие в ее расширении из-за расфокусировки антенны принекотором повороте в пространстве и возрастании влияния боковых лепестков. Частоискажения такого рода могут быть учтены и компенсированы. Ошибки изготовленияотражающей поверхности обычно являются мелкомасштабными и случайными. Ониприводят к увеличению рассеяния в дальние боковые лепестки к общему снижениюкоэффициента усиления антенн G. Это снижение описывается зависимостью:G  G0 exp (4 /  ) 2 ,где G0 - коэффициент усиления той же антенны с идеально точной поверхностью;78σ - средняя квадратичная погрешность поверхности; λ - длина волны.913245678Рис.2Общий вид антенны РТ-7,5 МГТУ им.

Н.Э. Баумана1 - отражающая поверхность, 2 - каркас зеркала, 3 - точки закрепления промежуточнойконструкции, 4 - зубчатые сектора, 5 - внутренняя 8 стрежневая пирамида, 6 - блокредукторов, 7 - роликовые поворотные опоры, 8 - пилон антенны, 9 - пирамидаоблучателя.89Поскольку с уменьшением длины волны усиление растет как λ2, существует длинаволны λ0, на которой усиление антенны максимально.

Для круглой параболическойантенны диаметром D с коэффициентом использования поверхности ξ0, связанным сзатенением и неравномерностью облучения, максимальное усилениеGmax  ( 0 / 43)  ( D / ) 2иполностьюопределяетсяотносительнойточностьюD/λотражающейповерхности. Усиление быстро падает с уменьшением длины волны вследствиепреобладающего влияния экспоненциального множителя.Основными силовыми узлами антенны РТ-7,5 являются каркас зеркала,ферменная промежуточная конструкция и блок зубчатых секторов угломестноговращения (см.рис.2).Каркас зеркала несет на себе листы рабочей отражающей поверхности.