8. Большие многозеркальиые антенны

для радиоастрономии и космической связи

При проектировании больших наземных антенн радиотелескопов и антенн для космической связи в основном стремятся к обеспечению максимального отношения принятого сигнала S к шуму на выходе приемной системы [8].Коэффицент усиления или эффективная площадь антенны определяет величину принимаемого сигнала. При оценке общих шумов следует теперь учитывать шумы, принимаемые антенной из окружающего пространства, и шумы теплового электромагнитного излучения фидерной линии. Дело в том, что разработанные в последние годы малошумящие приемники имеют шумовую температуру порядка десятков градусов, а лучшие из них - порядка 10-15° К- Поэтому для того, чтобы реализовать возможность малошумящих приемников, шумовая температура антенны (вместе с фидером) должна, по крайней мере, не превосходить шумовую температуру приемника. Большие антенны очень дороги, поэтому стремятся сделать их более универсальными, например, осуществлять работу одной антенны в различных диапазонах волн. Источники шумов антенны рассмотрены в статьях И. В. Вавиловой, К- И. Могильниковой и А. А. Пистолькорса в настоящем сборнике. Отношение сигнал/шум на выходе приемника определяется выражением

р s гаП ,gv

N г„р + го(1-т,) + 71(1-31п) + 7ап+7зм

где Sr- геометрическая площадь раскрыва антенны, tia - коэффициент использования площади раскрыва; ц - КПД фидерной линии и антенны (учитываются омические потери); Р, Ра. Рз- коэффициенты рассеяния соответственно: суммарный, в передней и задней полусфере ; Го - температура окружающей среды (принимается равной 290° К); Гпр-шумовая температура приемника; Г, Т, Tg- яркостные температуры в пределах основного луча диаграммы, в пределах боковых лепестков передней полусферы и боковых лепестков задней полусферы соответственно.

При работе антенны под большими углами места в сантиметровом диапазоне волн значение второго и третьего слагаемых в знаменателе выражения (8) мало. Таким образом, в случае малошумя-щего приемника следует стремиться к увеличению ца, Л и уменьшению Рз. Суммарный же коэффициент рассеяния Pj связан с tja, поскольку оба они зависят, например, от распределения поля в )аскрыве. При уменьшении Р снижается tja. Стремится к снижению li<0,17 (Pi = 0,17 для равномерно освещенного синфазного-круглого раскрыва), что имеет смысл, если при этом уменьшение Рз будет

1 Определение коэффициентов рассеяния 3i шумовой температуры антенны Г д содержится в статье И. В. Вавиловой и К. И. Могильниковой, см. стр. 40.

более эффективным, с точки зрения отношения 5, чем неизбежное уменьшение i\a-

В однозеркальной параболической антенне Рз жестко связано с т]а; при этом в основном Рз зависит от величины рассеянной излучателем мощности за края зеркала Ризл- Теоретически при уменьшении Ризл от 0,05 до 0,016 значение ца уменьшается всего на 15%. Максимум S/N для параболоидов зависит от Г„р и т) фидерной линии. Уровень облучения краев зеркала, обеспечивающий (S/Nmax, будет ниже, чем требуемый для получения riAmax. Таким образом, однозеркальный параболоид имеет серьезные ограничения при создании высокоэффективных малошумящих антенн. К этому следует добавить, что в сантиметровом диапазоне волн существенно может повыситься шумовая температура из-за потерь в длинных волноводных трактах. Весьма эффективны для работы с малошумящими приемниками многозеркальные антенны. К основным их достоинствам можно отнести следующие:

а) облучатель монтируется вблизи вершины большого зеркала, где помещен малошумящий приемник; длина волноводного тракта при этом минимальна, это очень удобно для приемника;

б) рассеяние в заднюю полусферу мало (Рз мало), так как рассеивается за края малого зеркала энергия облучателя в переднюю полусферу (малошумящую часть неба);

в) двухзеркальная антенна может быть сравнительно легко сделана многодиапазонной и многоцелевой например, для более длинноволнового диапазона можно использовать ее как однозеркаль-ную;

г) коэффициент рассеяния излучателя Ризл не связан с Ца-

Как правило, выбирается в качестве большого зеркала параболоид, обеспечивающий работу и по однозеркальной схеме в метровом и дециметровом диапазонах. Можно реально для зеркал D/X = 1000 и d/D~0,l обеспечить в двухзеркальных антеннах tia= 0,55 и шумовую температуру ниже 20-15° К- Например, созданный в последнее время в США комплекс «Хайстек» имеет двухзеркальную антенну: D = 37м (параболоид) ud = 2,84м (гиперболоид), работает антенна в диапазоне до 10 Ггц. Ожидаемая шумовая температура антенны будет, по-видимому, порядка 15-20° К. Большое зеркало изготовлено весьма точно (± 0,07и<и<). Общий вид этой антенны показан на рис. 20

Уменьшения шумовой температуры в подобных системах производятся, в частности, установкой специальных фланцев на малом зеркале [9]. Такая модификация произведена на 26-мётровом радиотелескопе в Голдстоупе, что позволило уменьшить шумовую температуру антенны, направленной в зенит до 10° К-

По-видимому, перспективны для больших радиотелескопов схемы трехзеркальных антенн. На рис. 21 представлена схема трехзер-кальной антенны с большим параболическим зеркалом. Система малых зеркал при этом может быть рассчитана из условия получе-

ния заданного амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны. Это важное преимущество трехзеркалькой антенны. Кроме того, при небольших размерах малого зеркала в случае трех-зеркальной схемы отпадает необходимость делать направленный облучатель или выносить его вперед. В многофункциональной трехзеркальной антенне DA = 600 реально получена шумовая температура 15° К и имеются пути к дальнейшему ее снижению.

Рис. 20. Комплекс „Хаистек"

Рис. 21. Простая осесимметричная трехзеркальная система

Примерно по этой же схеме в настоящее время модернизируется радиотелескоп РТ-22 в г. Серпухове для работы в 8-мм диапазоне [10].

В связи с проблемой создания гигантских радиотелескопов с площадью порядка нескольких тысяч квадратных метров следует снова возвратиться к сферическим двухзеркальным антеннам. Весьма перспективной представляется система радиотелескопа, состоящего из неподвижного сферического отражателя, вмонтированного в земляную чашу, и компенсирующего малого зеркала с облучателем fill. Укрепление отражателя на земле позволяет в значительной степени избавиться от его деформаций. Подвижная часть - малое зеркало и облучатель - сравнительно легка и жестка. Радиотелескоп с гигантской сферической чашей D = 300 м создан в Арэсибо, Пуэрто-Рико. Правда, пока работает он на волне 70 см и малое компенсирующее зеркало отсутствует; перемещается сложный облучатель. По имеющимся данным, предполагается в этой системе установить дополнительно малое компенсирующее зеркало и снизить длину рабочей волны до 21 см. На склоне горы Арагац в Армении проектируется сооружение двухзеркальной сферической антенны с диаметром неподвижного сферического зеркала D = 100 м. Эта система, по-видимому, позволит осуществить работу в 3-см диапазоне. На рис. 22 дан общий вид макета проекти-

руемой антенны. Она будет значительно дешевле антенн тех же размеров, у которых перемещается все большое зеркало. Макет антенны предназначен для работы в миллиметровом диапазоне.

В заключение рассмотрим перспективную для радиоастрономии и космической связи двухзеркальную антенну с вынесенным облучателем. Она представляет ™1 комбинацию вогнутого гиперболоида и параболоида, на поверхности которого расположен облучатель [121.

Рис. 22. Фото макета сферической двухзеркальной антенны в Бюракане

Рис. 23. Схема антенны типа „Раковина"

По существу эта антенна - гибрид рупорно-параболическои и двухзеркальной антенн, сочетающая преимущества этих антенн. Ход лучей в этой антенне ясен из рис. 23. Указанная антенна хорошо экранирована, поэтому ее называют антенной типа «Раковина». Шумовая температура в таких антеннах не будет превышать нескольких градусов. Коэффициент использования поверхности довольно высокий - 0.7. Общий фон бокового излучения здесь значительно меньше, чем в системах осевой симметрии.

Систему типа «раковина», по-видимому, можно сделать апланатической и в некотором угловом секторе попытаться осуществить электрическое качание луча.

Наконец, заметим, что в последнее время большинство наземных зеркальных антенн сооружается по многозеркальной схеме.

ЛИТ Е PAT УРА

1 Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. ОГИЗ, М.- Л., 1945.

2! Наппап Р. IRE Trans.. 1961, May, АР-9. N 2 (перевод: «Зарубежная

радиоэлектроника», 1961. 12). .

3 Б а X р а X Л. Д., В а в н л о в а И. В. Радиотехника и электроника. 1961,

№ 7.

4. Кинбер Б. Е. Радиотехника и электроника, 1961, № 4.

5. Рои Ids Р. RCA Rev.. 1960, 21, 1, 94.

6. Н е а d А. Т. Nature, 1957, April, 179, 6.

7. White W. D. IRE Internal. Convent. Rec., Ill, pt. 1, 1962.

8. Бахрах Л. Д., МогильниковаК- И. Изв. вузов (Радиофизика), 1964, VI, № 4.

9. Potter Р. IEEE Trans., 1963, AP-U, N 3.

10. К а л а ч е в П. О., СаломоновичА. Е. Тр. физ. ин-та АН СССР им. П. Н. Лебедева, 1965, 28.

11. Гер у ни П. П. Радиотехника и электроника, 1964, № 1.

12. J ons S. P. IRE Internat. Convent. Rec., 1963, Vol. 11.

АНТЕННЫ ДЛЯ РАДИОАСТРОНОМИИ

A. A. ПИСТОЛЬКОРС

1. Особенности работы антенн в радиоастрономии

В 1931 г. Карл Янский (США), исследуя на волне 14,7 м прием на коротковолновую направленную антенну, обнаружил помехи ; : радиоприему, приходящие с определенного участка небосвода, как потом выяснилось, соответствующего направлению на центр нашей Галактики.

\ Так впервые было обнаружено радиоизлучение, приходящее

из космоса, и положено начало радиоастрономии. / В настоящее время эта наука играет чрезвычайно важную роль

/ в достижениях астрофизики; она добавила к световым волнам оптической астрономии огромный диапазон радиоволн длиною от

* нескольких миллиметров до десятков метров, применение которого позволило сделать ряд фундаментальных открытий в области астрономии и значительно расширить круг наших сведений о строении и развитии Вселенной.

Современная наблюдательная радиоастрономия исследует как космическое радиоизлучение, распределенное по всему небосводу, так и излучение от дискретных источников, находящихся в преде-

лах нашей Галактики и вне ее, от Солнца, Луны и планет. Это излучение воспринимается нами как шум, энергия которого распределена по всему спектру частот радиодиапазона; характер распределения энергии по спектру позволяет судить о природе радиоизлучения, о его тепловом или нетепловом происхождении.

Особое место занимает излучение межзвездного водорода, концентрирующееся вблизи его спектральной линии, соответствующей волне 21 см. Но и оно занимает довольно широкую полосу частот, так как массы водорода находятся в движении, которое вносит доп-плеровскую поправку к частоте спектральной инии. Такие же

сравнительно узкие полосы частот характеризуют спектральные линии и других газов, заполняющих Вселенную.