ди антенны. Однако в некоторых случаях, например при радиолокации планет, сопровождение источника обязательно. Для реализации такого сопровождения антенны типа БПР требуют автоматического перемещения щитов и облучателя по сложному закону.

После БПР был построен ряд радиотелескопов, конструктивно связанных с землей. К их числу относятся радиотелескопы в Огайо, Иллинойсе (США) и в Нансэй (Франция), а также большой радиотелескоп со сферическим зеркалом в Пуэрто-Рико, описанный в статье Л. Д. Бахраха, см. стр. 70.

3. Повышение разрешающей способности методом корреляционного приема

Применение протяженных, связанных с землей, зеркальных антенн или огромных решеток вибраторов не решает радикально проблемы получения большой разрешающей способности. У этих антенн разрешающая способность по телесному углу определяется их коэффициентом направленного действия (КНД), т. е. практически - площадью антенны.

Если мы хотим увеличить разрешающую силу зеркального радиотелескопа, мы должны увеличивать его площадь. Предел увеличению площади зеркал на сантиметровых волнах кладет невозможность выдержать требуемые конструктивные допуска. На метровых волнах не имеет смысла увеличивать площадь антенны сверх величины, обеспечивающей прием слабых источников заданной интенсивности.

В радиоастрономии были найдены способы получения высокой разрешающей способности антенн, не связанные с увеличением их площади. Все они основаны на специальном способе обработки шумовых сигналов, снимаемых с двух антенн, предложенном Мил-лсом [4]. Этот способ, называемый часто корреляционным приемом, состоит в попеременном, синфазно-противофазном (с частотою в десятки и сотни герц) сложении выходов двух антенных систем, регистрирующих один и тот же источник. Поясним его на примере двух взаимно перпендикулярных синфазных линейных антенн / и 2,составленных из вибраторов и расположенных вдоль осей XhY (рис, 5, а). Это так называемый крест Миллса. Каждая антенна концентрирует излучение в плоскости, нормальной к оси антенны, но у антенны / эта плоскость совпадает с плоскостью YOZ (рис. 5, б), а у другой - с плоскостью XOZ (рис. 5, в). На рис. 5, г зачерненным квадратом показано сечение луча, образованного пересечением диаграмм двух антенн. Охватываемое этим лучом излучение источников складывается когерентно при синфазном включении выходов антенн. При противофазном включении прием в пределах этого луча подавляется (белый квадрат на рис. 5, д), в то время как принимаемое обеими антеннами с других направлений излучение изменяться не будет. Приходящие с этих направлений шумы не будут

о г

Рис. 5. Принцип действия креста Миллса

а - схема антенны, б - сечение главного луча горизонтального решетке вибраторов, в - то же для вертикального решетки, г - зона когерентного приема прн синфазном включении решеток, д - зона подавления приема при противофазном включении решеток, в - сечение луча системы

взаимодействовать с шумами, охватываемыми общей зоной обеих диаграмм, так как они взаимно не коррелированы. Сигнал на выходе антенной системы окажется модулированным по амплитуде и ио глубине этой модуляции можно судить об интенсивности источников, охватываемых пересечением диаграмм.

Чтобы судить о получающейся при этом диаграмме направленности, используем выражение (1), в котором при совпадении фазовых центров пересекающихся антенн надо положить т = О. Обозначая

через & угол с осью 0Y и через ij; - угол с осью ОХ, получим

If) = Л (О) + Р2 W ±2 • (3)

Глубина модуляции определяется последним слагаемым, из чего следует, что диаграмма направленности креста Миллса представляет собой произведение двух диаграмм УР-д) и УЩ(>). Но диаграммы эти соответствуют диаграммам антенн I и 2 не по мощности, а по напряжению, т. е. отличаются от первых по форме и обладают значительно более высоким уровнем боковых лепестков. Сечение луча на уровне порядка половины максимальной мощности имеет крестообразный вид (рис. 5, е). Наиболее узкий луч получается в направлениях, лежащих в двух нормальных к кресту плоскостях, сечения которых Ui и делят пополам углы между

антеннами. Здесь мы имеем диаграмму вида , соответствующую квадратной антенне со стороной, равной длине одной антенны. Более широкую диаграмму вида [ мы будем иметь в нормальных

плоскостях, сечение которых совпадает с осью одной из антенн. Перемещение луча в пространстве достигается регулировкой фазы поля в раскрывах антенн; при этом форма сечения луча меняется.

Заметим, что синфазно-противофазное переключение выходов антенн может быть заменено перемножением снимаемых с них сигналов; результат получается одинаковый.

Необходимо подчеркнуть, что КНД креста Миллса, определяющий его способность принимать слабые сигналы заданной интенсивности на фоне помех, не связан с шириной луча, получаемого путем обработки, и определяется исключительно суммой эффективных площадей обеих антенн.

Примером крестообразного интерферометра является интерферометр этого типа, построенный на Радиоастрономической станции Физического института АН СССР в Пущине близ Серпухова и предназначенный для работы в диапазоне волн 2,5-10 м. Его плечо восток - запад представляет собой вращающийся по углу места параболический цилиндр длиною 1008 м с раскрывом 40 м, возбуждаемый 288 вибраторами, расположенными вдоль фокальной линии (рис. 6). Плечо север - юг длиною в 1000 м содержит 626 вибраторов. Перемещение луча по углу места производится путем соответствующей фазировки этих вибраторов.

В целом радиотелескоп представляет собой прибор меридианного типа с эффективной площадью около 25 ООО м, с диаграммой

вида и телесным углом луча порядка ЮХЮ по половин-

ной мощности на волне 3 м.

Весьма сложной является схема питания вибраторов, обеспечивающая хорошую частотную характеристику антенны в задан-

£2

-1

ffflTlllHiMl

Рис. 6. Полотно восток - запад Серпуховского крестообразного интерферометра Физического института АН СССР

ном диапазоне частот. Большие расстояния от вибраторов до места синфазного сложения их выходов в плече восток - запад требуют применения широкополосных усилителей высокой частоты, компенсирующих потери энергии в соединительных кабелях.

4. Интерферометры

В радиоастрономии под интерферометром понимается антенна, состоящая из нескольких частей, удаленных друг от друга.

Наибольшее распространение имеют двухантенные интерферометры, состоящие в простейшем случае из двух одинаковых включаемых синфазно антенн, разнесенных на расстояние d, измеряемое сотнями метров и километрами (см. рис. 1).

Диаграмма направленности такого интерферометра дана выражением (1).

На рис. 7 приведен пример такой диаграммы, полученной при прохождении источника; пунктиром показана диаграмма одной антенны. Такая картина имеет место при узкополосном приемнике;

. Дшт sin-y-

при широкой полосе начинает действовать множитель -д-.

вызывающий еще более быстрый спад лепестков при удалении от центрального.

Интерферометр используется в первую очередь для точного определения небесных координат источника радиоизлучения. Если база совпадает с линией восток - запад, то прямое восхождение источника определяется по времени его прохождения через меридиан, т. е. по времени наблюдения центрального лепестка диаграммы направленности. Склонение источника 6 находится из скорости его прохождения через меридиан по формуле

Здесь п - число лепестков, наблюдавшихся за время, в течение которого источник переместился на часовой угол Н„. Очевидно,

6* 83

Врет

эти измерения будут тем точнее, чем большее число лепестков укладывается в наблюдаемом секторе небосвода, т. е, чем больше база d интерферометра.

Интерфер1ометр используется также для определения угловых размеров дискретных источников. Если источник имеет прямоугольную форму и угловой размер го, то мощность на выходе антенны при прохождении источника и при узкополосном приеме будет меняться следующим образом:

Рис. 7. Диаграмма направленности двухантенного интерферометра, снятая при прохождении источника

Р(в, Ф) = -Pi(0. ф)[l + cos(ЫсозО)

Таким образом, при прохозкдении источника эта мощность окажется модулированной с глубиной

sin ЫЬ

где о <С <С I. Измерение глубины модуляции позюляет определить угловые размеры источника. Чем меньше угловые размеры источника, тем больше должно быть взято расстояние между антеннами, чтобы модуляция диаграммы была заметной.

Следует заметить, что интерферометр не реагирует на протяженные источники. При большом значении Мд дробь -" стремится к нулю и, как видно из выражения (5), диаграмма направленности интерферометра переходит в диаграмму одиночной антенны. Точно так же интерферометр не может дать четкой картины при прохождении через его диаграмму нескольких дискретных источников, лежащих в пределах главного луча диаграммы одиночной антенны. Таким образом, разрешающая способность интерферометра с фиксированной базой при узкополосном приеме равна разрешающей способности составляющих его антенн и может несколько юзрасти с расширением полосы приемника за счет Множителя

До)Т

Для исследования протяженных источников и повышения разрешающей способности используются интерферометры с переменными базами. Меняя расстояние между антеннами, мы изменяем число лепестков в пределах диаграммы одиночной антенны интерферометра (см. рис. 7), иначе говоря, меняем номер гармоники ряда

Фурье, укладывающейся в пределах этой диаграммы. Мощность на выходе антенны дает нам амплитуду данной гармоники, меняющуюся со временем в зависимости от проходящих через диаграмму интерферометра дискретных и распределенных источников. Повторяя изо дня в день такие измерения при разных базах интерферометра, можно получить амплитуды достаточного числа гармоник ряда Фурье, позволяющих построить картину распределения яркостной температуры в пределах ленты, вырезаемой диаграммой направленности одиночной антенны на небесном своде при вращении последнего. Такой метод радиоастрономического исследования определенных участков неба носит название апертурного синтеза. Этот синтез может проводиться и по двум координатам, если применить два интерферометра со взаимно перпендикулярными базами.

Для апертурного синтеза в Калифорнийском технологическом институте в США используются одна неподвижная и вторая подвижная антенны с параболическим зеркалом диаметром 25 ле каждая. Для подвижной антенны заранее подготовлен на разных расстояниях ряд площадок, на которых она устанавливается и надежно закрепляется.

В других случаях, как, например, в обсерватории Джодрелл-бенк в Англии или на обсерватории во Флэсе (Австралия), для апертурного синтеза используются неподвижная большая антенна и передвижная малая, удаляемая на расстояние вплоть до миллиона длин волн. Достоинством этого способа является возможность в качестве передвижной использовать сравнительно простую антенну с несовершенной диаграммой направленности. Дело в том, что

результирующая диаграмма интерферометра yPi(0, ф) 2(9. ф) будет в этом случае в значительной мере определяться остронаправленной диаграммой большой антенны (по напряженности поля).

При апертурном синтезе важно обеспечить стабильность приемной записывающей аппаратуры или ее регулярную калибровку, чтобы можно было сопоставлять записи, сделанные в разные дни.

Основной трудностью в технике интерферометров является синфазное сложение выходов двух антенн при больших расстояниях между ними, достигающих нескольких десятков, а иногда и сотен тысяч длин волн. В таких случаях используется, как правило, радиорелейная связь. К линии связи предъявляется требование исключительно высокой стабильности ее электрической длины. Ведь разница в длинах путей от двух антенн до места сложения всего в полволны переводит сложение выходов антенн с синфазного на противофазное и радикально меняет расположение на небе максимумов и минимумов диаграммы интерферометра. По-видимому, наиболее радикальным средством решения этой проблемы является введение в линию связи участка с переменной электрической длиной, автоматически компенсирующего изменение электрической длины этой линии за счет различных факторов (влияние метеорологических условий, нестабильность аппаратуры и т. д.).