Познакомимся теперь с многоэлементными интерферометрами. Диаграмма направленности такого интерферометра из п идентичных антенн (рис. 8), расположенных по прямой на расстоянии d друг от друга и включенных синфазно, как известно, будет

P„(e)=.-ii -.р,(е), (7)

-п2 sinos в j

I Приемник

Рис. 8. Схема восьмиэлементного интерферометра

где k = (2я/А,) - волноюе число.

Она представляет собой ряд ножевидных максимумов(рис. 9), расстояние между которыми будет тем больше, чем меньше d, а разрешающая способность будет расти вместе с числом элементов п. Такого рода интерферометры используются обычно для наблюдения Солнца; при этом расстояние между лучами (максимумами) диаграммы должно быть больше углового диаметра Солнца (рис. 10).

Чтобы получить разрешение не по одной, а по двум координатам, достаточно взять два взаимно перепендикулярных линейных многоэлементных интерферометра и применить синфазно-противофазное сложение их выходов (корреляционный прием).

По этой схеме Христиансеном [51 построен интерферометр для наблюдения Солнца на волне 21,1 см,. В каждом его ряду 32 антенны с параболическим зеркалом диаметром 5,7 ж, разнесенные на 12 м.

-WMV-.....-ми-. ,-,-,- I i ..Ш I и» i 1.

-60 -50 -40 -3D -20 40 О 10 20 30 W SO 60 ман.дуги

Рис. 9, Диаграмма направленности многоэлементного интерферометра Христиансена

одна от другой. Все антенны имеют экваториальную монтировку и, вращаясь по заданной программе, следят за Солнцем. Антенны линии восток - запад включены синфазно. Антенны второго плеча включаются со сдвигом фаз, соответствующим заданному углу места. Эта фазировка осуществляется путем изменения длин двухпроводных фидерных линий в разветвленной системе питания.

Рис. 10. Наблюдение Солнца с помощью многоэлементного интерферометра Христиансена (случай линейного интерферометра)

/ - лучи диаграммы интерферометра, попадающие в результирующую диаграмму, 2 - Солнце (в масштабе), 3 - сечеиие луча (по половинной мощности) одиночной параболической антенны, являющейся элементом интерферометра

Рнс. 11. Наблюдение Солнца с помощью многоэлементного интерферометра Христиансена (случай крестообразного интерферометра)

/ - Солнце, 2 - сечение (по половинной мощности) луча одиночной антенны (элемента интерферометра)

Ширина главного луча составляет 2 мин. по азимуту и около 3 мин. по углу места . Диаграмма направленности такой антенны Ры (В) по азимуту или по углу места, как и в кресте Миллса, будет соответствовать корню квадратному из выражения (7), т. е. диаграмме направленности одной линии антенн по напряжению.

Рм(9) =

fnkd

cose

rtSin

cose

1 Эта ширина меняется в зависимости от высоты Солнца.

Другим вариантом схемы управления положением луча в вертикальной плоскости является частотное сканирование. При этом антенны в каждом плече соединены синфазно (т. е. луч нулевого порядка направлен в зенит), а наблюдения проюдятся в высоких порядках интерференционной картины, создаваемых антенной север - юг. Из выражения (8) следует, что положение р-го максимума определяется уравнением

откуда

kd „

-jCosQp - рп,

cos во = Ф

Следовательно, изменяя волну, на которой проводятся наблюдения, можно перемещать всю систему лучей, создаваемых антенной север - юг так, чтобы р-й горизонтальный луч (рис. И) перемещался по диску Солнца (в вертикальном направлении). Фиксируя положение этого луча, мы тем самым вырезаем узкую полосу шириною 3 на поверхности Солнца, распределение яркости в которой регистрируется, когда Солнце пересекает очередной вертикальный луч из системы лучей, создаваемых плечом восток - запад.

Следует иметь в виду, что при приеме шума в полосе частот А/ лучи высших порядков (соответствующие большим значениям р) начинают размываться. Это размывание появляется тем скорее (с ростом р), чем шире полоса А/ и чем больше число элементов п

в интерферометре. В первом приближении должно быть р < ,

где / - несущая. Поэтому практически зона действия многоэлементного интерферометра оказывается ограниченной.

5. Компаунд-интерферометры

В последние годы в радиоастрономии стали входить в употребление новые однолучевые антенны, так называемые компаунд-интерферометры, представляющие собой комбинацию многоэлементного линейного интерферометра с одиночной антенной.

Схема одного из вариантов компаунд-интерферометра изображена на рис. 12. Ее можно рассматривать как схему используемого для корреляционного приема двухантенного интерферометра с базой md, антеннами которого являются линейный интерферометр с диаграммой Р„(9) и одиночная, вообще говоря, направленная антенна с диаграммой Яо(9). При корреляционном узкополосном приеме диаграмма такого интерферометра Р (9) в соответствии со сказанным выше будет

(10)

Р (9) = /Рп (9) Ро (9) I cos [- cos 9 )

Используя выражение (7), получим: Я(9)=/Рх(9)Ро(9)

fnkd \ sm I-g- cos 61

nsmi ycosei

COS! cose

где Pi(9) - диаграмма одного элемента интерферометра.

В частном случае, когда m = п (т. е. одиночная антенна отстоит от крайнего элемента интерферометра на d/2), мы будем иметь диаграмму вида

sin (пМ cos 6)

sm-g-cos в

Т. е. каждый из системы главных лепестков будет по нулям вдвое уже, чем у линейного интерферометра; по форме он будет соответствовать диаграмме вдвое более длинного интерферометра, написанной для напряженности поля. Выделение одного из системы лучей осуществляется выбором достаточно узкой диаграммы одиночной антенны.

Рис. 12. Схема компаунд-интерферометра

Из выражения (И) следует, что эффективная площадь компаунд-интерферометра в значительной мере зависит от площади одиночной антенны, характеризуемой Ро(9), и в большинстве случаев меньше площади входящего в его состав многоэлементного интерферометра.

По описанной схеме построен компаунд-интерферометр во Флэсе (Австралия) для волны 21 см [6]. В качестве линейного интерферометра взято плечо восток - запад описанного выше интерферометра Христиансена. Одиночная антенна с параболическим зеркалом диаметром 18 м установлена на расстоянии 24 м от восточного конца интерферометра.

Ширина главного луча системы по азимуту равна 1,5; по углу места она определяется направленностью одиночной антенны и составляет около 40. Тот факт, что одиночная антенна отстоит от края линейного интерферометра не на 0,5 d, а на 2d, несколько искажает азимутальную диаграмму направленности по [сравнению с записанной выражением (11).

вращая параболическую антенну, мы получаем возможность переходить с одного лепестка интерферометра на другой, наблюдая за прохождением источника последовательно через ряд лепестков. Мы уже отмечали выше, что с увеличением номера лепестка его ширина увеличивается, находясь в зависимости от полосы частот приемника. В данном случае при полосе в 7 Мгц и несущей частоте 1420 Мгц оказалось возможным использовать всего пять лепестков, включая нулевой, что при расстоянии между лепестками в 1° позволяет сопровождать источник в секторе 4° в районе меридиана.

Компаунд-интерферометры применяются и на других диапазонах волн. Так, Эриксоном на радиообсерватории в Кларк-лэке (США) построен компаунд-интерферометр для приема радиоизлучения на декаметровых волнах 17].

6. Основные требования к фидерным системам радиоастрономических антенн

К системам фидерных линий в радиоастрономических антеннах предъявляются весьма высокие требования по целому ряду показателей, для выполнения которых приходится применять подчас весьма сложную технику.

Основным требованием к волноводным линиям, применяемым в антеннах сантиметрового диапазона волн, является требование низкой шумовой температуры. Поэтому длину таких линий стремятся сделать возможно короче, а если это не удается, принимают специальные меры по снижению температуры шума волноводного тракта, в первую очередь увеличивая сечение волновода. Какие при этом возникают осложнения и как их преодолеть - об этом рассказывается в статье В. В. Шишкаревой и Б. В Сестрорецкого, напечатанной в настоящем сборнике.

В многоэлементных интерферометрах основной задачей для плеча восток - запад является обеспечение строго синфазного питания всех элементов антенны, а для плеча северг - юг - задача управления положением луча по углу места. На различных диапэ-зонах волн эти задачи решаются по-разному, требуя обычно применения довольно сложной техники и большой тщательности выполнения линий и управляющих элементов. Решение указанных задач осложняется, когда интерферометр предназначен для работы в широком диапазоне частот, как, например, упомянутый выше интерферометр в Пущине. В ряде случаев применяется перевод системы питания на промежуточную частоту; тогда элементы антенны подключаются на смесители, к которым подводятся строго синфазные колебания местного гетеродина. Здесь добавляется проблема обеспечения одинаковой электрической длины высокочастотных линий от гетеродина до элементов антенны и линий, соединяющих смесители с усилителем промежуточной частоты.

Исключительное внимание должно быть уделено обеспечению стабильности электрической длины линий в условиях меняющейся температуры. Как правило, колебания температуры фидеров не должны превышать 2°. Для этого системы высокочастотных кабелей зарываются глубоко в землю, а отрезки кабелей, используемые в качестве линий задержки (при фазировке), помещаются иногда в термостабилизированное помещение.

На этом мы заканчиваем ознакомление читателей с основами техники антенных систем для радиоастрономии. Желающих познакомиться с этим вопросом более подробно мы отсылаем к специальным номерам журналов и к книгам перечня литературы: [2, 5, 8, 9].

ЛИТЕРАТУРА

1. СаломоновичА. Е. Радиотелескоп с 22-метровым рефлектором. Радиотехника и электроника, 1959, IV, 12, 2092-2093.

2. В о W е п Е. G. and М i п п е t Н. С. The australian 210-foot radio telescope. Proc. IRE Australia, February 1963, 24,98-105.

3. ХайкинС. Э., Кайдановский Н. Л., Есепкина Н. А.,

Ш и в р и с О. Н. Большой пулковский радиотелескоп. Изв. главной астрономической обсерватории в Пулкове, XXI, вып. 5, № 164, 3-25.

4. М i 1 1 s В. Y. and L i 11 1 е А. G. A high-resolution aerial system of a new

type. Austr. J. Phys., 1953 , 6, 272-278.

5. Christiansen W. N. and Mathewson D. S. Scanning the sun with

a highly directional array. Proc. IRE, 1958, 46, N 1, 127-131.

6. L a b r u m N. R., H a r t i n g E., К r i s h n a n T. and P a у t e n W. J. A compound interferometer with a 1,5 minute of arc fan beam. Proc. IRE Australia, February 1963, 24, 148-155.

7. E г i с I< s 0 n W. C. The decametric arrays at the Clark Lake Radio Observatory. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, May 1965, AP-13, N 3,

8. IRE Transactions on Antennas and Propagation, 1961, AP-9, N 1.

9. В г a с e w e 1 1 R. N. Radio astronomy techniques. Handbuch der Physik., 54, Springer-Verlag, Berlin, 1960.