Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://jet.sao.ru/hq/len/fok.htm
Дата изменения: Wed Feb 24 16:41:28 2010
Дата индексирования: Mon Oct 1 20:19:15 2012
Кодировка: koi8-r
Поисковые слова: stars
fok
Home page
      [English] [Russian]

Многоэлементные решетки в фокусе радиотелескопов.

Е.К. Майорова, В.Б.Хайкин, САО РАН

Исследуются характеристики радиотелескопов с многоэлементными фокальными решетками. Рассматривается вопрос оптимизации конструкции решетки, элементами которой являются горизонтально ориентированные полосковые излучатели, применительно к РАТАН-600 и параболоиду вращения. Проводится расчет диаграмм направленности (ДН) этих радиотелескопов в режиме многолучевого приема с использованием различных модификаций фокальных решеток. Предлагается "террасная" конструкция фокальной решетки для облучения несимметричного вторичного зеркала РАТАН-600 и симметричных зеркал (параболоидов вращения).

      Многолучевой режим работы радиотелескопа можно осуществить, расположив в его фокальной плоскости матрицу первичных облучателей. Такая многоэлементная приемная решетка в фокусе рефлекторного телескопа позволяет существенно расширить его поле зрения, повысить интегральную чувствительность, ускорить процесс формирования изображений протяженных источников, снизить влияние атмосферы.

      Матрица первичных облучателей располагается на фокальной линии вторичного зеркала РАТАН-600. Последнее представляет собой несимметричный параболический цилиндр с горизонтальной образующей, на фокальной линии которого (ось X на рис.1(b)) располагаются рупора (первичные облучатели), что позволяет проводить наблюдения одновременно на нескольких длинах волн. Такая конструкция вторичного зеркала удобна для осуществления многолучевого режима работы радиотелескопа как с одномерной, так и с двумерной и трехмерной решетками.

Рис.1.  Сечения вторичного зеркала в вертикальной (a) и горизонтальной (b) плоскостях. 1 - параболическое зеркало, 2 - первичный облучатель.

      Количество элементов в одномерной решетке определяется размерами безаберрационной зоны РАТАН-600, которая в режиме двухзеркальной фокусирующей системы зависит от от высоты наблюдаемого источника H. На рис.2 приведены расчетные аберрационные кривые РАТАН-600. Аберрационными кривыми мы называем зависимости максимума диаграммы направленности телескопа Fmax от величины выноса первичного облучателя из фокуса. Примеры расчетных и экспериментвльных аберрационных кривых приведены в разделе "Экспериментальное исследование ДН РАТАН-600".

Рис.2.  Аберрационные  кривые на волне 10 мм при выносе первичного облучателя вдоль фокальной линии вторичного зеркала (ось X) на высотах H=0o, 30o, 60o, 90o. Режим двухзеркальной фокусирующей системы с полной апертурой.

      Использование одномерной решетки, расположенной на фокальной линии вторичного зеркала, дает наибольший эффект при наблюдениях источников с высотами, близкими 90o, так как в этом режиме безаберрационная зона РАТАН-600 максимальна. С уменьшением высоты источника безаберрационная зона быстро сужается. Что касается составляющих паразитной поляризации, то их величина минимальна на высотах, близким к нулевым, и монотонно возрастает с увеличением высоты источника. Поэтому при поляризационных измерениях предпочтительнее оказывается режим с перископическим плоским зеркалом (режим "Юг+Плоский"), при котором круговое зеркало устанавливается вертикально на высоту H=0o. Количество полосковых излучателей в одномерной фокальной решетке на волну 10 мм при наблюдениях околозенитных источников может составить 160 элементов, в то время как для эффективного приема излучения на низких высотах их число не должно превышать 10.

      Для оценки возможности использования двух- и трехмерных решеток в фокальной области РАТАН-600 и оптимизации их конструкции были проведены рассчеты ДН РАТАН-600 при произвольном выносе первичного облучателя из фокуса F в плоскости А (рис.1(а)). Кривыми 1 - 9 на рис.3 показаны вертикальные ДН на волне 10 мм при выносе первичного облучателя из фокуса на величину 5 мм и помещении его в точки 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 (рис.3(b)) для высот H=0o, 10o, 30o, 50o и 85o. При расчете задавались ДН первичных облучателей и реальные размеры фокусирующей системы РАТАН-600. В каждом из рассматриваемых положений максимум диаграммы направленности первичного облучателя составлял с горизонтом угол =50o.

Рис.3.   ДН РАТАН-600 на волне 10 мм при выносе первичного облучателя из фокуса на величину 5 мм и помещении его в точки (1 - 9) - (b). (a) - H=0o, (c) - 10o, (d) - 30o, (e) - 50o, (f) - 85o. Схема расположения облучателя в вертикальном сечении вторичного зеркала - (b).

      Из кривых, приведенных на рис.3, видно, что отклонение луча ДН путем выноса первичного облучателя из фокуса возможно только на высотах, близких к нулю. Поэтому двумерные (планарные) решетки могут быть использованы или в режиме "Юг+Плоский" или в режиме наблюдений с одним сектором, но только для наблюдениях очень низких источников. С точки зрения получения максимального сигнала, элементы решетки должны располагаться или вдоль оси Y или вдоль направления, перпендикулярного направлению излучения рупоров (точки 4-8). Максимумы излучения отдельных элементов решетки должны составлять c горизонтом =50o.

Рис.4.   Схема "террасного" расположения первичных излучателей в фокальной области вторичного зеркала РАТАН-600 (вертикальное сечение) (слева). 1 - параболическое зеркало, 2 - линейки первичных излучателей. Примеры "террасной" конструкции многоэлементной приемной решетки с микрополосковыми излучателями(справа).

Рис.5.   Вертикальные ДН радиотелескопа РАТАН-600 в режиме "Юг+Плоский" на волне 10 мм при размещении в его фокальной области приемной решетки "террасной" (a) и плоской (b) конструкции.

      Предложена конструкция трехмерной решетки, составленная из линеек полосковых излучателей, так называемая "террасная" конструкция. Эти линейки параллельны фокальной линии вторичного зеркала и сдвинуты друг относительно друга в вертикальной плоскости на величину h, расстояние между излучателями в линейках задается параметром l (рис.4). Такая конструкция не только проще в реализации, но и оказывается более оптимальной по энергетическим характеристикам. Из рис.5 хорошо видно, что при использовании "террасной" конструкции снижение максимумов ДН отдельных лучей меньше, чем в плоской конструкции. При одних и тех же расстояниях между элементами и их количестве (N = 7) падение сигнала в крайних элементах решетки составляет в случае плоской конструкции около 40%, в то време как для "террасной" решетки - не более 15%. Взаимное влияние элементов в "террасной" конструкции существенно меньше по сравнению с плоской решеткой [1].

Рис.6.  Изофоты двумерной многолучевой ДН РАТАН-600 при использовании решетки "террасной" конструкции в фокальной области вторичного зеркала на волне 1 см. Показаны ДН от крайних и центрального элемента решетки. Полное количество лучей в этом режиме может достигать 7x10 ( 7 - в вертикальной и 10 - в горизонтальной плоскостях).

      Решетки "террасной" конструкции могут быть использованы на РАТАН-600 в режиме работы с одним сектором (при высот, близких к нулю) и в режиме "Юг+Плоский". Оптимальное число линеек в такой решетке составляет 7-8. В соответствии с аберрационной кривой 1 на рис.2, вдоль фокальной линии РАТАН-600 в каждой из линеек можно разместить не более 10 элементов. Таким образом в этих режимах работы радиотелескопа можно осуществить многолучевой режим наблюдений с трехмерной решеткой "террасной" конструкции с общим числом приемных элементов около 70. В режиме "радио-Шмидт телескоп", где безаберрационная зона существенно больше, количество элементов в трехмерной решетке может достигать 1000. Наблюдения можно проводить на любой фиксированной высоте источника, при условии, что она совпадает с высотой, на которую расчитан "радио-Шмидт", при размере апертуры антенны не более 150 м.

Рис.7.  Схема "террасного" построения решетки в фокальной области параболоида (круговой вариант) a) - в радиальном сечении, b) - в фронтальном сечении. 1 - параболоид, 2 - первичные излучатели.

      Фокальные решетки "террасной" конструкции могут быть использованы и в параболических антеннах. На рис.7 приведены примеры "террасного" построения решетки для параболической антенны, в котором учитывается осевая симметрия параболоидов (круговой вариант конструкции). Показано расположение излучателей в одном из радиальных сечений параболоида - плоскости, проходящей через радиус круга, каковым является раскрыв параболоида и его ось симметрии (рис.7a) и во фронтальном сечении - плоскости, перпендикулярной оси параболоида (рис.7b). При такой конструкции излучатели располагаются по кольцам, сдвинутым друг относительно друга в глубину на величину h. Кроме осесимметричного построения решетки, возможны конструкции, показанные на рис.9 (прямоугольный вариант). В плоскости X0Y линейки излучателей сдвинуты на величину h, и положение излучателей в этой плоскости такое же, как на рис.7(a).

Рис.8.  ДН параболического радиотелескопа в радиальных сечениях на волне 10 мм при расположении в его фокальной области решетки "террасной" конструкции (круговой вариант), N - число элементов в радиальном сечении.

      ДН параболической антенны, в фокальной области которой размещены полосковые излучатели, образующие "террасную" решетку, приведены на рис.8 (круговой вариант) и на рис.10 (прямоугольный вариант). N - число элементов решетки в каждом из радиальных сечений при круговом варианте или в одной из линеек при прямоугольном варианте. Диаграммы направленности рассчитывались для оптимальных параметров h и l. Положение решетки как жесткой конструкции относительно фокуса параболоида также оптимизировалось.

Рис.9.  Схема "террасного" построения решетки в фокальной области параболоида (прямоугольные варианты). 1 - параболоид, 2 - первичные излучатели.

Рис.10.  ДН параболического радиотелескопа на волне 10 мм в плоскости Y0Z при расположении в его фокальной области решетки "террасной" конструкции (прямоугольный вариант).

      ДН парболоида в сечении X0Y (прямоугольный вариант конструкции решетки) совпадает с ДН осесимметричной рашетки в ее радиальном сечении, вид многолучевой ДН в плоскости Y0Z показан на рис.10. Таким образом "террасная" конструкция решетки вполне применима для параболических антенн, и в некоторых случаях имеет даже определенные преимущества перед планарной решеткой. При числе элементов 3х3 и 4х4 "террасное" расположение элементов позволяет получить многолучевую ДН с одинаковым уровнем сигнала во всех лучах параболоида, чего нельзя добиться при плоской конструкции решетки.

[1]   Khaikin V.B., Majorova E.K., Parijskij Yu.N., Parnes M.D. et al., Proceedings of international conference "Perspective on radioastronomy: technologies for large antenna arrays", Dwingeloo, the Netherlands, April,1999,