Астронет > Радиотелескоп

Астронет: В. Н. Курильчик, "Физика Космоса", 1986 Радиотелескоп
http://variable-stars.ru/db/msg/1188611

Радиотелескоп

- спец. радиоприемное устройство для исследоавния радиоизлучения космич. объектов в диапазоне от декаметровых до миллиметровых длин волн (в пределах т.н. окон прозрачности земной атмосферы для радиоволн). Р. состоит из двух осн. элементов: антенного устройства и приемного устройства - радиометра. Радиометр усиливает принятое антенной радиоизлучение и преобразует его в форму, удобную для регистрации и дальнейшей обработки.

Энергия радиоизлучения космич. объектов, достигающая земной поверхности, как правило, чрезвычайно мала. Радиоизлучение носит шумовой характер и имеет непрерывный спектр, охватывающий широкий диапазон радиоволн. Р. вырезает на рабочей длине волны $\lambda$ из этого спектра сравнительно узкую полосу радиочастот, соответствующую полосе пропускания приемника. Т.о., радиотелескоп является спектр-анализатором космического излучения на волне $\lambda$ .

Осн. назначение антенного устройства - собрать макс. количество энергии, приносимой радиоволнами от определенного космич. объекта. Эта энергия характеризуется т.н. спектр. плотностью потока радиоизлучения $F_\nu$ (т.е. энергией излучения, падающего на единичную площадь за ед. времени в единичном интервале радиочастот).

Количество собираемой энергии антенной энергии эл.-магн. волн прямо пропорционально эффективной площади антенны A_э . Поэтому для Р. высокой чувствительности используются специальные антенные устройства больших размеров.

Рис. 1. Диаграмма направленности параболической
антенны в плоскости, содержащей геометрическую ось
антенны: $\lambda$ - длина волны, d - диаметр антенны.

Важным параметром любой антенны явл. ее направленность, характеризуемая т.н. диаграммой направленности. Диаграмма направленности может быть изображена графически или охарактеризована в простых случаях аналитически (функцией). На рис. 1 приведено графич. изображение сечения диаграммы направленности параболич. антенны плоскостью, в к-рой лежит геометрич. ось антенны (в первом приближении диаграмма аксиально-симметрична относительно этой оси). Диаграмма имеет главный лепесток, боковые лепестки и широкий задний лепесток. Указанный вид диаграммы направленности может быть описан ф-цией $g(\theta, \varphi)$ , показывающей, во сколько раз мощность излучения, принимаемого реальной направленной антенной в нек-ром направлении $\theta,\;\varphi$ , больше или меньше мощности излучения, принимаемого идеализированной изотропной антенной (с одинаковыми св-вами приема по всем направлениям). Здесь $\theta$ и $\varphi$ - углы, отсчитываемые в двух взаимо перпендикулярных плоскостях от оси антенны. В направлении геометрич. оси антенны (в главном лепестке диаграммы) ф-ция $g(0,0)=g_{макс}(\theta,\; \varphi)$ . Значение $g(0,0)$ наз. коэфф. направленного действия антенны (КНД) антенны или ее усилением.

Угловые размеры главного лепестка характеризуют разрешающую способность антенны. Эти размеры определяются углом между направлением на точки главного лепестка, в к-рых $g(\theta, \varphi)=g(0,0)/2$ , т.е. принимаемая антенной мощность излучения снижается вдвое по сравнению с мощностью, принимаемой строго вдоль оси. Этот угол зависит от $\lambda$ и геометрич. размеров антенны:
$\varphi_a (\lambda, d)=\lambda /d (радиан) \approx 57^\circ \lambda /d$ (1).
Здесь d - диаметр параболич. антенны. Если расстояние между двумя точечными радиоисточниками превышает $\varphi_a (\lambda, d)$ , то такие источники можно зарегистрировать раздельно (как иногда говорят, "разрешить" источники). Из соотношения (1) видно, что чем больше размер (диаметр) антенны, тем лучше ее разрешающая способность при фиксиров. длине волны $\lambda$ (для многоэлементной антенны или двухантенного радиоинтерферометра d - расстояние между крайними элементами антенны или антеннами интерферометра).

Боковые и задний лепестки диаграммы направленности явл. "паразитными", вредными, т.к. через них принимается радиоизлучение земной поверхности, космич. радиофон и можно случайно принять излучение мощного радиоисточника, к-рое наложится при регистрации на излучение исследуемого объекта. Поэтому нередко принимают спец. меры для подавления этих лепестков диаграммы направленности.

Для направленных антенн справедливоследующее соотношение между $g(\theta, \;\varphi)$ , длиной волны $\lambda$ и эффективной площадью A_э:
$g(\theta, \varphi)=4\pi A_э / \lambda^2$ (2).
Из соотноешния (2) видно, что значению $g_{макс}(\theta,\; \varphi)$ в направлении геометрич. оси антенны соответствует и макс. эффективная площадь приема радиосигнала. в др. направлениях A_э существенно меньше. Соотношение между A_э и геометрич. площадью антенны зависит от ее конструктивных особенностей. Антенны больших размеров при прочих равных условиях имеют и большую A_э, что наряду с улучшением ее разрешающей способности позволяет увеличить и чувствительность Р.

Важным параметром антенны явл. т.н. антенная температура T_ш.а., характеризующая суммарную мощность излучения, собираемую антенной через все лепестки диаграммы направленности от земной поверхности и наземных предметов, а также от атмосферы, ионосферы и из космич. пространства. Это излучение явл. фоном, из к-рого должно быть выделено излучение исследуемого космич. радиоисточника. В области длинных (декаметровых и метровых) радиоволн наиболее существенный вклад в T_ш.а. дает космич. радиофон (T_ш.а. достигает неск. тысяч К). В дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн наиболее существенно тепловое излучение поверхности Земли и наземных предметов (T_ш.а. составляет десятки и сотни К).

Чувствительность Р., т.е. миним. приращение $\Delta T_{ш.а.}$ , вызванное приемом в главном лепестке диаграммы направленности излучения нек-рого космич. объекта, еще регистрируемого данным Р., определяется соотношением: $\Delta T_{ш.а.} \sim {T_{ш.вх.} \over \sqrt{ \Delta \nu \cdot \tau}}$ , (3) где T_ш.вх. - суммарная шумовая темп-ра, включающая темп-ру шумов приемника T_ш.пр. (приведенных ко входу) и антенны T_ш.а. , $\Delta \nu$ - полоса принимаемых радиочастот, $\tau$ - время накопления сигнала.

Рис. 2. Радиотелескоп РТ-22 Крымской
астрофизической обсерватории АН СССР.

Наиболее распространенными в радиоастрономии антеннами Р. явл. т.н. параболические антенны. Рефлектор, отражающая металлическая поверхность к-рого имеет форму параболоида, обладает св-вом фокусировать падающий на него параллельный пучок радиоволн. В фокусе рефлектора на его геометрич. оси помещают дипольный или иной элементарный облучатель, передающий сфокусированное рефлектором излучение на вход приемника. На рис. 2 приведена фотография параболич. полноповоротной антенны РТ-22 (диаметр d=22 м) Крымской астрофизич. обсерватории АН СССР (Симеиз). Уникальная точность изготовления поверхности рефлектора РТ-22 позволяет Р. работать на длинах волн вплоть до $\lambda \approx 1$ мм.

Совр. полноповоротные, т.е. позволяющие осуществить наведение на любой небесный объект, находящийся над горизонтом, параболич. антенны Р. имебт обычно d=30-70 м, н осуществуют антенны с d=100 м (Боннский Р., ФРГ). Обладая фокусирующими св-вами в широком диапазоне длин волн (с коротковолновой стороны ограницения на $\lambda_{мин}$ связаны с точностью изготовления поверхности параболоида и возможными деформациями его при повороте антенны по углу места), паоаболич. антенны оснащаются набором различных радиометров, позволяющих одновременно работать на целом наборе длин волн.

Другой тип антенн Р. - т.н. синфазные антенны. Отдельными элементами синфазной антенны могут быть элементарные облучатели (полуволновые диполи, спиральные антенны и т.п.) или даже параболические рефлекторы малого диаметра, смонтированные на одной вращющейся платформе. Сигланы от всех элементов такой антенны передаются по волноводам (кабелям) на вход приемника. Длину подводящих волноводов подбирают так, чтобы сигналы от всех элементов антенны поступали на вход приемника в одной фазе (синфазно), это необходимо для эффективного сложения ("фокусирования") сигналов. Синфазная антенна также явл. направленной, поскольку наилучшая фазировка и суммирование сигналов от всех элементов имеют место для параллельного пучка радиоволн, падающего вдоль оси антенны, т.е. одновременно облучающего все ее элементы. Если a и b - стороны прямоугольного полотна (платформы) антенны, то вдоль этих двух направлений ширина главного лепестка, определяющая разрешающую способность антенны, $\varphi_a=\lambda /a ,\; \varphi_b=\lambda /b$ . Синфазные антенны более просты в изготовлении и более дешевы. Однако недостатком синфазных антенн явл. их "монохроматичность", т.е. возможность приема радиоизлучения лишь в сравнительно узкой полосе частот вблизи одной частоты, для к-рой антенны сфазирована.

Для ряда задач, решаемых в радиоастрономии, важна высокая разрашеющая способность Р. Повышение разрашеющей способности связано с увеличением геометрич. размеров антенн, что усложняет конструкцию и удорожает строительство. Для получения очень высокой разрешеющей способности применяются радиоинтерферометры. В промежуточных случаях разрашеющую способность отдельно взятой антенны можно увеличить след. образом. Если составить длинный ряд синфазных антенн или "вырезать" из параболического рефлектора полосу (практически это осуществляется составлением параболич. полосы из сравнительно небольших плоских щитов), то антенна будет иметь хорошую разрешающую способность по одной координате (т.н. ножевую диаграмму направленности), причем в направлении вдоль полосы ширина главного лепестка $\varphi_a=\lambda /d$ , где d - ширина полосы.

Рис. 3. Общий вид радиотелескопа РАТАН-600.
Специальная обсерватория АН СССР.

На рис. 3 приведен общий вид Р. РАТАН-600 Спец. астрофизич. обсерватории АН СССР (станица Зеленчукская, Ставропольский край).

Рис. 4. Параболический рефлектор одного
из секторов РАТАН-600.

Рис. 5. Облучатель в фокусе сектора РАТАН-600.

Он представляет собой составленный из отдельных щитов высотой 7 м круг диаметром $\approx 600$ м, в каждом из четырех секторов к-рого (северном, южном, западном и восточном) щиты выставляются по параболе, образуя отражающую и фокусирующую полосу антенны (рис. 4). В фокусе такой полосы располагается спец. облучатель (рис. 5). Наклоном щитов, образующих рефлектор, осуществляется наведение антенны на объект исследования по углу места. Р. работает на "прохождение", т.е. регистрирует космич. радиоисточник при его проходе через диаграмму направленности за счет суточного вращения небесной сферы. Предусмотрена возможность сопровождения исчтоника в нек-рых пределах с помощью перемещения облкчателя в фокусе антенны по рельсовому пути.

Характеристики нек-рых наиболее крупных антенн Р. приведены в таблице (в последней графе указана миним. длина волны, на к-рой может работать антенна).

Совр. Р. характеризуется следующими предельными параметрами. Эффективные площади достигают 10 ³-10⁴ м². У малошумящих входных устройств T_ш.вх. составляет десятки К. Измеряемые приращения антенной темп-ры $\Delta T_{ш.а.} \sim 10^{-2}-10^{-3}$ К, что позволяетсярегистрировать $F_\nu \sim 10{-29}-10^{-30}$ Вт/(м²Гц).

Радиотелескоп Диаметр (размер) антенны, м Геометрич. площадь, м² A_э, м² $\lambda_{мин}$ , см

Радиотелескоп в Аресибо 300 70 000 20 000 10

Боннский радиотелескоп 100 8000 (4-6)х1000 0,35

РАТАН-600 кольцо из щитов диаметром 600 м 4х3000 (4 сектора) 4х1500 0,8

Лит.:
Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н., Радиотелескопы и радиометры, М., 1973.

(В.Н. Курильчик)

В. Н. Курильчик, "Физика Космоса", 1986
Глоссарий Astronet.ru

Радиотелескоп	Диаметр (размер) антенны, м	Геометрич. площадь, м²	A_э, м²	$\lambda_{мин}$ , см
Радиотелескоп в Аресибо	300	70 000	20 000	10
Боннский радиотелескоп	100	8000	(4-6)х1000	0,35
РАТАН-600	кольцо из щитов диаметром 600 м	4х3000 (4 сектора)	4х1500	0,8