Антенна радиотелескопа. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

АНТЕННА РАДИОТЕЛЕСКОПА -устройство для сбора радиоизлучения космич. объектов. А. р. определяет его чувствительность (минимально обнаружимый сигнал) и угловое разрешение (способность разделить излучение близких друг к другу радиоисточников). Мощность принимаемого сигнала от радиоисточника с плотностью потока радиоизлучения F равна 0,5 AF, где А - эфф. площадь антенны, коэф. 0,5 определяется тем, что принимается лишь одна из поляризаций. Минимально обнаружимый сигнал

зависит от величины А, шумовой температуры радиотелескопа Т_ши радиометрич. выигрыша ; здесь -полоса частот принимаемого сигнала,

-время наблюдения источника, k-постоянная Больцмана. Шумовая температура радиотелескопа

определяется шумовой температурой антенны Т_ша и шумовой температурой радиометра Т_шр.

Шумовая темп-pa антенны зависит от доли потерь в антенно-фидерном тракте

и вклада радиоизлучения Земли и атмосферы через боковые лепестки диаграммы, направленности (ДН) антенны:

, где T₀-температура окружающей среды, T_з - темп-pa Земли, T_aт - эфф. темп-pa атмосферы, Т_ф- темп-pa фона космич. радиоизлучения, D - диаграмма направленности А. р. по мощности. Шумы антенны уменьшают при помощи снижения потерь

, охлаждения тракта (понижения T₀)и спец. облучения А.р. (снижения вклада шумов Земли). Угловое разрешение антенны

определяется её ДН, ширина к-рой зависит от размеров антенны d и длины волны

В табл. на с. 102 приведены наиб. характерные типы А. р. и их ДН; там же указана чувствительность антенн к пространственным частотам. Конструктивное исполнение антенн существенно зависит от диапазона длин волн и назначения.

Антенны зеркального типа. Осн. элементом антенн этого типа является зеркало, к-рое собирает падающее на него излучение в фокальной точке (параболич. зеркало) либо на фокальной линии (параболич. цилиндр, сферич. зеркало). В фокусе устанавливается облучатель в виде рупора либо цепочки диполей. ДН облучателя формируется так, чтобы облучить всё зеркало (собрать с него всю энергию), но исключить облучение пространства вне его. Этим достигаются макс. использование поверхности зеркала А и миним. уровень шумов Т_ша. Для исключения искажения фронта отражённой волны неровности поверхности зеркала не должны превышать

. Форма поверхности зеркала должна сохраняться в этих пределах при разных темп-pax, ветровых нагрузках и положении антенны. Эти требования ограничивают размеры зеркал, миним. длину волны и определяют их стоимость, поэтому первые крупные антенны зеркального типа были неподвижными или полуподвижными. Оптимизация параметров радиотелескопов привела к ряду конструктивных решений - созданию зеркальных антенн разных типов и классов. Наиб. распространение получили параболич. зеркала.

Антенны с параболическими зеркалами. Первые антенны этого типа были неподвижными (напр., 32-м "земляные чаши" Крымской радиоастр. станции ФИАН, нач. 1950-х гг.) или устанавливались на поворотном устройстве, позволяющем изменять положение антенны лишь по углу места (90-м антенна в Грин-Бэнк, США).

Рис. 1. РТ-43 - наиболее крупный радиотелескоп с экваториальной подвеской 43-м параболического зеркала. США, Национальная радиоастрономическая обсерватория, Грин-Бэнк.

Перестановка электрич. оси антенны в пределах неск. ДН осуществлялась изменением положения облучателя. В Грин-Бэнк для поворота электрич. оси антенны по азимуту (прямому восхождению) смещают в соотв. направлении облучатель. На Крымской радиоастр. станции облучатель установлен на каретке, обеспечивающей его перестановку в фокальной плоскости в двух направлениях.

Первые полноповоротные радиотелескопы имели традиц. монтировку оптич. телескопов - экваториальное поворотное устройство, обеспечивающее установку антенны в заданном направлении по прямому восхождению и склонению (рис. 1).

Рис. 2. РТ-22 - прецизионный радиотелескоп с азимут-угломестной монтировкой 22-м параболического зеркала. Крымская астрофизическая обсерватория, Симеиз.

Компенсация вращения Земли (слежение за источником) осуществлялась равномерным вращением инструмента вокруг оси прямого восхождения, устанавливаемой параллельно оси враще-

ния Земли, т.е. наиб. простым и удобным поворотным устройством, к тому же обеспечивающим сохранение позиц. угла при сопровождении источника. Однако в этом заключается и его недостаток - в ходе наблюдений зеркало поворачивается вокруг своей оси, и под действием сил тяжести возникают несимметричные деформации, искажающие его форму (для крупных зеркал) Поэтому совр. крупные прецизионные радиотелескопы имеют азимут-угломестные поворотные устройства, что впервые было применено в А р РТ-22 Крымской астрофиз. обсерватории (рис. 2). По той же причине оптики также перешли на аналогичную монтировку (6-м телескоп в станице Зеленчукской на Кавказе). Пересчёт экваториальных координат в азимутальные осуществляется ЭВМ. Это не усложняет систему, т. к. в действительности и в случае экваториальной подвески (для крупных зеркал) необходимо учитывать влияние рефракции и отклонение электрич. оси под действием деформаций, в т. ч. тепловых. Нужно обеспечивать и режим сканирования к--л. площадки неба, что можно осуществить лишь с помощью ЭВМ.

Обычно радиотелескопы открыты. Для исключения влияния температурных изменений и ветровых нагрузок на зеркало в ряде случаев инструмент помещают внутри купола. Купол может иметь раздвижное окно, как для оптич. телескопа (11-м радиотелескоп на Китт-Пик, США), либо быть сплошным (Хайстекская обсерватория, 37-м радиотелескоп, рис. 3). Недостатками сплошного купола являются поглощение в оболочке и рассеяние на фермах конструкций. А. р. в Хайстеке имеет облегченную конструкцию, для уменьшения деформации зеркала под действием гравитац. сил применены компенсирующие противовесы. Разработаны спец. конструкции зеркал с азимут-угломестной подвеской, к-рые деформируются под действием гравитац. сил (при изменении угла места), сохраняя свою форму (т. н. гомологич. схема). Меняется лишь фокусное расстояние, это изменение компенсируют смещением облучателя.

Для обеспечения высокого коэф. использования апертуры K_а (отношения эфф. площади А к раскрыву антенны) и низкой шумовой температуры антенны Т_ша используют рупоры разл. типов. Наиб. эффективны т. н. корригированные рупоры, внутр. стенки к-рых прорезаны четвертьволновыми канавками, в этом случае

= 0,55-0,7.

Рис. 3. РТ-37 - 37-м радиотелескоп с облегченной конструкцией антенны, закрыт куполом. США, Хайстек.

Более удобна в эксплуатации и эффективна по своим параметрам кассегреновская схема облучения. В этом случае перед фокальной точкой устанавливается вторичное зеркало гиперболич. формы, к-рое отражает падающее на него излучение во вторичный фокус, расположенный ближе к основанию первичного зеркала. Аппаратура становится доступной в процессе наблюдений, кроме того, облучение вторичного зеркала происходит в направлении приёма сигнала ("холодного" неба, а не "горячей" Земли) и шумовая томп-ра антенны

получается минимальной. Общая шумовая темп-pa системы 64-м радиотелескопа в Голд-стоуне (США) на длине волны 13 см равна 15 К, а

= 0,8. Большое значение

достигнуто с помощью корригиров. облучателя и зеркал спец. формы (квази-параболич и квазигиперболической, рис 4)

Рис. 4. PT-64 - 64-м радиотелескоп с системой облучения типа Кассегрена, зеркала имеют квазипараболическую и квазигиперболическую формы. США, Голдстоун.

В схеме Грегори используется вторичное зеркало эллиптич. формы, к-рое устанавливается за первичным фокусом, что допускает возможность работы из первичного фокуса без снятия вторичного зеркала. Система Грегори использована на 100-м радиотелескопе в Эффельсберге в ФРГ (рис. 5). Радиотелескопы с пара-болич. зеркалами работают во всём спектре радиоволн - от метровых до самых коротких миллиметровых.

Рис. 5. PT-100 - 100-м радиотелескоп (гомологическая конструкция зеркала) с системой облучения типа Грегори. ФРГ, Эффельсберг.

Их угловое разрешение достигает десятков секунд дуги. Зеркала спец. формы использованы в 70-м радиотелескопе в Евпатории. Радиотелескопы со сферич. зеркалами имеют неподвижную антенну. Перемещение

в пространстве луча антенны осуществляется облучением разных частей зеркала. Для исправления сферич. аберрации используют вторичное зеркало спец. формы либо линейный облучатель с исправлением фазы вдоль его длины. Радиотелескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико) имеет сферич. зеркало с радиусом R = 265 м и диам. раскрыва 305 м. Диаметр эквивалентного параболич. зеркала равен 200 м. Щиты отражающей поверхности установлены на опорах, закреплённых непосредственно в скальном грунте. Это обеспечивает возможность точного выставления щитов и сохранение их положения при разных ветровых нагрузках и темп-pax. Радиотелескоп работает до волн 3-см диапазона. Облучатель антенны закреплён на каретке, движущейся по дуге, расположенной на расстоянии 0,5 R. Дуга может вращаться относительно оси антенны. T. о. обеспечивается управление электрич. осью антенны по двум направлениям в пределах

от зенита. Система облучения подвешена с помощью тросов в фокальной точке, управление осуществляется с помощью ЭВМ. Рассмотренные антенны имеют цилиндрически симметричные ДН (карандашного тина).

Перископические антенны. Влияние гравитац. поля Земли и жёсткость материалов ограничивают размеры зеркал. Разработаны радиотелескопы, антенны к-рых имеют сравнительно небольшие размеры по вертикали и большие в горизонтальном направлении (в виде усечённого параболоида).

Радиотелескоп Крауса имеет неподвижное параболич. зеркало высотой 21, длиной 110 м и плоский переотражатель, наклон к-рого позволяет устанавливать электрич. ось антенны на разные углы места. Радиотелескоп этого типа построен в Зименках, близ Горького, его прецизионное зеркало параболич. формы имеет размеры

м. Инструмент работает в миллиметровом диапазоне длин волн. Сопровождение в пределах небольших углов по азимуту осуществляется перемещением облучателя. Для расширения возможностей сопровождения радиотелескоп в Нансе (Франция) имеет зеркало сферич. формы, его размеры

м, размеры переотражателя

м. Антенны этого типа имеют плоскую (веерную, или ножевую) ДН и работают на длинах волн миллиметрового и дециметрового диапазонов.

Параболич. цилиндры используют на волнах метрового и дециметрового диапазонов. Вдоль фокальной оси этих зеркал устанавливают диполи. Изменение угла места таких антенн обеспечивают перестановкой (вращением) антенны, а по азимуту - соотв. фазировкой диполей. Антенна этого типа находится в Пущино на радиоастр. станции ФИАН. Этот инструмент работает во всём спектре метрового диапазона, размеры зеркала

м. Радиотелескоп в Ути (Индия) работает на частоте 327 МГц. Ось параболич. цилиндра установлена параллельно оси вращения Земли (на склоне холма). T. о. обеспечивается экваториальная монтировка зеркала. Перестановка электрич. оси радиотелескопа по склонению осуществляется с помощью фазировки диполей, установленных вдоль фокальной линии параболич. цилиндра. Антенна имеет 12 выходов, соответствующих 12 ДН, разнесённых по склонению друг относительно друга на половину своей ширины.

Синфазные антенные решётки обычно применяют на волнах метрового и декаметрового диапазонов. Решётка состоит из диполей с отражателями. Одной из таких антенн является большая синфазная антенна (БСА) на волну 3,5 м на радиоастр. станции ФИАН в Пущино. На декаметровых волнах инструментом такого типа является радиотелескоп в Граково, под Харьковом. Управление электрич. осью антенны осуществляют фазировкой диполей. Антенны этого типа просты в изготовлении и имеют низкую стоимость.

Антенны с незаполненными апертурами. Рассмотренные выше А. р. относятся к антеннам с заполненными апертурами, а измеряемый ими спектр ограничен об ластью малых пространственных частот. Ширина их ДН определяется площадью антенны. Принципиальнс иным классом А. р. являются антенны с незаполненными апертурами. Это совр. антенно-вычислит. комплексы, предназначенные для исследования распределения радиояркости объектов космич. радиоизлучения с высоким угловым разрешением. Как правило, они чувствительны к высоким пространственным частотам (табл.).

d, D, b - размеры апертуры;

-длина волны;

-углы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях;

-функция Бесселя;

Антенны с незаполненными апертурами имеют большое число лепестков, к-рые исключаются спец. методами обработки (см. Апертурный синтез).

Радиоинтерферометр является простейшим инструментом этого типа, он чувствителен лишь к одной из пространственных частот, определяемой длиной базы. Меняя длину базы, можно измерить весь спектр пространственных частот исследуемого объекта и по нему построить изображение. Для повышения эффективности наблюдений увеличивают число элементов интерферометра и располагают их в определ. порядке друг относительно друга для исключения повторения одинаковых длин баз. Использование вращения Земли (наблюдения источника при разных позиционных углах) позволяет расширить спектр измеряемых частот. Разработаны разл. типы инструментов с незаполненными апертурами.

Крестообразный радиотелескоп (крест Миллса) состоит из двух взаимно перпендикулярных антенных полос. Каждая из антенн имеет веерную ДН. Корреляц. обработка сигналов, принятых с двух антенн, формирует ДН, определяемую их общей частью. Сформированная ДН с точностью до нулевых пространственных частот соответствует антенне с площадью, равной произведению макс. размеров входящих в неё полос. Примером такого инструмента является крестообразный радиотелескоп в Пущино. Его антенные полосы имеют размеры

м. Радиотелескоп в Граково имеет Т-образную форму.

Кольцевой радиогелиограф в Калгурре (Австралия) состоит из 96 элементов, установленных по кругу диам. 3 км. Каждый из элементов представляет собой 13-м полноповоротную антенну с экваториальной монтировкой. Ширина ДН радиотелескопа 3,5' на частоте 80 МГц.

Рис. 6. РАТАН-600 - радиотелескоп с антенной кольцевой формы диаметром 600 м. Станица Зеленчукская, Кавказ.

Сигналы от отд. элементов передаются по линиям на коммутирующую систему, к-рая формирует 48 остронаправленных лучей, ориентированных в направлении север - юг. Инструмент используют для исследования структуры Солнца и измерения наиб. сильных радиоисточников.

РАТАН-600 расположен вблизи станицы Зеленчукской (рис. 6). Его антенна - разновидность перископической, состоит из 895 отражателей, установленных по кругу, диам.

м; размеры отражателя по вертикали 7,4 м, по горизонтали 2 м. Отражатели можно перемещать по углу, азимуту и в радиальном направлении. Каждое зеркало следит за источником и отражает падающее на него излучение в фокальную точку. В зависимости от угла места профиль антенны меняется, отсюда и назв. инструмента - антенна переменного профиля. Меняется и положение фокальной точки, поэтому в процессе наблюдений облучатель передвигается по радиально установленным рельсам и компенсирует это изменение. Инструмент имеет ножевую ДН, работает в диапазоне сантиметровых волн.

Очень большая антенная решётка (Very Large Array - VLA) построена в 1981 в США (штат Нью-Мексико). Состоит из 27 полноповоротных параболич. антенн диам. 25 м, расположенных вдоль направлений, образующих букву У. Длина плеч 21 и 19 км. Антенны перемещаются по рельсовому пути и занимают одно из 72 фиксиров. положений. Ширина ДН синтезиров. луча 0,1'' при длине волны 1,3 см и 2'' при длине волны 21 см. Инструмент по угловому разрешению превосходит лучшие оптич. инструменты.

Литература по антеннам радиотелескопов

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Апертура	Диаграмма направленности	Спектральная чувствительность