26.2. РАДИОТЕЛЕСКОПЫ

26.2.1. Однолепестковые антенны

Измерения внеземных источников излучения производятся с помощью специальных антенн, называемых радиотелескопами [24, 27, 231, 233]. Радиотелескопы подразделяются на однолепестковые антенны, многолепестковые интерферометры и поляриметры. Если антенна обладает достаточно высокой разрешающей способностью (ширина лепестка мала), то источник сравнительно малого углового диаметра можно отличить от источника диффузного рассеяния. Направление антенного лепестка определяет местоположение источника, которое может быть выражено азимутом и углом места для земных координат, склонением и прямым восхождением для звездных координат, долготой и широтой для галактической системы координат. Измерение размеров и интенсивности включает в основном сравнение мощности, принимаемой антенной, направленной на источник, с мощностью, принимаемой антенной, отклоненной от источника.

При сканировании антенным лучом по дискретному источнику измеренное распределение энергии получается более сглаженным по сравнению с истинным. Это происходит вследствие того, что измеренное распределение представляет собой свертку истинного распределения и диаграммы направленности антенны, построенной в полярных координатах [144]. Несмотря на то, что точное восстановление невозможно и некоторые детали истинного распределения безвозвратно теряются, используется ряд методов коррекции. Брэйсуэлл и Робертс исследовали метод последовательных приближений [37], причем Робертс доказал невозможность однозначного решения. Брэйсуэлл разработал также более простой метод восстановления — хордовое построение [41, 42, 43], и показал [36, 39, 44], что неопределенность для частного решения может быть разрешена путем выделения главного решения [334].

Во многих радиотелескопах используются антенны с узкой игольчатой диаграммой направленности; конструкции таких антенн весьма разнообразны [25]. На низких частотах диапазона, а также в тех случаях, когда острая направленность не важна, антенна Яги дает механически легкую структуру. Используются также решетки из полуволновых диполей с боковым излучением, но применение их ограничено из-за небольшой полосы частот. Для более высоких частот пригодны спиральные и рупорные антенны, а также антенны типа уголковых отражателей.

Ценой некоторых затрат [91, 341, 366] радиотелескопы с параболическими антеннами можно превратить в системы, следящие по углам склонения и прямого восхождения. Типичные размеры параболоидов: диаметр для частоты для частоты В одном из очень больших радиотелескопов [50, 715, 176] рефлектор диаметром установлен на двух стальных

башнях на высоте от земли. Качание по углу места осуществляется с помощью электродвигателя и редуктора, большая шестерня которого имеет диаметр Башни установлены на тележках, которые могут перемещаться в азимутальной плоскости по двойному рельсовому пути с расстоянием между рельсами уложенному по кругу диаметром Поверхность параболоида представляет собой сплошную мембрану, изготовленную из сварных стальных листов; ширина диаграммы направленности равна 9° на частоте и 0,9° на частоте При благоприятных условиях форма рефлектора отличается от идеальной не более чем на ±1,5 см, что позволяет использовать рефлектор на частотах до Рассматривается проект еще большего радиотелескопа с параболическим рефлектором диаметром 183 м [178]; на частоте такая антенна должна обеспечить разрешающую способность около 5. Отражающая поверхность образуется экраном из алюминиевых проволок; для компенсации ветровых, температурных и гравитационных возмущений отдельные панели регулируются следящей системой. Для наведения антенны по направлению с точностью до 30" дуги будет использована инерциальная система с гироскопами. Параболический отражатель диаметром собран из большого числа треугольных ячеек, которые для обеспечения точного контура регулируются по отдельности [296]. Такой тщательный расчет и изготовление [381] необходимы вследствие того, что искажения приводят к ухудшению диаграммы направленности [332, 368]. В одной из применяющихся на практике схем [333, 337,339] для контроля и регулировки фазового фронта использованы газоразрядные трубки, создающие модулированные отражения.

По своей природе параболоиды являются широкополосными структурами, поэтому их диапазонность определяется главным образом конструкцией первичных облучателей. Например, для параболоида диаметром использована система облучателей [142], работающая в диапазоне частот с отношением При этом диапазоны перекрывались облучателями в виде электромагнитных рупоров, возбуждаемых прямоугольными волноводами; облучателем в диапазоне 100—180 Мгц являлась система, состоящая из двух диполей и плоского отражателя, а в диапазоне 160—320 Мгц - из диполя с уголковым отражателем.

Конструкция радиотелескопа может быть удешевлена, если для частичного сканирования пространства используется собственное вращение Земли. Например, для работы на было предложено использовать неподвижный параболоид диаметром . В антенне с частично управляемой диаграммой на используется решетка из 96 спиралей с горизонтальным и вертикальным раскрывом соответственно 49 и 6,1 м.

В результате успешных экспериментов по моделированию был построен новый радиотелескоп с частично управляемой диаграммой для работы в диапазоне от 20 Мгц до 2,2 Ггц [160, 162, 163, 164,

332]. Устройство состоит в основном из неподвижного параболоида и наклоняемого плоского отражателя. Высота параболоида равна а длина оси параболоида совпадают с плоскостью Земли и проходят через главный фокус. Отражающая поверхность состоит из вертикальных омедненных стальных проводов, отстоящих друг от друга на расстоянии 2,54 см и подвешенных на регулируемых скобках. Ширина и длина плоского отражателя равны но подлине он разделен на секции по каждая, снабженные поворотными механизмами.

Рис. 26. 5. Крестообразная антенна и схема приемного устройства: а — веерообразная диаграмма при синфазном включении; б - при противофазном включении; в — блок-схема приемника; прием ведется только на частоте (См. [195].)

Наклон, который придается отражателю относительно земли, может изменяться от 32 до 82°, так что приемная диаграмма прибора охватывает диапазон склонений от 66° на север до 34° на юг. В других неподвижных радиотелескопах используются параболический цилиндр [323] с размерами сферическая чаша диаметром снабженная соответствующими корректирующими фидерами, и предложено зонное зеркало [338].

Совершенно новый подход к конструированию радиотелескопов с большим раскрывом предложен Миллсом [52,104] с крестообразным расположением двух решеток. Хотя при этом достигается очень высокое разрешение, коэффициент направленности, конечно, значительно меньше по сравнению с антенной, имеющей полный раскрыв. Конструкция антенны для состоит [195] из крестообразной системы двух дипольных решеток, каждая из которых имеет длину и которые лежат в направлениях соответственно с севера на юг и с востока на запад, образуя веерообразную диаграмму с углами раскрыва Когда решетки комбинируются в фазе, как показано на рис. 26.5, а, сигнал будет поступать с обеих антенн. Если решетки комбинируются

в противоположных фазах, как показано на рис. 26.5, б, в угле, перекрываемом обеими антеннами, никакого сигнала приниматься не будет.

В схеме, показанной на рис. 26.5, в, переключение фазы осуществляется с частотой 430 гц посредством электронного фазовращателя, включенного между местным гетеродином и одним из смесителей. В приемнике происходит сложение модулированного сигнала с некореллированным шумом от каждой решетки. После придания сигналу прямоугольной формы он проходит через избирательный усилитель с полосой пропускания 30 гц к фазовому детектору и, наконец, на самописец.

Действующая ширина антенного луча составляет 49; в идеальных условиях чувствительность достигает (или единиц потока). Исследовавшаяся теоретически система с сокращенной апертурой [355] состоит из большого числа синфазных элементов, равномерно размещенных по окружности.