Приемная система для компактной антенны передвижной РСДБ-станции

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, указаны научная новизна и практическая значимость результатов работы, перечислены положения, выносимые на
защиту, и публикации, содержащие основные результаты работы, даны сведения об апробации работы на научных конференциях.
В первой главе формулируются требования к разрабатываемой приемной системе для передвижных РСДБ-станций. Приведен обзор существующих приемных систем, установленных на компактных радиотелескопах передвижных РСДБ-станций (ORION, TIGO, CARAVAN2400 и MARBLE). Представлены их основные характеристики и рассмотрены особенности исполнения. На примере зарубежных аналогов рассмотрены различные типы антенных систем компактных радиотелескопов. Выделены основные системы (антенная система, приемная система, системы регистрации и частотно-временной синхронизации), входящие в состав передвижной РСДБ- станции.
Рассмотрены основные характеристики приемных систем и их связь с параметрами радиоинтерферометра. Проанализированы основные способы снижения ошибки измерения задержки, как основного параметра радиоинтерферометра. Приведена оценка возможности использования малых антенн для РСДБ-наблюдений с радиотелескопами комплекса «Квазар-КВО» по программам наблюдений International VLBI Service (IVS). В качестве критерия оценки возможности использования передвижной РСДБ-станции используется отношение сигнал-шум на выходе коррелятора (SNR):
= ∙ 10 ∙ КИП КИП ∙ 2 , 8 сис сис
где — постоянная Больцмана, и — диаметры радиотелескопов, с соответствующими коэффициентами использования поверхности КИП и КИП и шумовыми температурами системы сис и сис , — плотность потока радиоисточника, выраженная в Янских, — коэффициент, учитывающий потери при квантовании сигналов и их обработке, для 2-битового квантования = 0.88 , — ширина полосы регистрации, — время накопления. На основании проведенного анализа сделан вывод, что для полноценной работы в составе комплекса «Квазар-КВО» диаметр антенны передвижной РСДБ- станции должен составлять не менее 4-х метров. Под полноценной работой подразумевается совместная работа с радиотелескопами РТ-13 по программам наблюдений IVS. Кроме того, приемная система должна быть совместима по основным параметрам с приемными системами других радиотелескопов, работающих в РСДБ-сети. Для определения требования совместимости рассмотрены основные характеристики и устройство приемных систем радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО».
Представлены основные расчетные характеристики радиотелескопов для передвижной РСДБ-станции. В качестве прототипа РСДБ-радиотелескопа для

передвижной станции выбрана антенная система наземной спутниковой станции TESLA диаметром 4.3м (РТ-4). Сформулированы основные требования к разрабатываемой приемной системе:
 Совместимость по основным характеристикам с приемными системами радиотелескопов, работающих в РСДБ-сети «Квазар-КВО», и соответствие возможностям антенной системы РТ-4.
 Выбор диапазона принимаемых частот сделан в пользу хорошо зареко- мендовавшего себя в РСДБ X-диапазона длин волн (8.2–9.1 ГГц). Данный диа- пазон длин волн позволяет достигнуть минимальную теоретически возможную для антенны РТ-4 шумовую температуру системы и нивелирует конструктив- ные недостатки антенной системы.
 Обеспечение одновременного приема сигналов двух круговых поляри- заций (RCP и LCP), обусловленное совместимостью с существующими прием- ными системы комплекса «Квазар-КВО» и конструктивными особенностями.
 Шумовая температура системы радиотелескопа РТ-4 не должна пре- вышать значения 60 К для обеспечения возможности РСДБ-наблюдений радио- источников с потоком 0.2 Ян. При этом шумовая температура приемной систе- мы должна быть не более 35 К.
 Наличие микрокриогенной системы для обеспечения требуемой шумо- вой температуры приемной системы.
 Полоса промежуточных частот должна совпадать с полосами сущест- вующих систем регистрации. Выходной уровень мощности должен быть доста- точным для применяемой системы регистрации сигнала.
 Возможность амплитудной и фазовой калибровки приемного тракта.
 Должна быть обеспечена когерентность частотных преобразований сигналов в разрабатываемой приемной системе.
 Обеспечение высокой стабильности характеристик приемно- регистрирующей аппаратуры, в том числе с помощью применения системы термостабилизации.
 Наличие автоматической системы, обеспечивающей контроль и управ- ление каждого блока и каждой системы, входящей в приемную систему.
 Аппаратура приемной системы должна быть распределена по доступ- ному объему фокального и подзеркального пространства антенной системы с минимальными потерями характеристик.
 Чувствительность приемной системы должна обеспечивать возмож- ность наблюдения эталонных радиоисточников для фокусировки и измерения параметров радиотелескопа.
Во второй главе приведены конструктивные решения, использованные при разработке и изготовлении ПС для передвижной РСДБ-станции. Разработанная ПС представляет собой устройство, состоящее из нескольких основных блоков, предназначенное для приема в диапазоне частот 8.2–9.1 ГГц, усиления, преобразования к промежуточной частоте (0.1–1ГГц) сигналов радиоизлучения космических источников. Основной режим работы приемной системы — функционирование в составе РСДБ-комплекса «Квазар-КВО», кроме того, доступен радиометрический режим работы. Таким образом, при выборе схемы радиометра можно отказаться от значительно более сложной схемы радиометра с пилот-сигналом (модуляционной) в пользу схемы радиометра полной мощности.
Ограниченный объем фокального пространства позволяет разместить в нем только облучатель-рупор. Для достижения минимальной шумовой температуры разделитель поляризаций и входные усилительные каскады приемной системы размещены в блоке приемном криостатируемом (БПК) и охлаждаются до криогенных температур. БПК размещен в подзеркальном пространстве, где также размещены блоки преобразования частоты (БПЧ) и аппаратура амплитудной и фазовой калибровки.
Представлена функциональная схема приемной системы (Рис. 1), рассмотрены принципы ее работы и функциональное назначение отдельных блоков. Рассматриваются конструктивные решения для облучателя, приемного тракта и отдельных блоков приемной системы. Представлены результаты экспериментального исследования характеристик основных блоков.
Впервые в РФ создана высокочувствительная приемная система для передвижной РСДБ-станции, включающая БПК, два БПЧ и блок генераторов шума (БГШ). Разработан облучатель (конический рупор), обеспечивающий прием сигналов от космических радиоисточников в полосе частот 8.2–9.1 ГГц. Ширина диаграммы направленности облучателя по уровню минус 10дБ составляет 51–54°, при оптимальном расчетном значении 50°. Осевой коэффициент эллиптичности входных СВЧ-цепей разработанной приемной системы радиотелескопа РТ-4 во всем рабочем диапазоне частот не превышает 1 дБ.
Рисунок 1. Функциональная схема разработанной приемной системы вместе с системой преобразования широкополосных сигналов (СПШС) и системой частотно-временной синхронизации (СЧВС). ЛПД — лавинно-пролетный диод, ЦСУР — центральная система управления радиотелескопом, ГПИ — генератор пикосекундных импульсов, ШПК — широкополосный преобразовательный канал.
Проведен детальный анализ основных источников потерь в тракте, предложены способы минимизации шумовой температуры, позволяющие создать высокочувствительную приемную систему. В главе приведены расчеты вкладов основных узлов в шумовую температуру приемной системы. Представлены результаты исследования физических температур основных элементов БПК на криогенном режиме. Для охлаждения усилителей и разделителя поляризаций используется микрокриогенная система водородного уровня охлаждения, работающая по циклу Джиффорда-МакМагона, что в свою очередь является уникальным решением для компактных радиотелескопов (с диаметром зеркала менее 5 м).
Определены параметры БПК, в частности коэффициент усиления составляет 28 дБ при неравномерности не более 2.5 дБ, шумовая температура — 15 К, что позволяет рассчитывать на достижение шумовой температуры приемной системы — 35 К. Среднеквадратичное отклонение фазочастотной характеристики (ФЧХ) БПК от линейной не превышает σ =6°, таким образом ухудшение отношения сигнал-шум из-за отклонения ФЧХ от линейной не превышает 1.5%, что практически не оказывает влияния на результат корреляционной обработки. Исследованы характеристики БПЧ и БГШ данной
приемной системы. Средняя величина коэффициента усиления БПЧ составила 32дБ, а ее неравномерность не превышала 2дБ в рабочей полосе частот. Общий коэффициент усиления ПС превышает 60дБ, данное значение оптимально для выбранной системы регистрации. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики ПС не превышает 3 дБ, что приведет к ухудшению отношения сигнал-шум менее чем на 2.5%. Шумовая температура БПЧ не превышала 500 К, таким образом вклад БПЧ в шумовую температуру ПС составит менее 1К. Проведенные исследования характеристик БГШ показывают, что с учетом переходного ослабления направленного ответвителя перед БПК (30 дБ), уровень сигнала амплитудной калибровки составляет 8– 120 К в рабочем диапазоне частот, что является достаточным для проведения измерений на радиотелескопе РТ-4.
Проведено компьютерное моделирование размещения составных частей приемной системы на радиотелескопе РТ-4 — прототипе передвижной РСДБ- станции. При моделировании были учтены: особенности размещения облучателя и входного СВЧ-тракта, требование уменьшения длины СВЧ- соединений, размещение вспомогательной аппаратуры, систем регистрации и частотно-временной синхронизации, способы их взаимодействия с приемной системой, а также функции охлаждения аппаратуры приемной системы.
В третьей главе изложены методики и результаты комплексных исследований созданной приемной системы. Шумовая температура ПС без облучателя и волноводного тракта составляет 15 К, с волноводным трактом — 26 К. Это позволило проверить корректность расчета вкладов различных узлов в шумовую температуру ПС, правильность выбранных конструктивных решений и подтвердить, что использование входного волноводного СВЧ-тракта в созданной приемной системе ведет к минимизации потерь и, как следствие, уменьшению шумовой температуры системы. Определены значения амплитудных калибровок, которые позволят контролировать характеристики приемной системы на радиотелескопе.
Проведены исследования нелинейных характеристик (искажений) БПК и всей приемной системы. Методики измерений и обработки, а также результаты измерений параметров нелинейности представлены в работе. Приведены результаты оценки динамического диапазона и устойчивости приемной системы к воздействию помех (в частности параметр IP3 — точка пересечения интермодуляции третьего порядка). Определены точки компрессии и динамический диапазон, свободный от интермодуляционных искажений, для обоих каналов приемной системы. Знание данных параметров позволяет избежать нелинейного режима работы отдельных каскадов приемной системы и иметь представление об уровнях мощности в разных точках приемной системы.

Поляризация
Диапазон принимаемых частот
Диапазон выходных частот
Коэффициент эллиптичности
Параметр
Ширина диаграммы направленности облу- чателя по уровню –10 дБ
Шумовая температура приемной системы (без облучателя и СВЧ-тракта)
Шумовая температура приемной системы (без облучателя)
Коэффициент усиления приемной системы
Неравномерность коэффициента усиления
Рассмотрена совместная работа приемной системы с системой регистрации и системой частотно-временной синхронизации. Для комплексной проверки разработанной приемной системы был создан стенд «интерферометра на нулевой базе». Он состоит из разработанной ПС, широкополосной приемной системы, трехдиапазонной радиоастрономической приемной системы и приемной системы Х-диапазона РТ-32, а также систем регистрации и частотно- временной синхронизации. Для сравнения параметров корреляционного отклика использованы все четыре приемные системы. Данный стенд позволил оценить возможность работы разработанной ПС в составе РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» и получить корреляционный отклик в лабораторных условиях. Представлены полученные результаты, методики измерения и расчет таких параметров корреляционного отклика как: отношение сигнал-шум и среднеквадратическое отклонение (СКО) определения задержки.
Исследования разработанной ПС для передвижной РСДБ-станции показали, что вносимые созданной приемной системой и системой регистрации СКО задержки не превышают 5пс (при 30-минутном эксперименте с широкополосной приемной системой). Результаты показали хорошее совпадение расчетных значений с экспериментальными, полученными на базах образованных приемными системами комплекса «Квазар-КВО» и созданной приемной системой. В табл. 1 приведены результаты измерения основных параметров разработанной приемной системы.
Таблица 1. Основные параметры разработанной приемной системы.
RCP
8.2–9.1 ГГц
0.1–1.0 ГГц
51–54°
Точка компрессии приемной системы P1дБ
Динамический диапазон (в полосе 1 Гц)
Динамический диапазон, свободный от гар- моник входного сигнала (в полосе 1 Гц)
88 дБ
Значение
LCP
8.2–9.1 ГГц 0.1–1.0 ГГц
51–54° не более 1 дБ
14 К
25 К
60 дБ <3 дБ –63 дБм 110 дБ 80 дБ 15 К 26 К 62 дБ <3 дБ –57 дБм 116 дБ Результаты проведенных измерений и исследований параметров созданной приемной системы позволяют говорить о возможности ее успешного использования на радиотелескопе РТ-4 передвижной РСДБ-станции в режиме совместных наблюдений с комплексом «Квазар-КВО». В четвертой главе диссертации представлены результаты РСДБ- наблюдений радиотелескопа РТ-4 — прототипа передвижной РСДБ-станции в составе РСДБ-комплекса «Квазар-КВО». Рассмотрен вклад созданной приемной системы в шумовую температуру системы компактной антенны прототипа передвижной РСДБ-станции. Проведено сравнение с зарубежными передвижными РСДБ-станциями. Представлены результаты комплексного исследования аппаратуры прототипа передвижной станции. Оно заключалось в измерении шумовой температуры приемной системы вместе с облучателем на радиотелескопе РТ-4 и исследовании параметров системы радиотелескоп-радиометр в радиометрическом режиме. На основе детального анализа определены вклады основных составляющих в шумовую температуру системы для каналов обеих поляризаций. По результатам измерений шумовая температура разработанной приемной системы Tпс в канале правой поляризации (RCP) составила 37 К, в канале левой поляризации (LCP) — 36 К. В качестве основной характеристики радиотелескопа используется параметр SEFD (эквивалентная плотность потока системы радиотелескоп-радиометр). Значение SEFD для радиотелескопа РТ-4 составляет 16000–18000 Ян в зависимости от угла места и погодных условий. Результаты радиометрических измерений по радиоисточнику Лебедь А на угле места 70° представлены в табл. 2. Таблица 2. Результаты радиометрических измерений на радиотелескопе РТ-4. Характеристика RCP Tк 5.5 К Tсис 57 К SEFD <17000 Ян КИП 0.65 Ширина ДН по уровню –3 дБ УМ–0.56° АЗ–0.58° LCP 5.1 К 55 К <16000 Ян 0.65 УМ–0.56° АЗ–0.58° Расчетная шумовая температура антенны РТ-4 в идеальных условиях, учитывая модель JPL (Jet Propulsion Laboratory), составляет около 16 К. Разме- ры ДН облучателя приводят к незначительному переоблучению через кромки контррефлектора, так как контреффлектор при замене облучателя не менялся. Это привело к увеличению шумовой температуры антенны до 19–20 К и, как следствие, шумовая температура системы Tсис достигает 55 К, что в целом мож- но считать хорошим результатом для радиотелескопа передвижной РСДБ- станции. В проведении РСДБ-наблюдений с участием радиотелескопа РТ-4 прото- типа передвижной РСДБ-станции были задействованы радиотелескопы РТ-13 и РТ-32 комплекса «Квазар-КВО». Опираясь на полученные значения SEFD, для радиотелескопа РТ-4 были определены минимально различимые потоки излу- чения радиоисточников и спланированы наблюдения. На корреляторе RASFX в полосе частот 8592–9104 МГц были получены взаимнокорреляционные откли- ки при наблюдении источников радиотелескопом РТ-4 совместно с обсервато- риями «Зеленчукская» и «Бадары». Данные результаты позволяют говорить об успешном применении кон- цепции «мобильных» (передвижных) РСДБ-станций и о возможности их при- менения в труднодоступных регионах совместно только с одной большой опорной станцией комплекса «Квазар-КВО». Уже первые наблюдения позволи- ли получить трехмерные координаты передвижной станции с точностью поряд- ка 10 сантиметров. С учетом того, что длительность проведенных РСДБ- наблюдений составляет единицы часов, а сам радиотелескоп РТ-4 имеет огра- ниченный сектор вращения антенны и низкую скорость движения антенны, за счет увеличения количества наблюдений в несколько раз точность вычислений координат на суточном сеансе может быть улучшена до 1 см. Для сравнения в табл. 3 представлены основные характеристики систем радиотелескоп-радиометр для передвижных РСДБ-станций и прототипа пере- движной РСДБ-станции РТ-4 с разработанной приемной системой. Принимая во внимание отношение диаметров антенн, РТ-4 соответствует параметрам станции TIGO и превосходит остальные. Таблица 3. Характеристики антенн передвижных РСДБ-станций. Δf, ГГц Станция Da, м SEFD, Ян КИП Tсис, К Тпс, К ORION MV-3 40000 0.4–0.5 24 TIGO 7700 0.8 45 CARAVAN2400 2.4 2∙105 0.4 80 MARBLE1 1.6 1–2∙106 0.10–0.15 200–300 65–70 MARBLE2 2.4 2–4∙105 0.3–0.4 150–200 65–70 РТ-4 4.3 16000–18000 0.65 55–57 37 8.2–8.6 8.1–8.9 8.2–8.6 3–11 3–11 8.2–9.1 Таким образом, полученные характеристики радиотелескопа РТ-4 — про- тотипа передвижной РСДБ-станции соответствуют уровню лучших зарубежных аналогов. Заключение Разработанная для передвижной РСДБ-станции приемная система Х- диапазона частот с криогенным охлаждением первых каскадов усиления мик- рокриогенной системой замкнутого цикла удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к передвижной РСДБ-станции для ее полноценного включения в состав комплекса «Квазар-КВО», что позволит дополнительно расширить возможности комплекса в части решения задач астрофизики и космической геодезии. Созданная приемная система обладает практически предельными ха- рактеристиками для компактной антенны передвижной РСДБ-станции и явля- ется, по мнению автора, уникальным инструментом для радиоастрономических исследований. В результате проведенной работы удалось добиться значения шумовой температуры приемной системы без СВЧ-тракта и облучателя менее 15 К. Это значение соответствует уровню шумовой температуры аналогичных приемных систем, применяемых на радиотелескопах большого размера в мировой практи- ке РСДБ, и значительно превосходит параметры для передвижных станций. Успешный опыт эксплуатации приемной системы на радиотелескопе РТ-4 в обсерватории «Светлое» показал правильность заложенных при проектирова- нии технических решений. Впервые в РФ получены научные результаты с при- менением передвижной РСДБ-станции и доказана возможность их использова- ния в геодезических целях там, где нет возможности использовать обычные РСДБ-системы. Уникальность конструкции разработанной приемной системы позволила достигнуть практически предельных для компактных антенн передвижных РСДБ-станций параметров. Шумовая температура системы Tсис=55–57 К при КИП=0.65 и чувствительность порядка 0.5 мК позволяют радиотелескопу РТ-4, оснащенному данной приемной системой, работать не только в составе РСДБ- комплекса «Квазар-КВО», но и проводить радиометрические измерения. В ходе работы на основе существующих методик испытаний и исследований радиоас- трономических приемных систем для подтверждения полученных характери- стик разработаны методики испытаний созданной приемной системы.