Автореферат: Высокочувствительные криоэлектронные S/X радиометры для астрометрических и геодинамических РСДБ–исследований

В первом параграфе обсуждаются основные характеристики приемников - эквивалентная шумовая температура входа, полоса рабочих частот, вклады отдельных составляющих и их влияние на точность определения частоты интерференции и групповой задержки. Показан значительный вклад входных трактов в шумовую температуру системы «радиотелескоп - радиометр».

Далее обсуждаются факторы, влияющие на уверенный прием сигналов космических источников излучения - межзвездная среда, земная атмосфера, посторонние шумы, попадающие на вход системы и флуктуации характеристик аппаратуры.

Третий параграф посвящен обсуждению принципов, которыми мы руководствовались при разработке криорадиометров:

- достижение предельной чувствительности радиометра;

Основные объекты интерферометрии - квазары обладают достаточно слабыми потоками (менее 1 Jy), поэтому приемная система должна обладать высокой чувствительностью, что требует использования охлаждаемых до криогенных температур малошумящих усилителей.

- выбор оптимальной схемы построения приемников;

Схема приемника призвана обеспечивать возможность работы радиотелескопа в интерферометрическом режиме РСДБ-сети и в радиометрическом (режим одиночной антенны). В схеме должна быть заложена возможность контроля и измерения коэффициента усиления и фазовых характеристик приемника, как эпизодически, так и в процессе наблюдений для непрерывного измерения шумовой температуры и стабильности фазовых характеристик системы.

- необходимость двухчастотного приема;

Для исключения геометрической задержки, вносимой ионосферой, целесообразно проводить наблюдения на двух достаточно сильно разнесенных частотах. Отсюда возникает необходимость построения дополнительного приемника, работающего в диапазоне частот в 4 раза меньше основного диапазона, т.к. большинство плазменных эффектов ведет себя в зависимости от частоты как f -². Измерения задержки в двух диапазонах длин волн позволяет исключить влияние ионосферы на результаты наблюдений.

- выбор частотных диапазонов;

Разрешающая способность интерферометра пропорциональна  / D, поэтому центральную частоту целесообразно выбирать как можно выше, но т.к. на частотах выше 10 ГГц начинает заметно сказываться поглощение в атмосфере (водяной пар), оптимальное значение центральной частоты около 9 ГГц.

- определение ширины полосы рабочих частот;

Ширину полосы целесообразно выбирать на основе компромисса между точностью измерения частоты интерференции и задержки и уменьшением вероятности влияния радиопомех в месте наблюдений.

- автоматизация и унификация;

Поскольку приемники предназначены прежде всего для решения интерферометрических задач и для оснащения достаточно большого числа наблюдательных пунктов, они должны иметь максимально близкие друг к другу технические характеристики, высокую степень унификации отдельных комплектов приемных устройств с точки зрения изготовления, ремонта и монтажа. Приемники должны быть совместимыми по своим основных характеристикам с аналогичными зарубежными системами. Работа современных РСДБ систем невозможна без автоматической системы контроля и управления.

В последнем параграфе этой главы рассмотрены основные способы достижения предельной чувствительности приемной аппаратуры. Прежде всего - снижение эквивалентной шумовой температуры входа системы за счет глубокого охлаждения до температуры 15-20 К микрокриогенными системами замкнутого цикла охлаждения.

Обосновывается выбор схемы с модуляцией коэффициента усиления и введением во входной тракт модулированного шумового сигнала (схема с пилот-сигналом). Здесь же определяются и основные технические характеристики криорадиометров - диапазоны частот 13 см и 3,5 см, полосы рабочих частот 350 и 500 МГц, коэффициент усиления 60-70 дБ.

Выбор типа малошумящего усилителя проводился исходя из условия компромисса между тремя требованиями. Прежде всего низкое значение эквивалентной шумовой температуры входа приемника, во-вторых - применение не очень сложных систем охлаждения и, наконец, высокая надежность криоэлектронного усилителя, простота его обслуживания, способность многократно выдерживать циклы охлаждения.

Несомненными лидерами по минимальным шумовым температурам являются квантовые парамагнитные (КПУ) и параметрические усилители (ПУ). ПУ и КПУ - это регенеративные усилители, имеющие сложную систему накачки и настройки. Кроме того, КПУ нуждаются в охлаждении до 4,5 К и обычно требуют выполнения сложных работ при захолаживании, что делает их очень трудоемкими в эксплуатации.

Поэтому в качестве малошумящих усилителей мы применили криоэлектронные (КТРУ) транзисторные усилители на полевых транзисторах с барьером Шоттки (ПТШ) с перспективой замены их на транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), с параметрами вполне сравнимыми с параметрическими усилителями.

Глава II. Практическая реализация методов построения двухчастотных криорадиометров для радиоинтерферометрии

В этой главе рассматриваются и обосновываются конструктивные решения, использованные при создании S/X криорадиометров.

S/X криорадиометр представляет собой устройство, состоящее из двух приемников и предназначенное для малошумящего приема, усиления, преобразования к промежуточной частоте (100-600 МГц) сигналов космических источников радиоизлучения в двух частотных диапазонах (13 и 3,5 см). Основной режим радиометра - функционирование в составе глобальной радиоинтерферометрической сети. Контроль параметров радиометра и организация наблюдений в режиме одиночного радиотелескопа осуществляется в радиометрическом режиме. Оба приемника могут работать независимо.

Было разработано несколько вариантов двухчастотных приемников, использующих микрокриогенные системы замкнутого цикла (МКС) и сверхмалошумящие усилители на арсенид галлиевых полевых транзисторах с барьером Шоттки (ПТШ) или на транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT). Все они выполнены по одной схеме - супергетеродинный приемник с возможностью модуляции коэффициента усиления после первого каскада (схема с пилот-сигналом) и введением во входной тракт сигналов пикосекундного (фазовая калибровка) и шумовых генераторов (амплитудная калибровка и пилот-сигнал). Блок-схема одного канала системы диапазона 3,5 см приведена на рисунке.

С целью обеспечения требуемой шумовой температуры входные каскады усиления приемников, размещенные в криоблоке, охлаждаются до температуры жидкого водорода (15-20 К). При работе приемников в радиометрическом режиме в качестве генератора пилот-сигнала используется полупроводниковый генератор шума компенсации. Уровень мощности этого сигнала изменяется аттенюатором на p-i-n-диодах. Термостаты блоков генераторов шума и приемного блока обеспечивают стабильность параметров размещенных в них устройств.

В интерферометрическом режиме работы сигнал от антенны смешивается в направленных ответвителях с сигналами фазовой и шумовой калибровки, поступает на вход криоблока, усиливается на 25-30 дБ малошумящими усилителями, охлаждаемыми МКС, и поступает в блок приемный термостатируемый, где в усилительно-преобразовательном устройстве (УПУ), производится дополнительное усиление, фильтрация и преобразование к промежуточной частоте.

Для настройки радиометра и наблюдений в режиме одиночного радиотелескопа используется радиометрический режим. Схема с пилот-сигналом позволяет реализовать квазинулевой метод приема, т.е. исключить влияние флуктуации коэффициента усиления приемника на выходной сигнал.

Далее в этом разделе подробно рассматриваются конструктивные решения основных частей приемников, используемые в них элементы и узлы; особое внимание уделено аппаратуре контроля и управления криорадиометром. С целью уменьшения шумовой температуры входных трактов в приемниках производится криостатирование не только МШУ, но и направленных ответвителей и разделителя поляризации (90-градусный мост) диапазона 13 см.

В качестве МКС нами использована машина водородного уровня охлаждения, работающие по циклу Джиффорда-Макмагона. Для повышения эксплуатационных характеристик и удобства работы нами были проведены исследования, показавшие возможность доработки этой МКС для работы с двумя охладителями и со значительно увеличенной длиной трубопроводов между компрессорной установкой и микроохладителем («Дрозд»).

С целью обеспечения требуемых температур криостатирования в заданном диапазоне в этой МКС предусмотрена регулировка газовых потоков с помощью газораспределительного устройства, что позволяет оператору перераспределять газовые потоки между высоким давлением на входе микроохладителя и низким на выходе и тем самым менять в небольших пределах температуру криостатирования. Управление микрокриогенной системой и контроль ее основных параметров может осуществляться как автономно, с панели управления, так и дистанционно, с блока диагностики приемника или ЭВМ верхнего уровня.

Глава III. Лабораторные исследования характеристик S/X криорадиометров

Основная характеристика криорадиометра - величина его шумовой температуры. В работе приведены расчеты вкладов в шумовую температуру системы различных элементов приемника и результаты ее измерения, которые проводились четырьмя независимыми методами. Совпадение расчетной и измеренной разными способами шумовой температуры свидетельствует о готовности приемника для работы в радиометрическом режиме.

Теоретически чувствительность идеального радиоастрономического приемника определяется его шумовой температурой, но на практике она ограничена нестабильностью амплитудной и фазовой характеристик тракта. В интерферометрии важное значение имеет построение максимально прямоугольной АЧХ и линейной ФЧХ тракта. Специальных мер по формированию прямоугольной АЧХ приемников не потребовалось, поскольку максимальная крутизна составляет 2 дБ в полосе 100 МГц, т.е. всего 0,04 дБ на 2 МГц полосы частот регистрации.

Используя два комплекта криорадиометров проведены измерения разности набега фаз в них. По полученным данным оценено ухудшение отношения «сигнал/шум» из-за отклонения ФЧХ от линейности. Оно не превышает 5% в полосе 100 МГц в обоих частотных диапазонах и практически не влияет на результат интерферометрической обработки в узких каналах.

Поскольку приемники используются как в интерферометрическом, так и в радиометрическом режимах, детально обсуждаются вопросы нестабильности коэффициента усиления и входной шумовой температуры приемников.

На основе специально разработанных методик (вынесенных в Приложение) оценены флуктуации выходного сигнала радиометра в зависимости от стабильности температуры криостатирования на второй ступени микроохладителя МКС и некоторых других параметров. Измерения проведены для различных схем радиометров, вплоть до компенсационной. Результаты представлены в таблице 1.

Глава IV. Исследование характеристик системы радиотелескоп-радиометр по результатам наблюдений

В этой главе обсуждаются вопросы, связанные с введением радиотелескопа РТ-22 в Симеизе в состав международных РСДБ-сетей, проведением наблюдательных программ, исследованием характеристик системы «радиотелескоп-радиометр» и получением параметров международной станции «Симеиз».

В рамках сотрудничества между США (GSFC), Россией (ИПА РАН, ИКИ РАН) и Украиной (КрАО ГКНТУ, ГАО НАНУ) на базе радиотелескопа Крымской астрофизической обсерватории была организована РСДБ станция нового поколения, оснащенная высокочувствительными приемными системами, водородным стандартом частоты и широкополосной системой регистрации (Mark III).

Таблица 1. Оценка источников флуктуации выходного сигнала радиометра