Модернизация зеркальной антенны гигагерцевого диапазона

Аннотация В настоящее время зеркальные антенны являются наиболее распространёнными остронаправленными антеннами в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазоне. Главным образом используются зеркала параболической формы поверхности — параболоид вращения и параболический цилиндр. Их широкое применение в самых разнообразных радиосистемах объясняется простотой конструкции, возможностью получения разнообразных видов Д.Н., высоким КПД, малой шумовой температурой, хорошими диапазонными свойствами и т. д. В радиолокационных применениях зеркальные антенны позволяют легко получить равносигнальную зону, допускают одновременное формирование нескольких Д.Н. общим зеркалом (в том числе суммарных и разностных). Некоторые типы зеркальных антенн могут обеспечивать достаточно быстрое качание луча в значительном угловом секторе. Зеркальные антенны являются наиболее распространённым типом антенн в космической связи и радиоастрономии, и именно с помощью зеркальных антенн удаётся создавать гигантские антенные сооружения с эффективной поверхностью раскрыва, измеряемой тысячами квадратных метров.

В настоящее время экспериментальные установки позволяют исследовать значительную часть составляющих космической погоды на основе регистрации потока космических лучей, напряженности геомагнитного поля, зондирования ионосферы с Земли. Однако активность Солнца, определяющая в целом состояние космической погоды, поведение интегрального содержания ионосферы, измеряемого с помощью приема сигналов навигационных спутников, а также эмиссии ночного неба в различных спектральных диапазонах остаются пока не включенными в область экспериментальных исследований. Этот пробел предполагается закрыть, организовав наблюдения радиоизлучения Солнца на модернизированной установке ТНА-57М, наблюдения ночного неба на оптической камере и наблюдения полного электронного содержания ионосферы на модернизированной установке по приему сигналов навигационных спутников «Парус» и «Цикада» .

Содержание Введение

1. Обоснование выбора направлений исследований

1.1 Разработка технических требований по модернизации оптических и радиотехнических средств радиополигона «орбита»

1.2 Технические характеристики антенны ТНА-57М

2. Общие сведения о радиометрах и шумах

2.1 Шумы приемника

2.2 Предел чувствительности, обусловленный флуктуациями

3. Общее описание системы ТНА-57, находящейся на радиополигоне «ОРБИТА»

4. Радиометры для мониторинга солнечной активности на двух частотах

4.1 Облучатель антенны ТНА — 57

4.2 Радиометры модуляционные РМ-10, РМ-30 на фиксированные частоты 1 и 3 ГГц

4.3 Проведение наладочных испытаний

5. Расчет основных конструктивных элементов антеннны Коссегрена

6. Экономический расчет

6.1 Определение цены программного продукта

6.2 Расчет затрат на материалы, покупные изделия, полуфабрикаты

6.3 Затраты на оплату машинного времени

7. Расчет надежности установки

7.1 Понятие надежности радиоэлектронной аппаратуры

7.2 Показатели надежности РЭА

7.3 Расчет показателей надежности проектируемого устройства

8. Охрана безопасности и жизнедеятельности

8.1 Общие требования безопасности

8.2 Анализ опасных и вредных факторов

8.3 Требования к организации работы Заключение Список литературы Приложения Введение Антенна — устройство для излучения и приёма радиоволн (разновидности электромагнитного излучения). Антенна является конвертором электрического тока радиочастотного диапазона в электромагнитное излучение и наоборот.

Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны. Применяются антенны в виде отрезка провода, комбинаций из таких отрезков, отражающих металлических зеркал различной конфигурации, полостей с металлическими стенками, в которых вырезаны щели (щелевая антенна), спиралей из металлических проводов и другие.

Основные типы антенн

· Апертурные антенны

o рупорные антенны

o щелевые антенны

o зеркальные антенны

o линзовые антенны

· Антенны бегущей волны

o диэлектрические стержневые антенны

o спиральные антенны

o импедансные антенны

o антенны вытекающей волны

o антенны «волновой канал»

· Фазированные антенные решетки

o пассивные (с одним передающим/приемным устройством на антенну)

o активные (с одним передающим/приемным устройством на каждый модуль антенны)

· Спутниковые антенны

o Офсетные антенны

o Прямофокусные антенны Характеристики антенны. Каждая антенна как пассивное линейное устройство может работать в режимах передачи и приема. В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризационными, фазовыми свойствами и входным импедансом. К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся:

· Полоса пропускания

· поляризация

· входной импеданс и коэффициент стоячей волны

· диаграмма направленности (ДН)

· коэффициент направленного действия (КНД)

· эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ)

· коэффициент усиления антенны (КУ)

· фазовая диаграмма (ФД)

· коэффициент полезного действия (КПД)

· шумовая температура антенны (Т_А)

Зеркальными антеннами называют антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны.

Зеркало обычно изготовляется из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркало делается не сплошным, а решетчатым. Поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линии цилиндрического зеркала. Соответственно для параболоида облучатель должен быть точечным, для цилиндра — линейным. Наряду с однозеркальными антеннами применяются и двухзеркальные.

Зеркальные параболические антенны применяются в различных диапазонах волн: от оптического до коротковолнового, особенно широко в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Эти антенны отличаются конструктивной простотой, возможностью получения различных ДН, хорошими диапазонными свойствами и т. д. Существуют различные типы зеркальных антенн: параболические зеркала (параболоид, усечённый параболоид и параболический цилиндр), сферические зеркала, плоские и угловые зеркала, зеркальные антенны специальной формы, двухи многозеркальные антенны, зеркально-рупорные антенны. Зеркальная параболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в виде параболоида вращения и небольшой слабонаправленной антенны — облучателя, установленной в фокусе параболоида и облучающей внутреннюю поверхность последнего. Параболическая поверхность образуется в результате вращения параболы с фокусом в точке F вокруг оси Z.

Целью работы является создание станции контроля космического пространства на радиополигоне «Орбита», включающей в себя системы приема радиосигналов космических источников (естественных и искусственных), потока радиоизлучения Солнца, а также оптические установки регистрации эмиссии ночного неба.

Актуальность модернизации радиотехнических и оптических средств радиополигона «Орбита», включающих в себя системы приема радиосигналов космических источников, потока радиоизлучения Солнца, а также оптические установки регистрации эмиссии ночного неба определяется необходимостью создания экспериментальной базы для контроля космического пространства и мониторинга параметров космической погоды. В дальнейшем станцию контроля космического пространства предполагается использовать для приема геофизической информации с борта национальных искусственных спутников Земли и для решения широкого круга прикладных и фундаментальных задач, стоящих перед Республикой Казахстан.

Научно-технический уровень (новизна): модернизация технических средств радиополигона «Орбита» позволит обеспечивать Центр диагоностики и прогноза геофизической обстановки данными для эффективного прогноза параметров космической погоды на основе наблюдения космического пространства приборами, расположенными на Земле и на борту космических аппаратов.

Связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами. Наиболее полномасштабно работы по контролю космического пространства для целей мониторинга космической погоды развиваются в США. Основные работы проводятся, контролируются и финансируются Национальным аэрокосмическим агентством (НАСА). Европейское космическое агентство (ESA) не имеет своей службы контроля космического пространства. Оно использует поступающие сведения от других организаций, осуществляет информационное взаимодействие различных наблюдательных пунктов Европы. В России, в частности, в Научно-исследовательском радиофизическом институте (Нижний Новгород) проводятся наблюдения за Солнцем в широком частотном диапазоне. В Йоркском университете (Канада) ведутся интенсивные исследования эмиссии ночного неба.

1. Обоснование выбора направлений исследований Космическая погода включает условия на Солнце, в солнечном ветре, магнитосфере, ионосфере и термосфере Земли, которые неблагоприятным образом влияют на космические и наземные технологические системы. Влияние процессов, происходящих на Солнце, на околоземное космическое пространство исследовалось в последние десятилетия, однако наше понимание физических процессов, управляющих этой сложной системой космической погоды, еще далеко недостаточно. В то же время происходит экспоненциальный рост количества космических систем и эти системы подвержены сбоям в работе или даже полному выходу из строя под воздействием неблагоприятной космической погоды. За время с момента запуска первого искусственного спутника Земли зафиксированы сотни сбоев в работе аппаратуры на борту спутников. Повышенная радиация опасна также и для космонавтов. Риск в работе космонавтов и сбоев в работе аппаратуры может быть уменьшен, если бы существовали надежные количественные краткосрочные и среднесрочные прогнозы космической погоды.

В настоящее время экспериментальные установки позволяют исследовать значительную часть составляющих космической погоды на основе регистрации потока космических лучей, напряженности геомагнитного поля, зондирования ионосферы с Земли. Однако активность Солнца, определяющая в целом состояние космической погоды, поведение интегрального содержания ионосферы, измеряемого с помощью приема сигналов навигационных спутников, а также эмиссии ночного неба в различных спектральных диапазонах остаются пока не включенными в область экспериментальных исследований. Этот пробел предполагается закрыть, организовав наблюдения радиоизлучения Солнца на модернизированной установке ТНА-57М, наблюдения ночного неба на оптической камере и наблюдения полного электронного содержания ионосферы на модернизированной установке по приему сигналов навигационных спутников «Парус» и «Цикада» .

Выбор потока радиоизлучения Солнца в качестве параметра, позволяющего осуществлять краткосрочный и среднесрочный прогноз космической погоды, определился в результате анализа последних публикаций, посвященных разнообразным солнечным прогностическим параметрам. Оказалась, что всплески радиоизлучения Солнца в различных диапазонах волн, обусловленные прохождением релятивистских электронов через различные слои солнечной атмосферы, могут служить предикторами возмущений в окрестности Земли, благодаря разности скоростей электромагнитной и корпускулярной эмиссии Солнца. Нетепловое радиоизлучение Солнца обусловлено плазменным и синхротронным механизмами генерации волн и состоит из радиовсплесков различных типов. Регистрация радиоизлучения Солнца на фиксированных разнесенных частотах (1 ГГц и 3 ГГц) позволяет уверенно регистрировать и идентифицировать (определяя скорость дрейфа частоты) радиовсплески III типа. Поскольку всплески III типа происходят на начальной фазе солнечной хромосферной вспышки, то информация о ее начале окажется в распоряжении специалистов примерно через 7 мин после её начала — время прохождения радиоволн от Солнца до Земли. По интенсивности радиовсплеска и величине скорости дрейфа его частоты можно сделать прогностическую оценку балла вспышки и, тем самым, спрогнозировать время прихода к Земле потока плазмы, инжектированного из активной вспышечной области. Этот интервал времени лежит в пределах от 17 до 48 часов. Поток плазмы, достигнув окрестности Земли, вызывает магнитосферную бурю, приводящую к нежелательным последствиям для космической, авиационной и даже наземной техники.

Наиболее сильным поражающим действием (опасным, например, для здоровья космонавтов на борту орбитальной станции) обладает поток релятивистских протонов, испущенных солнечной хромосферной вспышкой. Существует тесная корреляция между всплесками типа IV и всплесками космических лучей (в основном протонов). Можно утверждать, что вероятность появления всплеска космических лучей после хромосферной вспышки наиболее высока в тех случаях, когда вспышка имеет балл 3 или 3+ и сопровождается всплеском радиоизлучения типа IV со значительной плотностью потока. Таким образом, всплески радиоизлучения могут служить в качестве индекса активности Солнца.

Геоэффективные события на Солнце приводят к нагреву и разбуханию атмосферы, вызывая тем самым значительные возмущения спутниковых орбит. Иногда эти эффекты бывают настолько значительными, что могут приводить к преждевременному сходу с орбиты космических аппаратов из-за не предусмотренного возрастания торможения спутника, как это случилось, например, с КА «Skylab» в 1979 г. Поэтому принципиально важно иметь предупреждения заранее о предстоящих изменениях плотности атмосферы, чтобы можно было рассчитать их воздействие на космические аппараты. Space Shuttle также чувствителен к изменениям атмосферного торможения. Рассчитываемая траектория его возвращения на Землю в значительной мере зависит от плотности атмосферы, и ошибки в расчетах могут привести к возникновению опасности для корабля и космонавтов. Плотность и температура атмосферы на высотах полета низкоорбитальных КА может контролироваться камерами наблюдения ночного неба. Учитывая, что российская космическая программа предусматривает создание корабля многоразового использования, наблюдения на оптической камере приобретают исключительное значение.

Необходимость изучения поведения интегрального содержания ионосферы, измеряемого с помощью приема сигналов навигационных спутников «Парус» и «Цикада», во многом определяется запросами потребителей. В последние годы наиболее актуальной прикладной задачей ионосферной науки является задача построения в реальном масштабе времени ионосферных климатологических моделей, необходимых многочисленным военным и гражданским пользователям, использующим радиотехнические системы, качество работы которых определяется параметрами земной ионосферы. Эти системы включают системы дальней связи на коротких радиоволнах, а также спутниковые системы радиосвязи и навигации. Несмотря на стремительное развитие спутниковой радиосвязи, радиосвязь на коротких волнах остается актуальной для передачи сообщений на большие расстояния и, особенно, для связи с абонентами, расположенными в высоких широтах Земли. Недавние эксперименты показали, что коротковолновая радиосвязь c частотноили пространственноразнесенным приемом характеризуется 100% эффективностью.

Для обеспечения в реальном масштабе времени высокоточными пространственными координатами многочисленных военных и гражданских потребителей в США и России были введены в эксплуатацию глобальные спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОННАС. Пространственно-временная изменчивость ионосферы приводит к изменениям фазового набега радиосигналов, распространяющихся через ионосферу и соответственно к ошибкам в определении координат. За счет использования двух рабочих частот и соответствующего программного обеспечения удается избавиться от ионосферной ошибки, однако при этом стоимость GPS приемника резко возрастает. Альтернативный путь устранения ионосферной ошибки состоит в измерении параметров ионосферы и их передачи в реальном масштабе времени потребителям для коррекции ионосферной ошибки (показаний местоположения). Существует масса потребителей, особенно в гражданской авиации, готовых воспользоваться более дешевым способом определения координат с помощью одночастотного приемника спутниковых сигналов, дополненного устройством коррекции ионосферной ошибки.

Таким образом, научная и прикладная значимость проекта определяется прогностическими возможностями модернизируемого комплекса, позволяющими обеспечить применение космических средств в интересах экономики, обороны, национальной безопасности Казахстана путем осуществления краткосрочного и среднесрочного прогноза космической погоды.

1.1 Разработка технических требований по модернизации оптических и радиотехнических средств радиополигона «орбита»

В результате модернизации радиополигона «Орбита», расположенного на высоте 2800 м в районе Большого Алма-атинского озера, ряд радиофизических и оптических инструментов будет задействован для регулярных наблюдений ближнего космоса, при этом предусматривается накопление, предварительная обработка и передача данных в региональный Центр данных и выход в Интернет. Модернизация инструментов в рамках настоящего проекта предусматривает различные виды и объемы работ, в зависимости от состояния инструментов, уровня автоматизации наблюдений, проводящихся на их основе, и возможностей первичной обработки получаемой информации.

Устройство ТНА-57 М требует:

а) восстановления работоспособности в полуавтоматическом режиме;

б) автоматизации управления для программного слежения за космическими источниками и Солнцем;

в) включения рабочей станции, обслуживающей антенну ТНА — 57 М, в локальную, синхронизируемую по времени сеть;

Система приема радиоизлучения Солнца требует:

— монтажа облучателей, фидерной системы и приемников радиоизлучения Солнца; - юстировки антенны ТНА-57М и отработки функционирования комплекса.

— включения рабочей станции, обслуживающей приемники радиоизлучения, в локальную, синхронизируемую по времени сеть;

— реализации возможности передачи данных, получаемых на установке, в региональный Центр данных и выхода в Интернет.

Приемник сигналов навигационных спутников «Парус» и «Цикада», оптические устройства (MORTI, фотометр) и монтируемая на радиополигоне «Орбита» в рамках проекта «Пространственное и энергетическое распределение оптических явлений в атмосфере» дополнительная оптическая камера наблюдения за свечением ночного неба «SATI» требуют:

— включения рабочих станций, обслуживающих перечисленные устройства, в локальную, синхронизируемую по времени сеть;

— реализации возможности передачи данных, получаемых на установках, в региональный Центр данных и выхода в Интернет.

1.2 Технические характеристики антенны ТНА-57М

Антенна ТНА — 57 М представляет собой параболоид диаметром 12 м с фокусным расстоянием 3 м. Это короткофокусная антенна с фокусом, находящимся на срезе зеркала. Для нормального ее облучения по уровню -3 дБ в однозеркальном варианте требуется облучатель с достаточно широкой диаграммой направленности. Возможно использование этой антенны и в двухзеркальном варианте.

1. Антенна установлена на опорно-поворотном устройстве (ОПУ) азимутально-угломестного типа.

Одной из функций антенны ТНА-57М является наблюдение за потоком радиоизлучения Солнца на частотах 1 и 3 ГГц.

Радиометр в радиоастрономии, радиотехническое устройство для измерения мощности излучения малой интенсивности в диапазоне радиоволн (длины волн от 0,1 мм до 1000 м). Применяется в качестве приёмного устройства радиотелескопов, а также в радиотеплолокации для составления тепловых карт поверхности Земли. Мощность излучения, попадающего на вход — Р. с антенны, принято выражать т. н. эквивалентной температурой излучения Т, определяемой с помощью закона Рэлея — Джинса: р = kTf (k = 1,38*10^-23 вт/гц*град — постоянная Больцмана, f — ширина полосы принимаемых частот). В этом случае чувствительность Р., т. е. минимальное изменение входной температуры ЛГ, которое может быть зафиксировано инструментом, определяется выражением:

где? ф — время накопления сигнала; Т_ш — т. н. эквивалентная температура входных шумов, характеризующая уровень собственных шумов радиометрна.; б — коэффициент порядка единицы, зависящий от схемы радиометра. Параметр часто называют радиометрическим выигрышем, радиометра. позволяет регистрировать сигналы, в q раз меньшие его собственных шумов. Наиболее распространена модуляционная схема радиометра (Рисунок 1). В этой схеме приёмник с помощью переключателя (модулятора) периодически подключается к антенне и к её эквиваленту, в качестве которого может служить, например, небольшая антенна, направленная в «холодную» область неба либо согласованная нагрузка при известной температуре. Таким путём исключается постоянная составляющая шумов и выделяется полезный сигнал, который после усиления, детектирования и преобразования в числовой код подаётся в компьютер. Схема радиометра строится обычно на основе приёмника супергетеродинного типа или прямого усиления. Типичные параметры радиометра:

Т_ш = 100 K, ?f = 10⁸ гц, ф = 1 сек, б = ;

при этом чувствительность? T = 1,4*10^-2К. При охлаждении входных усилителей радиометров до температуры жидкого гелия можно достичь Т_{ш ?} 20 K и при?? f = 10⁹ гц получить? ?T? 10^-3 K.

Дальнейшее снижение Т_ш для системы радиотелескоп — радиометр, а соответственно, и? T ограничивается на поверхности Земли шумовым излучением неба (атмосферного и космического происхождения), составляющим в минимуме на сантиметровых волнах около 10 K.

Рисунок 2 -Блок-схема модуляционного радиометра: 1 — антенна; 2 — эквивалент антенны; 3 — модулятор; 4 — усилитель высокой частоты; 5 — детектор; 6 — усилитель низкой частоты; 7 — синхронный детектор; 8 — генератор опорного напряжения; 9 — преобразователь «аналог-код» .

В нашем случае было решено использовать схему приемников с прямым усилением.

В таблице 1 представлены основные технические характеристики приемников.

Таблица 1 — Основные технические характеристики приемников.

2. Общие сведения о радиометрах и шумах Приемник предназначен для того, чтобы преобразовывать доставляемые к нему от антенны малые сигналы в сигналы, способные воздействовать на выходной прибор. В случае солнечного и космического радиоизлучения это преобразование включает в себя высокую степень усиления и сложные изменения в форме колебаний и их спектре.

Эти изменения показаны на рис. 2. Приходящий сигнал (см. рис. 2, а) состоит из шума с широким спектром. Из этого шума выделяются составляющие в узкой полосе частот шириной? f с центральной частотой fо. После этого сигнал состоит, как показано на рис. 2, b1, из модулированного шумом колебания с частотой fо. Если принять, что первоначальный спектр сигнала в полосе приема плоский, то эта шумовая модуляция должна иметь рэлеевское распределение амплитуд, а скорость изменения амплитуд зависит от ширины полосы пропускания приемника.

Некоторое усиление может достигаться на частоте сигнала fо, однако обычно применяются супергетеродинные приемники, в которых большая часть усиления или все усиление происходит на более низкой частоте, называемой промежуточной частотой (IF). Сигнал, преобразованный на промежуточную частоту, показан на рис. 2, b2г. Затем этот сигнал выпрямляется с тем, чтобы получить однонаправленный результирующий процесс (рис. 2, с), повторяющий форму огибающей процесса (рис. 2, б). Выпрямитель является сложным нелинейным устройством, и его выходное напряжение не связано, вообще говоря, простыми соотношениями с входным напряжением. Следовательно, для того чтобы установить энергетическую значимость данного показания выходного прибора, лучше полагаться на калибровку. Грубо говоря, спектр процесса, указанного на рис. 2, с, содержит все частоты от нуля до ~ ?f.

Далее сигнал (рис. 2, с) сглаживается, отчасти элементами схемы и отчасти выходным прибором с общей постоянной времени т, причем ф>>1/?f. Результат сглаживания (рис. 2, d) является, таким образом, относительно постоянной величиной, регистрируемой выходным прибором.

Если желательно наблюдать малые изменения выходных показаний, которые недостаточно заметны на простой записи тока детектора, то можно применить дальнейшее усиление (усиление постоянного тока). Обычно усиливается разница между напряжением на выходе детектора и подходящим стабильным опорным напряжением. Однако, величина применяемого усиления имеет серьезные ограничения Рис. 2. Изменение формы колебаний и спектра шумового сигнала при прохождении через приемник. Шумы, генерируемые самим приемником, не показаны.

В дополнение к сигналам, показанным на рис. 2, следует рассмотреть шумы приемника, возникающие в его лампах и сопротивлениях. Так как шумы приемника и космические или солнечные шумы некогерентны, то их мощности аддитивны, и желательный сигнал может быть обнаружен только по вызываемому им возрастанию среднего уровня (рис. 2d). В обычной радиотехнической практике общеупотребительны сигналы, значительно превышающие уровень шумов, хотя в некоторых применениях используются сигналы, находящиеся несколько ниже этого уровня. От радиоастрономических приемников может потребоваться работа с гораздо меньшими входными мощностями. Действительно, исследуемый сигнал обычно составляет только малую долю собственных шумов приемника. В таком случае колебания (рис. 2, б, с и d) определяются почти полностью шумами самого приемника.

Конструкции радиоастрономических приемников, хотя они и предназначены для необычных целей, очень похожи на конструкции стандартных радиолокационных приемников. Для частот, превышающих 500 Мгц, применяются супергетеродинные приемники с кристаллическими смесителями без усиления на частоте сигнала. На более низких частотах смесителю обычно предшествуют один или два каскада усиления на частоте сигнала. Усилитель промежуточной частоты, обычно работающий на частоте 30 Мгц, второй детектор и измерительная схема могут быть одинаковыми для всех частот.

2.1 Шумы приемника Чувствительность приемника ограничена не невозможностью получить большее усиление, а электрическими шумами, генерируемыми в его лампах и сопротивлениях. Задача уменьшения этих шумов является основной в радиотехнике.

Качество приемника по отношению к генерации внутренних шумов описывается одним из двух параметров — «коэффициентом шумов» N или «шумовой температурой» Т_д. Эти понятия могут применяться к приемникам, в которых нет перегрузки или каких-либо иных нелинейностей в усилении, т. е. имеется какой-то определенный коэффициент усиления. Мы определяем g как производную выходной мощности Р по входной мощности р, т. е. g = dP/dp, и будем понимать под Р мощность, доставляемую к детектору, а под р — номинальную мощность на клеммах антенны.

Предполагается, что приемник подключен к антенне, с которой он работает, или к устройству с таким же полным сопротивлением. Для данной входной мощности р выходная мощность больше, чем gp, вследствие наличия шумов, генерируемых в приемнике, т. е. можно записать, что Р = g (p + p_R), где p_R—пересчитанная ко входу мощность собственных шумов приемника, которая просто прибавляется к р в силу своей некогерентности с сигналом. Как коэффициент шумов, так и шумовая температура являются важными мерами величины р на языке теплового возбуждения. Температура шумов приемника Т_п является прямой мерой, получаемой из записи где k — постоянная Больцмана (равная 1,37 * 10-²³ дж/град) и? f— эквивалентная шумовая полоса пропускания приемника. Так, определяемая шумовая температура является просто эффективной температурой некоторой антенны, которая дала бы уровень шумов, равный возбужденным в приемнике.

Фактор шумов связывает р_R с величиной номинальной мощности на выходе антенны, находящейся при температуре окружающей среды Т₀. В этом случае Коэффициент шумов N определяется следующим отношением:

что может быть записано как Так как в вопросе о выборе той или иной конкретной температуры окружающей среды, входящей в определение, нет единогласия (общеупотребительны как 290°, так и 300° К), то величина Т₀ должна указываться вместе с N.

Представление о порядках величины дает следующий пример: для типичного приемника? f= 1 Мгц и N=10 при То = 300° К. Тогда = 4,10-'" вт и = 2700°К.

Так как N главным образом зависит от входных каскадов, то уместно указать основные соображения об их конструкции. Зачастую приемник с чувствительностью, не отвечающей предъявляемым требованиям, может быть существенно улучшен при небольших модификациях входных каскадов. Мы рассмотрим сначала диапазон метровых волн, где применяется усиление на частоте сигнала. Важным является выбор малошумящей первой лампы и соответствующих согласующих устройств. Первая лампа может быть либо пентодом, либо триодом с заземленной сеткой. Их достоинства определяются двумя факторами: генерацией минимальных шумов и способностью лампы дать высокое усиление. Последнее в случае обычных схем с заземленными катодами в значительной степени зависит от наличия высокого входного сопротивления, так что в цепи сетки может быть применен повышающий трансформатор. На высоких частотах величина входного сопротивления в основном ограничивается входной проводимостью лампы. Эта проводимость обусловлена паразитной индуктивностью катодного ввода. Указанные факторы обычно описываются понятиями эквивалентного шумового сопротивления и электронного входного сопротивления Ri, отнесенными к сетке лампы. На рис. 12 показана зависимость N от величины отношения R_eq/ri для двух различных настроек входа приемника. В первом случае полные сопротивления приемника и генератора согласованы (Nm), что является условием оптимальной передачи к приемнику мощности сигнала, но не совпадает с условием оптимума для коэффициента шумов, так как дальнейшей регулировкой можно уменьшить шумы без соответствующего ослабления сигнала. Коэффициент шумов является наименьшим, когда входное сопротивление трансформируется к величине, превышающей выходное сопротивление генератора (например, антенны) в отношении, указанном на рис. 12, где показан также коэффициент шумов N₀ для этого оптимального случая. Согласующие элементы сами по себе должны быть, конечно, возможно менее поглощающими. Триодам с заземленной сеткой отдается предпочтение на тех частотах, на которых входная проводимость обычных усилителей чрезмерно велика (на волнах короче 3 м). Эквивалентное шумовое сопротивление триодов меньше, чем пентодов, вследствие отсутствия шумов, вызванных статистическим характером деления электронов между анодом и экраном в пентоде. В усилителях на триодах с заземленной сеткой входной сигнал подается на катод, а выходной снимается с анода. Нестабильность не наблюдается, так как в этом случае сетка, действуя как заземленный экран, сводит до очень малой Величины внутреннюю емкость анод—катод. Благодаря катодному включению входное сопротивление усилителя имеет величину порядка характеристического сопротивления коаксиального кабеля.

В диапазоне сантиметровых волн «бесшумное» усиление все еще практически не реализуемо, и в текущей практике промежуточную частоту. Усилитель промежуточной частоты в соответствии с сделанными ранее замечаниями должен быть рассчитан для получения оптимальной мощности на промежуточной частоте.

Рис. 3. Усредненные значения коэффициента шумов хороших приемников в широком диапазоне длин волн.

Практически преобразование всегда сопровождается потерями. Кроме того, кристалл под воздействием местного гетеродина генерирует шумы, более интенсивные, чем тепловые шумы эквивалентного сопротивления, находящегося при температуре окружающей среды. Для указания величины этих двух эффектов служат соответственно понятия к. п. д. преобразования Т1₀ и отношения избыточных шумов к тепловым N". Коэффициент шумов N всего приемника дается тогда выражением где N^IF— фактор шумов усилителя промежуточной частоты. Приближенные значения этих параметров для кремниевых кристаллов на волнах, длина которых превышает 3 см, соответствуют величинам з? и N_e ?2, что при использовании усилителя промежуточной частоты с? 2, дает N? 13. Существует, однако, устойчивое ухудшение коэффициента шумов с уменьшением длины волны. На рис. 3 показаны величины N, которые можно получить без чрезмерных трудностей в диапазоне от 10 -и до 1 см. При желании эти данные могут быть улучшены на несколько децибел.

2.2 Предел чувствительности, обусловленный флуктуациями Если бы напряжение шумов на выходе приемника было бы абсолютно стабильным, то отсутствовал бы теоретический предел чувствительности, необходимой для измерения внешнего шума. Например, можно было бы путем усиления значительно увеличить разницу между выходным напряжением и напряжением подходящего постоянного источника сравнения. Возможности таких ухищрений ограничены флуктуациями на выходе приемника.

Рис. 4. Уменьшение флуктуаций па выходе приемника при увеличении стабильности питающих напряжений.

а —нестабилнзированные высокое напряжение п напряжение накала; б — высокое напряжение стабилизировано, а напряжение накала нестабилнзировано; с — стабилизированное высокое напряжение, нити накала питаются от батарей. Флуктуации на записи, а типичны для Питания от сети. Дрейф в случае с вызван изменением ЭДС батарей и может быть исключен при более тщательной стабилизации. Остаточные извивы и зазубринки в с величины ~ Ю^-3 не могут быть подавлены.

Во-первых, имеются флуктуации, обусловленные изменениями коэффициента усиления приемника. Эти изменения возникают вследствие нестабильности питающих напряжений. В случае приемников с сетевым питанием значительное ослабление флуктуаций достигается стабилизацией как анодного напряжения, так и напряжения накала. С другой стороны, батареи обеспечивают питание, свободное от более быстрых флуктуаций, но для них весьма характерен медленный уход. Из рис. 4, где показано влияние этих факторов, видно, что при правильном выборе питания, флуктуации на выходе приемника могут быть уменьшены более чем в 1000 раз. Другой путь исключения медленных изменений был разработан Дайком (1946), применившим дифференциальный метод. В этом методе производится быстрое (например, с частотой 30 гц) попеременное переключение входа приемника между антенной и сопротивлением (или холостой опорной антенной). Это сопротивление имеет температуру окружающей среды, величина его должна быть равна полному сопротивлению рабочей антенны. Синхронно с этим переключением производится также переключение выхода приемника между двумя интегрирующими цепями, включенными навстречу друг другу и питающими измерительный прибор с нулем посередине. При этом прибор показывает разницу между сигналами, поступающими от антенны и сопротивления. Так как шумы приемника не влияют на показания прибора, то система устойчива к изменениям усиления). Блоксхема системы показана на рис. 5.

Рис 5. Блок схема радиометра.

На практике обычно вместо низкочастотного выходного переключения используется «фазочувствительный детектор» или «фазочувствительный выпрямитель». Если напряжение на выходе приемника, когда вход подключен к антенне, отличается от напряжения в моменты подключения ко входу резистивной нагрузки, то выходное напряжение содержит гармоническую составляющую на частоте переключения. Фаза этой составляющей будет равна 0 или 180° в зависимости от того, будет или не будет наибольшим напряжение на выходе приемника, когда его вход подключен к антенне. Напряжение с выхода второго Детектора приемника усиливаемся резонансным усилителем, настроенным на частоту переключения, а затем выпрямляется фазочувствительным детектором. К последнему одновременно поступают неизвестный сигнал и большое опорное напряжение частоты переключения. Свойства фазочувствительного детектора таковы {см. работу Фаррона (1946)], что постоянный ток на его выходе пропорционален той составляющей сигнала, частота которой совпадает с частотой переключения и которая оказывается в фазе с опорным напряжением. Если сигнал оказывается в противофазе, то выходное напряжение отрицательно. Таким образом, напряжение на выходе фазочувствительного детектора является мерой величины, на которую изменяется напряжение на выходе приемника, когда его вход переключается от антенны на сопротивление.

Дальнейшим развитием методики Дайка явилось введение Райлом и Вонбергом (1948) в радиоастрономическую технику методов автоматического регулирования. Они заменили эталонное сопротивление, находящееся при температуре окружающей среды, диодным шум-генератором. В этом методе постоянный ток накала диода, определяющий шумовой выход, автоматически регулируется так, чтобы поддерживать на нуле напряжение на выходе приемника. Как мера принимаемой мощности регистрируется анодный ток диода. Этим способом достигается независимость записей от флуктуаций усиления приемника.

Но ни одна подобная методика не может полностью подавить выходные флуктуации в силу случайного характера самих шумов приемника. Грубая оценка остаточных флуктуаций может быть получена при предположении, что напряжение на выходе детектора является суммой большого, числа независимых случайных слагаемых. Если ширина полосы пропускания приемника равна? f гц, то можно считать, что в секунду поступает примерно? f эффективно независимых слагаемых. Они усредняются в течение интервала времени, определяемого постоянной времени т выходного прибора и связанных с ним цепей. В течение того интервала времени поступает ф? f независимых слагаемых, поэтому вероятное среднее квадратичное отклонение составляет (1/ф ?f/)^1/2 от среднего выходного уровня.

Дайк (1946) впервые определил величину этого предела чувствительности, имеющегося у приемников всех типов. Кроме фишческого объяснения, подобного приведенному выше, он дал следующее выражение, применимое к его приемной системе:

Здесьсреднее квадратичное значение относительной флуктуации на выходе, выраженное через эквивалентную температуру антенны, и N — коэффициент шумов приемника. Численно, если? f =1 Мгц и ф=1 сек, то = 10^-3, и для системы приемника Дайка, если N = 10 и= 300° К,

= 2° К.

Пропорциональность относительных флуктуации величине показывает, что они могут быть уменьшены и, следовательно, предельная чувствительность увеличена при применении более широких полос пропускания или больших постоянных времени. Верхний предел для полосы пропускания приемника определяется техническими трудностями, возникающими при получении полос, превышающих 10—20 Мгц. Однако во многих приемниках необходимы более узкие полосы. Например, спектр многих солнечных возмущений ограничен полосами шириной в несколько мегагерц, а линия излучения водорода — несколькими десятками килогерц. Аналогично величина выходной постоянной времени иногда ограниченна скоростью изменения исследуемых явлений. Для тех случаев, когда ограничения этого типа отсутствуют, были разработаны цепи с постоянными времени ~ 1 мин. Целесообразно отметить, что результаты, получаемые при больших постоянных времени, могут быть достигнуты путем графического усреднения записей, полученных при малых постоянных времени. Такой способ имеет то дополнительное преимущество, что могут быть распознаны и удалены мимолетные, скоротечные помехи типа возникающих благодаря случающимся время от времени атмосферным разрядам. Недостатком этого метода является трудоемкость обработки. Однако при подходящей скорости записи средние величины с достаточной степенью точности могут быть оценены на глаз.

Из физических соображений о причинах возникновения внутренних флуктуаций видно также, что в методе Дайка наряду с уменьшением инструментальных флуктуаций происходит как бы удвоение внутренних флуктуаций. Дело в том, что в системе Дайка приемник подключен к антенне в течение половины всего рабочего времени. Следовательно, относительные флуктуации при измерении шумов, поступающих от антенны, должны быть в раз больше, чем для случая постоянного включения. Эти же соображения приложимы к измерению шумов эталонного сопротивления. Поэтому в окончательный результат, являющийся разностью двух величин, каждая из которых флуктуирует случайным образом, входит добавочный множитель .

При наблюдениях широко использовались методы как быстрого переключения, так и непосредственного измерения, причем не было заметной разницы в чувствительностях, достигаемых при различных методах. Возможно, это объясняется тем, что авторы, применявшие непосредственное измерение, вынуждены были добиваться значительно более высокой степени стабилизации источников питания. Однако, по-видимому, при одинаковой тщательности выполнения системы с быстрым переключением могут дать большую чувствительность. С другой стороны быстрое переключение привносит трудности для контроля на слух за работой приемника. Основные открытия в истории радиоастрономии, такие, как открытие радиозвезд или различных составляющих радиоизлучения Солнца, были сделаны на основе прямых измерений, возможно, по причине большой гибкости этого метода. Исключением является открытие линии излучения водорода на частоте 1420 Мгц, обязанное применением измененной схемы Дайка. Возможно, что будущие открытия будут зависеть от повышения чувствительности и точности измерений и что значение балансных методов будет все возрастать.

Основные параметры измерительного блока:

— Диапазон частот 1 ГГц.

— Собственный шум измерительного блока, пересчитанный ко входу, 760К.

— Аттенюатор широкополосного тракта 0−22 дБ с шагом 2 дБ.

— Аттенюатор НЧ узкополосного модуляционного тракта 1,8,32,128 раз.

— Разрядность АЦП 11+разряд знака.

— Диапазон входных напряжений АЦП (-5…+5)В.

— Частоты модуляции 1012 и 980 Гц.

— Модулирующий сигнал на ВЧ — блок — меандр, лог «0», лог «1» .

— Время интегрирования 0,5 с.

3. Общее описание системы ТНА-57, находящейся на радиополигоне «ОРБИТА»

Радиополигон «Орбита», и, в частности, радиотелескоп на базе антенны ТНА -57М, не функционировал с 1987 г. Естественно, что при долгом простое любая техника стареет не только физически, но и морально. Согласно плана восстановления и реконструкции радиотелескопа все работы были разделены на два этапа. Первый этап — восстановление работы имеющегося привода антенны в первоначальном варианте. Этот этап необходим для проверки работоспособности всех узлов привода, находящихся непосредственно на опорно-поворотном устройстве (ОПУ). Без нормальной работы всех остальных частей привода такая проверка не возможна. В силу этого после ремонтных работ самом здании и демонтажа той части оборудования, которая располагается в аппаратном зале и агрегатной, все узлы старого привода должны были заново смонтированы, проверена их работа и сняты основные характеристики. Электромеханический привод таких антенн как ТНА-57М представляет собой сложное электромеханическое устройство, отдельные части которого расположены в различных местах здания, и опорно-поворотне устройство (ОПУ). Исполнительные двигатели постоянного тока с силовыми редукторами и тахогенераторами азимута и угла места, а также приборные редуктора азимута и угла места расположены непосредственно на ОПУ. Электромашинные усилители (ЭМУ), генератор 427 Гц и вся сильноточная пусковая аппаратура и входной щит электропитания расположены в агрегатной. Пульт управления ПНС-Б2 (рисунок 6), стойки усиления по азимуту ЭПС-1 и углу места ЭПС-2 (рисунок 7) и еще один щит электропитания стоек усиления и пульта управления находятся в аппаратном зале. Все узлы привода коммутируются между собой кабельными соединениями, разводка которых идет через распределительные ящики (РЯ) и коммутационные ящики (ЯС).

Управление наведением антенны ТНА-57М осуществляется с пульта управления ПНС-2Б с помощью стоек управления ЭПС-1 (управление по азимуту) и ЭПС-2 (управление по углу места).

Индикация положения во всех режимах наведения осуществляется с помощью сельсиновдатчиков БД-501Б, расположенных в приборных редукторах опорно-поворотного устройства, и включенных по индикаторной схеме с сельсинами-приемниками типа ДПС-500, которые установлены на пульте управления и отображают положение антенны по азимуту и углу места. Сельсины-датчики соединены с исполнительными осями антенны передаточными отношениями 1:1 (грубый отсчет) и 1:30 (точный отсчет). Цена деления шкал, установленных на осях сельсинов приемников, соответствует:

— по грубому отсчету 2 градуса;

— по точному отсчету 2 угловые минуты.

Состав стойки у правления антенной по азимуту ЭПС-1 состоит из:

— блока RC элементов (Э-101);

— фазового дискриминатора и аналогового усилителя (Э-102);

— магнитного усилителя (Э-103);

— источника питания стойки (Э-104).

Состав стойки управления антенной по углу места ЭПС-2 состоит из:

— блока RC элементов (Э-201);

— фазового дискриминатора и аналогового усилителя (Э-102)

— магнитного усилителя (Э-203);

— источника питания стойки (Э-104).

Рисунок 6 — фотография пульта управления.

Рисунок 7 — Фотография стойки управления.

Управление вращением антенны осуществляется поворотом ручек-указателей угла поворота антенны по углу места и азимуту, размещенных на пульте управления ПНС-2Б.

Устройство управления антенной представляет собой замкнутую систему непрерывного действия. Основу устройства составляют сельсины. Датчиком является сельсин, установленный в помещении, а приемником — сельсин, установленный на антенне. Ротор сельсина-датчика слегка затормаживается любым фрикционным устройством, а на оси ротора укрепляется ручка управления, совмещенная с указателем координаты. Оба сельсина работают в трансформаторном режиме (рисунок 8).

Рисунок 8 — Схема работы сельсинов.

Амплитуда и фаза, величины которых пропорциональны разнице положения роторов сельсинов, снимаются с роторной обмотки сельсина-приемника и подается на один вход фазового дискриминатора (рисунок 9).

На второй вход фазового дискриминатора подается опорное напряжение питающей сети. Разница фаз напряжения на роторе сельсина приемника и напряжения питающей сети, пропорциональная углу и знаку рассогласования, преобразуется в фазовом дискриминаторе в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна величине рассогласования, а полярность напряжения — пропорциональна знаку рассогласования. Иными словами — при вращении ручки управления вправо на выходе дискриминатора появится напряжение одного знака, при вращении ручки влево — другого знака. Величина напряжения будет тем больше, чем на больший угол будет повернута ручка управления.

Рисунок 9 — Принципиальная схема фазового дискриминатора.

Если это напряжение усилить и подать в соответствующей полярности на двигатель постоянного тока, то антенна придет во вращение, причем направление вращения будет соответствовать кратчайшему направлению до искомого азимута или угла места, и будет продолжаться до тех пор, пока антенна не займет положение, соответствующее углу поворота ручки управления. В этом случае рассогласование уменьшится, фазы на входе дискриминатора будут равны, а на выходе дискриминатора потенциал будет равен «нулю». Напряжение с фазового дискриминатора пропорциональное величине рассогласования подается на аналоговый усилитель, который нагружен на управляющую обмотку трехфазного магнитного усилителя, рабочие обмотки которого включены последовательно с обмоткой возбуждения электромашинного усилителя. Такое включение рабочих обмоток позволяет рассматривать магнитный усилитель как три дросселя с регулируемым сопротивлением (рисунок 10). Сопротивление регулируемого дросселя по переменному току зависит от величины магнитного потока протекающего через сердечник. Следовательно, изменяя величину магнитного потока, можно изменять падение напряжения на дросселе. Последнее приводит к тому, что изменяется величина напряжения приложенного к обмотке возбуждения электромашинного усилителя и изменяется величина напряжения на его выходе. Это напряжение подается на два электродвигателя постоянного тока, включенных последовательно, которые обеспечивают вращение антенны ТНА-57М.

Вращение антенны ТНА-57М по азимуту обеспечивается двумя электроприводами ДПМ-11 для малой скорости (0,3 градуса в секунду) и двумя электроприводами ДПМ-31 для большой скорости (9 градусов в секунду). Вращение антенны по углу места обеспечиваются двумя электроприводами ДПМ-11 для малой скорости (0,3 градуса в секунду) и двумя электроприводами ДПМ-21 для большой скорости (9 градусов в секунду).

Рисунок 10 — Принципиальная схема магнитного усилителя.

4. Радиометры для мониторинга солнечной активности на двух частотах

4.1 Облучатель антенны ТНА-57М Облучатель для зеркальной антенны на фиксированные частоты 1 и 3 ГГц предназначен для проведения регулярных наблюдений радиоизлучения Солнца в комплексе с радиометрами РМ-10 и РМ-30. В рабочем положении выходные разъемы облучателя с помощью соединительных кабелей подключаются к входным разъемам радиометров.

Облучатель для зеркальной антенны (рисунки 11а, б и 12) представляет из себя рупорную антенну на две рабочие частоты, конструктивные параметры которой рассчитаны так, чтобы диаграммы направленности на рабочих частотах создавали оптимальное распределение поля по раскрыву антенны ТНА-57. Для установки в фокусе приемной антенны облучатель снабжен системой крепления в виде круглого фланца на металлических шпильках.

Рисунок 11аЧертеж облучателя (вид со стороны раскрыва) Рисунок 11б — Чертеж облучателя Рисунок 12 — Фото облучателя в фокусе антенны ТНА-57

Основные технические характеристики:

Двухчастотный облучатель конструктивно представляет собой два соосных круглых волновода, работающих в частотных диапазонах 1 и 3 ГГц, и возбуждаемых взаимно-перпендикулярными полуволновыми диполями.