 |
|
 |
|
| |
 | |
|
|
| |
 | |
|
|
| |
 | |
|
|
| |
 | |
 |
|
| |
 | |
|
|
| |
[Устройство приемника]
Краткое описание
Одновременные наблюдения астрономических объектов на нескольких частотах привлекательно возможностью отмечать различия в их физической природе и механизмах излучения. Образно говоря, источники становятся "цветными". Применительно к солнечным наблюдениям, уже двухчастотные наблюдения позволяют регистрировать наклон спектра. В частности, это важно при наблюдениях быстропротекающих вспышечных явлений.
Приемник, расположенный во вторичном фокусе антенны РТ-7,5 МГТУ, способен одновременно принимать излучение на длинах волн 3,2 и 2.2 мм. Узлы двух каналов радиометра смонтированы на плоской панели, которая легко снимается в случае необходимости ремонта и настройки приемника в лабораторных условиях. Конструктивно оба канала независимы, что позволяет производить съем одного из радиометров не нарушая работоспособность другого. Радиометры накрыты общим брызгозащитным кожухом, обогрев узлов приемника не производится.
Приемник состоит из двух идентичных супергетеродинных каналов с частотами гетеродинов 94 и 136 ГГц. Полоса частот УПЧ составляет 50…550 МГц. Принимаются верхние и нижние боковые полосы. На входе каждого канала используется скалярный рупорный облучатель с круглой апертурой, заканчивающейся чебышевским переходом на прямоугольный волновод сечением 1,2х2,4 мм или 0,8х1,6 мм. За облучателем в приемных трактах следуют pin-диодные модуляторы, ферритовые вентили и балансные смесители на диодах с барьером Шотки. Предварительные усилители промежуточной частоты конструктивно объединены со смесителями в общем корпусе. Они выполняются на малошумящих полевых транзисторах и обеспечивают коэффициент усиления около 25 дБ. Это приводит к малой зависимости шумовой температуры приемников от последующих каскадов. Гетеродины приемников на диодах Гана выходными фланцами непосредственно подключены к гетеродинным входам смесителей. Выходные каскады УПЧ на биполярных СВЧ транзисторах оканчиваются квадратичными транзисторными детекторами. Их выходные сигналы усиливаются предварительными усилителями частоты модуляции и транслируются на пульт управления радиотелескопа. Далее они поступают на низкочастотные части модуляционных радиометров, содержащие усилители, синхронные фильтры, синхронные детекторы и интеграторы. В эти же приборы входят генераторы опорного напряжения и блоки управления усилением, временем интегрирования, фазой ГОН и пр. После предварительной аналоговой обработки выходные сигналы подаются на АЦП и ЭВМ для цифровой обработки.
Флуктуационная чувствительность приемников составляет 0,1 К и 0,5 К для λ=3,2 и 2,2 мм.
Радиометр на диапазон 3,2 мм.
Приемник супергетеродинный со смесителем на входе и гетеродином на диоде Ганна. На входе установлен ферритовый вентиль для уменьшения мощности гетеродина излучаемой в антенну. Полоса частот УПЧ составляет 50…550 МГц. Принимаются верхние и нижние боковые полосы. На входе используется скалярный рупорный облучатель с круглой апертурой, заканчивающейся чебышевским переходом на прямоугольный волновод сечением 1,2х2,4 мм. За облучателем в приемных трактах следуют pin-диодные модулятор, ферритовый вентиль и балансный смеситель на диодах с барьером Шотки. Предварительный усилитель промежуточной частоты конструктивно объединен со смесителем в общем корпусе. Он выполнен на малошумящем полевом транзисторе и обеспечивает коэффициент усиления около 25 дБ. Это приводит к малой зависимости шумовой температуры приемника от последующих каскадов. Гетеродин приемника на диоде Гана частотой 94 ГГц выходным фланцем непосредственно подключен к гетеродинному входу смесителя. Выходной каскад УПЧ на биполярном СВЧ транзисторе оканчивается квадратичным транзисторным детектором. Его выходной сигнал усиливаются предварительным усилителем частоты модуляции, и транслируется на пульт управления радиотелескопа. Далее он поступает на низкочастотную часть модуляционного радиометра, содержащую усилители, синхронный фильтр, синхронный детектор и интегратор. В этот же прибор входит генераторы опорного напряжения и блок управления усилением, временем интегрирования, фазой ГОН и пр. После предварительной аналоговой обработки выходной сигнал подается на АЦП и ЭВМ для цифровой обработки.
Чувствительность приемника составляет 0,1 К.
Чип
Единственным способом, обеспечивающим малые потери и позволяющим разделить электромагнитную волну в пространстве на несколько лучей, каждый из которых содержит сигнал, относящийся к определенному частотному диапазону, является применение частотно-избирательных поверхностей (ЧИП).
ЧИП представляет собой полиимидную пленку с нанесенной на металлическим узором, в данном случае элементом узора является иерусалимский крест. Анализ и расчет ЧИП осуществлялся с помощью компьютерной программы, которая в диапазоне сантиметровых длин волн и показала хорошую точность (около 3-4% при определении резонансной частоты ЧИП). Программа позволяет производить анализ зависимости коэффициентов отражения и прохождения, а также их фаз от частоты для заданной геометрии рассеивающих элементов ЧИП и параметров ее подложки. С соблюдением этих пропорций были рассчитаны и изготовлены методом фотолитографии ЧИП для двухдиапазонного приемника, толщина полиимидной подложки 50 мкм, толщина металлизации 10мкм.
Радиометр на диапазон 2,2 мм.
Приемник супергетеродинный со смесителем на входе и гетеродином на диоде Ганна. На входе установлен ферритовый вентиль для уменьшения мощности гетеродина излучаемой в антенну. Полоса частот УПЧ составляет 50…550 МГц. Принимаются верхние и нижние боковые полосы. На входе используется скалярный рупорный облучатель с круглой апертурой, заканчивающейся чебышевским переходом на прямоугольный волновод сечением 0,8х1,6 мм. За облучателем в приемных трактах следуют pin-диодные модулятор, ферритовый вентиль и балансный смеситель на диодах с барьером Шотки. Предварительный усилитель промежуточной частоты конструктивно объединен со смесителем в общем корпусе. Он выполнен на малошумящем полевом транзисторе и обеспечивает коэффициент усиления около 25 дБ. Это приводит к малой зависимости шумовой температуры приемника от последующих каскадов. Гетеродин приемника на диоде Гана частотой 135 ГГц выходным фланцем непосредственно подключен к гетеродинному входу смесителя. Выходной каскад УПЧ на биполярном СВЧ транзисторе оканчивается квадратичным транзисторным детектором. Его выходной сигнал усиливаются предварительным усилителем частоты модуляции, и транслируется на пульт управления радиотелескопа. Далее он поступает на низкочастотную часть модуляционного радиометра, содержащую усилители, синхронный фильтр, синхронный детектор и интегратор. В этот же прибор входит генераторы опорного напряжения и блок управления усилением, временем интегрирования, фазой ГОН и пр. После предварительной аналоговой обработки выходной сигнал подается на АЦП и ЭВМ для цифровой обработки. Флуктуационная чувствительность приемников составляет 0,5 К.
Рупор
На входе каждого приемника установлен скалярный рупорный облучатель с круглой апертурой. Специально оформленная внутренняя поверхность в виде множества канавок шириной и глубиной λ/4 рабочей длины волны и меняющийся угол раскрыва, позволяют получить гауссов пучок с малым уровнем боковых лепестков. Размеры облучателей получены масштабированием облучателя, с разработанного ранее в Физическом институте академии наук РФ. Облучатели обоих диапазонов имеют диаграммы направленности одинаковой ширины. С помощью кварцевой линзы ширина пучков согласуется с диаметром контррефлектора при уровне сигнала -13 дБ на его краю.
Разделение на каналы
При разработке многодиапазонных приемников миллиметрового диапазона длин волн возникает вопрос о способе разделения частотных каналов. С точки зрения обеспечения минимальных потерь явное преимущество здесь имеют квазиоптические методы с применением гауссовых пучков.
Для двухканального приемника радиотелескопа РТ-7,5 была разработана квазиоптическая система разделения каналов 2,2 и 3,2 мм. На входе каждого приемника используется скалярный рупорный облучатель с круглой апертурой. Специально оформленная внутренняя поверхность позволяет получить гауссов пучок с малым уровнем боковых лепестков. Облучатели обоих диапазонов имеют диаграммы направленности одинаковой ширины. С помощью кварцевой линзы ширина пучков согласуется с диаметром контррефлектора при уровне сигнала -13 дБ на его краю. Частотное разделение осуществляется с помощью ЧИП нормального типа, отражающей волну 2,2 мм и пропускающей волну 3,2 мм. Нормаль к ЧИП образует угол 300 с оптической осью антенны. Расстояния a, b и c связаны соотношением a = b+c.
"Иерусалимский крест"
Важным требованием к ЧИП, используемым в радиометрах, помимо обеспечения необходимых частотных характеристик, является минимум поляризационных искажений. В наибольшей степени этому требованию отвечают ЧИП с формой рассеивающего элемента типа "кольцо". Однако в связи с тем, что программа анализа ЧИП не позволяет исследовать рассеивающие элементы, которые не могут быть представлены в виде комбинации линейных отрезков, производился анализ ЧИП с элементами типа "квадратная рамка" и "иерусалимский крест". Анализ показал, что рассеивающие элементы типа "квадратная рамка" не позволяют получить требуемые полосы отражения и прохождения, поэтому было решено использовать элементы типа "иерусалимский крест", которые обеспечивают необходимые частотные характеристики и приемлемые поляризационные искажения.
Работоспособность имеющейся программы проверялась сравнением наших расчетных данных с данными работы для одних и тех же исходных параметров. Было установлено, что хорошее совпадение резонансных частот и формы частотных характеристик имеет место при соотношениях геометрических размеров иерусалимского креста d/D = 0,54…0,06 и w/D = 0,12.
С соблюдением этих пропорций были рассчитаны и изготовлены методом фотолитографии ЧИП для двухдиапазонного приемника (p = 1,07 мм, D = 0,6 мм, d=0,35мм, w = 0,07 мм, толщина полиимидной подложки 50 мкм, толщина металлизации 10мкм). Измерения частотных характеристик ЧИП проводились в диапазоне 129,8…143.6 ГГц. Средняя величина измеренных потерь была близка к 13%. В диапазоне 3,2 мм методом помещения ЧИП между рупором радиометра и чернотельным излучателем измерен коэффициент пропускания ЧИП, который не превышает 0,4 дБ.