Рис. 1. Приемная кабина N2
"Эридан-2"
Проведена реконструкция трехчастотного криорадиометра РАТАН-600 "Эридан".
Три независимых радиометра на волны 1.0, 2.7 и 6.3 см размещались в общем
криостате с жидким азотом. В качестве входных каскадов в нем были
использованы усилители на полевых транзисторах (FET) на всех трех волнах.
Это позволяло реализовать на частотах 4.8, 11.2 и 30.0 ГГц чувствительности
соответственно 5, 7 и 12 mK при постоянной времени выходного фильтра 1 с.
Входные волноводные тракты были весьма длинными и обладали большими потерями.
При проектировании самая короткая волна "Эридана" 1.0 см на облучателе
N2 РАТАН-600 оказалась менее востребованной из-за установки на нем
многоканальной системы "МАРС-3", имеющей ту же частоту, но разработанной уже
на современной элементной базе.
Поэтому рациональнее было перейти на близкую и более востребованную волну
1.4 см, несмотря на значительное увеличение, как объема трудозатрат по
разработке, изготовлению элементов и монтажу входной и выходной частей,
так и на дополнительные финансовые расходы на заказ входных усилителей и
других СВЧ элементов.
Рис. 2. Фокальная линия приемной кабины N2.
Слева направо: трехчастотный
комплекс "Эридан-2", юстировочный комплект аппаратуры,
16-канальная
радиометрическая система "МАРС-3".
Было принято решение отказаться от громоздкого азотного криостата и
переработать конструкцию входной части под неохлаждаемый вариант.
Это дало возможность оптимизировать входные тракты коротковолновых
радиометров, перейти к полностью симметричной геометрии волноводных трактов
с расположением в центре первичных облучателей диапазона 1.4 см,
затем 2.7 см и, наконец, 6.3 см.
Учитывая успешный опыт реализации схемы "квази-total power" на матричной
радиометрической системе "МАРС-3" для работы в однолучевом режиме, такая
схема внедрена и на системе "Эридан-2", так как схема радиометра
с добавлением шума (РДШ) трудно реализуема и неэффективна на коротких
сантиметровых волнах из-за атмосферных вариаций.
Рис. 3.
Для успешной реализации проекта был проведен поиск и заказ входных усилителей
на самых современных PHEMT-транзисторах на все три волны, оптимизированных
по шумам под теплый вариант.
Были проанализированы параметры изделий нескольких разработчиков.
В результате было принято решение о приобретении и использовании уже
изготавливаемых серийно усилителей НПФ "Микран", г. Томск,
с некоторыми доработками по нашему ТЗ.
Рабочие параметры трехчастотной системы "Эридан-2" приведены в таблице 1.
Таблица 1
| Волны и вклады шумовой температуры, К |
1.4 см |
2.7 см |
6.3 см |
| Антенна на средних углах |
30 |
25 |
23 |
| Входной тракт |
21 |
15 |
10 |
| Волноводный модулятор с ППГ |
21 |
15 |
10 |
| Ферритовый изолятор |
21 |
21 |
- |
| Усилитель НПФ "Микран" |
92 |
24 |
17 |
| Шумовая температура системы |
185 |
100 |
60 |
| Полоса частот, ГГц |
2.5 |
1.0 |
0.8 |
| Расчетная чувствительность при 1 с, мК |
5.5 |
5.0 |
3.5 |
| Прежний азотный вариант, мК |
10-12 |
7.0 |
5.0 |
"МАРС-3"
Матричная радиометрическая система МАРС-3 разрабатывалась для технического
обеспечения программы по поиску флуктуаций реликтового фона
"Космологический Ген Вселенной" (руководитель академик РАН Ю.Н. Парийский).
Она представляет собой 16 независимых радиометров, 32 первичных облучателя
которых расположены вдоль фокальной линии вторичного зеркала с шагом 20 мм.
Основная часть каждого радиометра - миниатюрный радиометрический модуль,
сконструированный на основе MMIC технологий с использованием современных
достижений электронной промышленности.
Структурная схема модуля включает в себя входной МШУ (ф. Fujitsu), выходные
усилители, полосно-пропускающий фильтр, СВЧ детектор, ПУНЧ.
Рабочие параметры модуля:
Центральная частота - 30.0 ГГц, полоса - 5.0 ГГц, эквивалентные шумовые
температуры - 170-185 К, что позволяет при суммарной температуре системы
порядка 220 К реализовать чувствительность в модуляционном режиме по каждому
каналу около мК при 1 сек постоянной времени выходного фильтра.
Система сбора данных и управления радиометрами
Система сбора данных приемной кабины N2 построена на основе новой измерительной системы
ER-DAS (Embedded Radiometric Data Acquisition System), представленной на рис. 4,
которая является "строительным блоком" для построения многоканальных
распределенных систем регистрации сигналов.
Подробно данная измерительная система описана в разделе Литература.
Рис. 4.
Измерительная система ER-DAS 4-х канальная.
В настоящее время обеспечена возможность измерения сигналов
19-ти радиометров, что требует применения 5-ти измерительных систем ER-DAS,
см. блок схему системы регистрации облучателя N2 на рис. 5.
Оцифрованные сигналы радиометров помечаются точным временем (точность свыше
1 миллисекунды), что обеспечено применением локальной службы времени,
построенной на базе GPS приемника и локальной NTP (Networked Time Protocol)
службы времени.
Регистрация данных производится автоматически, согласно заранее подготовленной
наблюдательной программе.
После проведения очередного наблюдения результаты наблюдения автоматически
перемещаются в центр архивизации для размещения в базе данных и дальнейшей
обработки.
Рис. 5. Блок-схема системы регистрации облучателя N2.
Литература
-
А.Б. Берлин, Ю.Н. Парийский, Н.А. Нижельский, М.Г. Мингалиев, П.Г. Цыбулев,
Д.В. Кратов, Р.Ю. Удовицкий, В.В. Смирнов, А.М. Пилипенко
"Матричная радиометрическая система МАРС-3 для РАТАН-600",
Астрофизический Бюллетень, 67(3), 2012, с.354-366.
-
А.Б. Берлин, Н.А. Нижельский, П.Г. Цыбулев, Д.В. Кратов, Р.Ю. Удовицкий,
Б.И. Карабашев "Реконструкция трехчастотного криорадиометра "Эридан",
Труды Института Прикладной астрономии РАН, 2012, вып.24, стр. 183-186.
-
П.Г. Цыбулев
"Система сбора данных и управления нового поколения
для проведения радиоастрономических наблюдений в
континууме на радиотелескопе РАТАН-600: разработка, наблюдения,
измерения",
Астрофизический Бюллетень, том 66, стр. 118 (2011).
|