МОДЕРНИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА РАДИОМЕТРОВ СПЛОШНОГО СПЕКТРА ДЛЯ РАТАН-600 НА ОСНОВЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ВХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОЕКТ «ОКТАВА» А.Б.Берлин С.-Пб филиал. - презентация

1 МОДЕРНИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА РАДИОМЕТРОВ СПЛОШНОГО СПЕКТРА ДЛЯ РАТАН-600 НА ОСНОВЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ВХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОЕКТ «ОКТАВА» А.Б.Берлин С.-Пб филиал САО РАН Ю.Н.Парийский САО РАН М.Г.Мингалиев САО РАН Н.А.Нижельский САО РАН П.Г.Цыбулев САО РАН Г.М.Тимофеева С.-Пб филиал САО РАН Д.В.Кратов САО РАН

2 ОБЛУЧАТЕЛЬ 1. КОМПЛЕКС РАДИОМЕТРОВ СПЛОШНОГО СПЕКТРА Дальнейшее развитие комплекса невозможно без решения следующих проблем: помехозащищенность в условиях быстрой урбанизации минимизация объема сервисных операций и эксплуатационных затрат физическая перегрузка фокальной линии, нет места для новых частот приема нужно работать в двух линейных, либо в двух круговых поляризациях Решение перечисленных проблем возможно при разработке сверхшироко- полосных, общих для ряда радиометров входных блоков. Последнее возможно при использовании нового мультиоктавного первичного облучателя со слабой частотной зависимостью положения фазового центра. FIG. 01 Облучатель 1 РАТАН-600FIG. 02 Заполнение фокальной линии облучателя 1 2

3 СОСТАВ КОМПЛЕКСА Выделим две группы радиометров: Дециметрового диапазона – на волны 49, 31 и 13 см (частоты 0,61, 0,96 и 2,3 ГГц) с полосами частот от 10 до 20 %. Термостатированы на уровне 35°С. Сантиметрового диапазона – на волны 6,25; 3,9 и 2,7 см (частоты 4,8; 7,7 и 11,2 ГГц) с полосами от 13 до 17 %. Все – с глубоким (криогенным) охлаждением до 15 К. Особняком стоят и далее не рассматриваются: Матричная радиометрическая система МАРС на волну 1см «Противоатмосферный» криорадиометр на волну 1,4 см (21,7 ГГц). ДАЛЬНЕЙШЕЕ ОБСУЖДЕНИЕ ПРОВЕДЕМ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КОМПЛЕКСУ РАДИОМЕТРОВ ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА. 3

4 FIG. 03 Трехчастотный совмещенный первичный облучатель В.Н. Дикого ДЕЦИМЕТРОВЫЕ РАДИОМЕТРЫ 4 FIG. 04 Результаты мониторинга помеховой обстановки в диапазоне 0,5 ÷ 3,0 ГГц. Использовался Compact Receiver ESMC (Rohde & Schwarz) с добавочным входным МШУ WBA0235A (WanTcom, Inc). Цветом показаны полосы приема. Проблема – выживание в условиях нарастающего воздействия помех. Взаимозависимость размеров концентрических резонаторов совмещенного облучателя не позволяет перестроить любой радиометр на свободную от помех частоту.

5 5 Пробный мониторинг диапазона 0,5 ÷ 3,0 ГГц показал, что при наличии сверхширокополосного входного блока (облучатель плюс УВЧ на НЕМТ МШУ) возможна эффективная отстройка от помех с применением высокоселективных фильтров после входного УВЧ.

6 FIG. 05 Антенна типа Eleven. Макет. Технологический Университет Chalmers, Гетеборг, Швеция. СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ (антенна ELEVEN) 6 Антенна названа ELEVEN потому, что: базовая геометрия – это два параллельных диполя, что напоминает цифру 11 усиление антенны равно 11 dBi в полосе более декады (т.е.,11/1) Фазовый центр антенны расположен при вершине пирамиды и его положение слабо зависит от частоты. R.Olsson, P.-S. Kildal, S.Weinreb. The Eleven Antenna: A Compact Low-Profile Decade Bandwidth Dual Polarized Feed fo Reflector Antennas. IEEE Trans. on AP, v.54, No.2, p , Febr. 2006

7 7 FIG. 06 Mounting of 150 ÷ 2000 MHz Eleven feed for Green Bank Telescope in workshop at Chalmers. Developed for Caltech and MIT Lincoln lab. Courtesy of Per-Simon Kildal FIG ÷ 800 MHz Eleven Feed for Giant Meter Radio Telescope. АНТЕННА ELEVEN: реализация

8 FIG FIG. 08 Антенна ( первичный облучатель) ELEVEN для РАТАН АНТЕННА «ELEVEN»: реализация

9 9 FIG. 9 Антенна ELEVEN для РАТАН – 600.Диаграммы Jian Yang and Per-Simon Kildal, "Improvement of Input Reflection Coefficient of Eleven Antenna – a Compact Wideband Feed for Reflector Antennas", submitted to ISAP 2007 international conference, Niigata, Japan, August 20-24, Jian Yang and Per-Simon Kildal, Memo Eleven Feed for RATAN Radio Telescope. Chalmers University of Technology.

10 СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ АНТЕННЫЙ СУББЛОК НА ОСНОВЕ АНТЕННЫ ELEVEN Пунктиром показан сменный 3-децибель- ный 90-градусный мост (гибрид) для перехода с линейной на круговую поляризацию. Точность фазировки моста ± 2,5 град. Диапазон частот: 0,5 ÷ 3,0 ГГц (λ от 10 до 60 см) Поляризационная развязка >20 dB Входной коэфф. отражения

11 FIG. 13 Усилительная часть входного блока и его связь с частотно-селективными выходными блоками (показано для одной поляризации). У1/1 и У2/1 – усилители WBA0235A фирмы WanTcom, Inc. (параметры см. FIG.15-16) У3/1- усилитель CA фирмы Ciao Wireless, Inc. ΔF = 0,5 – 4.0 GHz, G=17 dB, N=5 dB max, P-1dB=-20 dBm, VSWR In/Out = 2:1 max Все усилители – типа Unconditionally Stable (Безусловно стабильные), что гарантирует отсутствие паразитного возбуждения. 1

12 Межкаскадные ослабители позволяют, в отсутствие ферритовых изоляторов, уменьшить неравномерность АЧХ (3-дБ аттенюатор уменьшает КСВН = 2,0 до 1,4) Широкополосные направленные ответвители между усилителями и выходными блоками позволяют снять проблему широкополосного согласования. Радиометрическая схема РДШ. Впрыск общего для всех частот модулированного опорного сигнала от ГШ идет через соответствующий направленный ответвитель на входе усилителя. Баланс достигается раздельной регулировкой коэффициента модуля- ции PIN-аттенюаторов на входе парциальных частотных каналов (показано на FIG. 13 для одного из них). Большой динамический диапазон трехкаскадного усилителя (до 20 dBm на выходе по уровню -1 dB) позволяет компенсировать потери в развязывающих элементах при сохранении устойчивости к помехе. 12 ВХОДНОЙ БЛОК ( LNB )

13 НОВЫЙ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ВХОДНОЙ БЛОК РАДИОМЕТРОВ ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА. FIG. 14 Полная блок-схема входного блока ( LNB )

14 ВХОДНОЙ МШУ ( LNA ) WBA0235A : характеристики. FIG. 15 МШУ: Фото и размеры FIG. 16 МШУ: Усиление и шумы 1414

15 ВХОДНОЙ БЛОК FIG 17. Усилители FIG 18. Конструкция 15

16 FIG. 19 Первый этап апгрейда FIG. 00 Второй этап апгрейда ДАЛЬНЕЙШЕЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВХОДНЫХ БЛОКОВ Основная цель – практическая реализация низких шумов усилителей Установка усилителей в каждое плечо первичного облучателя резко понизит вклад шумов (потерь) гибридных мостов Разработка специальных балансных МШУ позволит исключить 180° мосты Проблема ввода в систему сигналов впрыска и калибровки может быть решена подсветкой входа облучателя через широкополосный излучатель Усилители должны иметь амплитудный и фазовый разбаланс не более 1.6 дБ и 13° FIG. 20 Второй этап апгрейда 1616

17 «ХОЛОДНЫЕ» (КРИОГЕННЫЕ САНТИМЕТРОВЫЕ) РАДИОМЕТРЫ FIG. 21 Криогенные (сантиметровые) радиометры. Частоты и полосы R.Olsson, P.-S. Kildal, S.Weinreb. Decade bandwidth medium gain feed for single or dual reflector antennas. 28-th ESA Antenna Workshop On Space Antenna Systems and Technologies. Courtesy of Ricard Olsson. FIG. 22 Авторская концепция размещения антенны ELEVEN в криостате. Все сказанное выше применимо и к санти- метровым радиометрам. Кроме того, вместо трех криостатов и МКС возможно использовать только один криостат с одной МКС и тем резко снизить затраты на оборудование и сервис. И,наконец, появляется возможность реа- лизовать давнюю мечту радиометристов на пути к Идеальному Радиометру: охладить всю входную часть, включая Первичный облучатель. 1717

18 FIG ÷ 13 GHz Eleven feed inside Dewar at Caltech. Courtesy of P.-S. Kildal 18

19 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Предложен и реализуется проект «Октава», на основе которого возможно дальнейшее развитие комплекса радиометров сплошного спектра РАТАН-600. На основе сверхширокополосного облучателя типа ELEVEN и разработанного варианта сопряженного с ним сверхширокополосного малошумящего входного усилительного блока предполагается объединить по входу три радиометра дециметрового диапазона (первый этап) и, в случае успеха, несколько криорадиометров сантиметрового диапазона (перспективный этап). 1919

20 В результате получим: высвобождение места на фокальной линии возможность работать в двух линейных или в двух круговых поляризациях возможность свободного выбора рабочей частоты на дециметрах с целью ухода от помех (в соответствии с результатами монито- ринга помеховой ситуации). возможность добавления новых рабочих частот в диапазонах входных блоков. возможность работать на сантиметрах с одной микрокриогенной системой (вместо трех), что снизит затраты труда и даст значи- тельный экономический эффект. принципиальную возможность охлаждения до криоуровня всего входного блока сантиметрового диапазона, что было-бы заметным шагом на пути к «идеальному радиометру». ЗАКЛЮЧЕНИЕ (продолжение) 20

21 ЗАКЛЮЧЕНИЕ (продолжение) Кластерный подход к формированию радиометрических комплексов становится все более популярным, практически единственным оставшимся радикальным способом дальнейшего роста чувстви- тельности. Кластер (матрица) моночастотных радиометров обсуждается в отдельном сообщении. На основе идеологии проекта «Октава» возможно формирование кластера многочастотных радиометров – «матрицы матриц». Особенно интересными могут быть решения для комплексов на волны 6см и короче, где криоварианты конструкции находятся в рамках практической реализуемости. Авторы благодарны Президиуму РАН, РФФИ и Дирекции САО РАН за финансовую помощь в выполнении работы. 21

22 СПАСИБО ! 22