Приборы и техника эксперимента, 2023, № 3, стр. 98-107

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наиболее современным инструментом для оперативного определения параметров вращения Земли и решения важнейших глобальных геодезических и геофизических задач является глобальная радиоинтерферометрическая сеть VGOS (VLBI Global Observing System) [1]. Точность определения параметров вращения Земли в значительной степени определяется точностью измерения задержки прихода сигнала космического радиоисточника на удаленные радиотелескопы, которая существенно зависит от ширины полос принимаемых сигналов и их расположения. В ходе развития технологии приема сигнала с использованием радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) сформировалось два основных вида приемных систем, обеспечивающих либо многодиапазонный прием сигналов в нескольких частотных каналах, либо широкополосный прием сигналов в непрерывной полосе частот.

Радиоинтерферометр нового поколения на основе радиотелескопов РТ-13 комплекса “Квазар-КВОˮ оснащается двумя типами приемных систем – либо трехдиапазонной, либо широкополосной – для возможности проведения совместных наблюдений с разными обсерваториями сети VGOS [2]. Главной особенностью трехдиапазонной приемной системы является возможность одновременного приема шумовых сигналов от космических источников в трех диапазонах частот: S (2.2–2.6 ГГц), X (7.0–9.5 ГГц) и Ка (28–34 ГГц) – в обеих круговых поляризациях [2]. Отличительной особенностью широкополосной системы является возможность обеспечить работу радиотелескопов РТ-13 в непрерывном диапазоне частот 3–16 ГГц, принимая сигналы двух ортогональных линейных поляризаций.

В данной статье представлены результаты разработки широкополосной приемной системы (ШПС), описаны основные принципы ее работы и результаты измерений, полученные в процессе опытной эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ШПС И ОСОБЕННОСТИ ЕЕ КОНСТРУКЦИИ

Выбор частотного диапазона широкополосной приемной системы был достаточно подробно описан в работе [4], поэтому в данной статье уделим больше внимания описанию принципов работы ШПС. На рис. 1 показана функциональная схема ШПС, а на рис. 2 приведены блок-схема и внешний вид одного из основных узлов системы − широкополосного криогенного приемного фокального блока (ШКПФБ).

Рис. 1.

Функциональная схема широкополосной приемной системы радиотелескопа РТ-13 РСДБ-комплекса “Квазар-КВОˮ. ШКПФБ – широкополосный криогенный приемный фокальный блок; ШБГШ – широкополосный блок генератора шума; БД – блок делителей; ШБПЧ – широкополосный блок преобразователей частоты; ГПИ – генератор пикосекундных импульсов фазовой калибровки; СЧВС – система частотно-временной синхронизации; СПС – система преобразования сигналов; VLP и HLP – вертикальная и горизонтальная линейные поляризации; T_cal и P_cal – сигналы амплитудной и фазовой калибровок.

Рис. 2.

Широкополосный криогенный приемный фокальный блок: а – функциональная схема блока; б – внешний вид блока без криостата. 1 – вакуумное окно, 2 – облучатель, 3 – криостат, 4 – охлаждаемые малошумящие усилители, 5 – направленный ответвитель, 6 – азотный экран, 7 – микроохладитель, 8 – первая ступень микроохладителя, 9 –тепловая развязка СВЧ-кабелей, 10 – вторая ступень микроохладителя, 11 – вакуумный вентиль, 12 – вакуумный датчик.

Электромагнитное излучение от космического источника, сфокусированное антенной, через радиопрозрачное вакуумное окно 1 попадает на широкополосный облучатель 2, расположенный внутри криостата 3 ШКПФБ (см. рис. 2). Широкополосный облучатель [5] представляет собой четырехгребневый рупор, способный работать в диапазоне 3–16 ГГц и принимать две линейные ортогональные поляризации. Усиление сигналов, разделенных по поляризациям, обеспечивается охлаждаемыми малошумящими усилителями 4. В каждом из каналов, соответствующих вертикальной и горизонтальной поляризациям, перед усилителями установлены направленные ответвители 5, с помощью которых принимаемые сигналы смешиваются с сигналами амплитудной (T_cal) и фазовой (P_cal) калибровок, поступающими в тракт от широкополосного блока генератора шума (ШБГШ) [6].

В ШКПФБ применены корпусированные широкополосные усилители LNF-LNC4_16C производства фирмы Low Noise Factory. Они построены на основе транзисторных гетероструктур с высокой подвижностью электронов (InP HEMT) по технологии МИС (монолитная интегральная схема). Их шумовая температура не превышает 10 K во всем диапазоне частот 3–16 ГГц [7].

Размещение облучателя внутри ШКПФБ и охлаждение его до криогенных температур значительно снижают собственные шумы системы. Однако установка облучателя в металлический корпус криостата требует применения радиопрозрачного укрытия с минимальным поглощением электромагнитных сигналов во всей полосе принимаемых частот. Применяемое в ШКПФБ вакуумное окно куполообразной формы выполнено из пенополистирола, покрытого двумя слоями пленок с разными характеристиками: лавсановой (полиэтилентерефталат) толщиной 0.02 мм, укрытой тефлоновой (ПТФЭ) толщиной 0.1 мм. Такое окно позволяет выдерживать давление атмосферы при величине остаточного давления 10⁻⁷ Па в полости криостата. Для снижения нагрева тепловым излучением все элементы ШКПФБ (см. рис. 2а) укрыты азотным экраном 6, а со стороны облучателя теплоперехват обеспечивает инфракрасный фильтр, представляющий собой многослойную конструкцию из тефлоновых пленок толщиной 0.1 и 0.2 мм.

Для криостатирования облучателя и малошумящих усилителей применяется двухступенчатый микроохладитель RDK-408S (7) с уровнем охлаждения 10 K на второй ступени, входящий в состав гелиевой микрокриогенной системы с воздушным охлаждением производства SHI Cryogenics. Ее работа основана на замкнутом газовом цикле Джиффорда−МакМагона. Основные рабочие характеристики для микроохладителя: хладопроизводительность на 2-й ступени 5.4 Вт при 10 K, 35 Вт при 45 K на 1-й ступени, минимальная температура криостатирования 7 K.

На первой ступени микроохладителя 8 размещены азотный экран 6 и тепловая развязка СВЧ-кабелей 9, на второй ступени микроохладителя 10 расположены малошумящие усилители, облучатель и направленные ответвители. Вакуумирование полости криостата обеспечивается двухступенчатым вакуумным насосом Value VRD-16 через вакуумный вентиль 11. Остаточное давление составляет 4 ⋅ 10⁻² Па. Измерение давления в полости криостата осуществляется при помощи вакуумного датчика Пирани 12.

Температура 1-й ступени стабилизируется на уровне не выше 40 K, температура облучателя – не выше 20 K, температура малошумящих усилителей – не выше 15 K. График выхода ШКПФБ на криогенный режим показан на рис. 3. Время выхода ШКПФБ на криогенный режим составило менее 3 ч от запуска вакуумного насоса до стабилизации температуры на основных узлах ШКПФБ. Измерения проводились с помощью диодных датчиков температуры DT-670 производства Lake Shore в соответствующих точках.

Рис. 3.

График выхода широкополосного криогенного приемного фокального блока на криогенный режим: 1 – температура 1-й ступени, 2 – температура облучателя, 3 – температура малошумящих усилителей.

Коэффициент усиления ШКПФБ составляет около 38 дБ с неравномерностью не более ±2 дБ в диапазоне 3–16 ГГц (рис. 4, кривая 1). Шумовая температура ШКПФБ в диапазоне 3–16 ГГц изменяется от 21 K на нижних частотах до 37 K на верхних (рис. 4, кривая 2). Основной вклад в увеличение шумовой температуры ШКПФБ вносят элементы, расположенные перед охлаждаемыми малошумящими усилителями, такие как ответвитель, облучатель, соединяющие их отрезки коаксиального кабеля, а также вакуумное окно и инфракрасный фильтр. Имея небольшие собственные потери, они дают существенный прирост эквивалентной шумовой температуры, приведенной к входу элемента, установленного за ними. Например, для частоты 9.5 ГГц собственные шумы охлаждаемого малошумящего усилителя, пересчитанные на вход через ослабление всех элементов, установленных перед ним, увеличатся почти на 3 K. Охлажденный ответвитель с подключенными к нему кабелями имеет вклад в шумовую температуру около 3.4 K. Охлажденный до 20 K облучатель имеет шумовую температуру 2.5 K, а вакуумное окно, находящееся при комнатной температуре, добавляет еще около 3.5 K. Инфракрасный фильтр выполнен из радиопрозрачного материала и имеет очень малую толщину (0.2 мм), соответственно потери сигнала оцениваются в сотые доли децибела. Находясь при температуре порядка 80 K, инфракрасный фильтр вносит несущественный вклад (порядка 0.5 K) в общую шумовую температуру ШКПФБ. Таким образом, для приведенной частоты расчетное значение шумовой температуры ШКПФБ равно 20.4 K при шумовой температуре охлаждаемого малошумящего усилителя 8 K. С ростом частоты потери в диэлектрике возрастают, что обусловливает тренд на увеличение шумовой температуры. Точка 1-дБ компрессии по входу (уровень входной мощности, при котором коэффициент усиления уменьшается на 1 дБ от своего постоянного значения) для ШКПФБ составляет –52 дБм.

Рис. 4.

Зависимость коэффициента усиления (1) и шумовой температуры (2) от частоты для широкополосного криогенного приемного фокального блока.

С выхода ШКПФБ сигналы, соответствующие вертикальной и горизонтальной поляризациям, поступают на блоки делителей (БД), где разделяются на четыре равных сигнала (см. рис. 1). Коэффициент передачи БД составляет 5 дБ. Затем сигналы, соответствующие вертикальной и горизонтальной поляризациям, попарно поступают на входы четырех широкополосных блоков преобразователей частоты (ШБПЧ). Функциональная схема блока представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Функциональная схема широкополосного блока преобразователей частоты. МШУ – малошумящий усилитель; ППФ – полосно-пропускающий фильтр; Г – гетеродин; VLP и HLP – вертикальная и горизонтальная линейные поляризации.

В ШБПЧ осуществляются усиление, фильтрация и двойное преобразование частоты сигналов обеих поляризаций. В каждом ШБПЧ из диапазона 3–16 ГГц входного СВЧ-сигнала выбирается участок полосы частот шириной 2 ГГц (поддиапазон), который преобразуется к промежуточной полосе частот (ПЧ) 0–2 ГГц. При этом первое преобразование в полосу ПЧ₁ осуществляется с помощью перестраиваемого в полосе 27–38 ГГц гетеродина Г₁. Полосно-пропускающий фильтр (ППФ, 22–24 ГГц) задает рабочую полосу и подавляет зеркальный канал, расположенный достаточно далеко. Второе преобразование осуществляется на фиксированной частоте 22 ГГц гетеродина Г₂ и обеспечивает преобразование в необходимую полосу ПЧ₂ 0–2 ГГц (см. рис. 6).

Рис. 6.

Частотные преобразования широкополосного блока преобразователей частоты. Г₁ – перестраиваемый гетеродин 27–38 ГГц; Г₂ – фиксированный гетеродин 22 ГГц; ППФ – полосно-пропускающий фильтр 22–24 ГГц; ПЧ₁ и ПЧ₂ – промежуточная частота после первого и второго преобразования соответственно; ЗК – зеркальный канал.

Коэффициент усиления ШБПЧ составляет не менее 45 дБ во всей полосе входных частот 3–16 ГГц (рис. 7). Точка 1-дБ компрессии по выходу ШБПЧ составляет 13 дБм. Для увеличения динамического диапазона в ШБПЧ предусмотрена регулировка коэффициента усиления с помощью аттенюатора в диапазоне 0−31 дБ с шагом 1 дБ. Зеркальный канал и комбинационные составляющие ослабляются более чем на 35 дБ. Шумовая температура ШБПЧ не превышает 2000 K (во всем рабочем диапазоне входных частот 3–16 ГГц), что, с учетом коэффициентов усиления ШКПФБ (38 дБ) и БД (5 дБ), дает вклад не более 0.1 K в шумовую температуру ШПС. Среднеквадратичное отклонение вносимых фазовых шумов ШБПЧ в диапазоне отстроек 10 Гц–10 МГц не превышает 2.5°, что даст снижение отношения сигнал/шум корреляционного отклика радиоинтерферометра не более 0.1%.

Рис. 7.

Зависимость коэффициента усиления и шумовой температуры от частоты для широкополосного блока преобразователей частоты (для полосы входных частот 8–10 ГГц).

Широкополосный блок генератора шума обеспечивает формирование сигналов амплитудной и фазовой калибровок в полосе частот 3–16 ГГц. Источником амплитудного калибровочного сигнала служит генератор шума на лавинно-пролетном диоде М41318 производства НПП “Истокˮ. В тракте ШБГШ размещен направленный ответвитель, через который происходит ввод внешнего сигнала фазовой калибровки от генератора пикосекундных импульсов (ГПИ). Амплитуды сигналов фазовой и амплитудной калибровок регулируются цифровыми 5-разрядными аттенюаторами. С помощью широкополосного резистивного делителя сигнал разделяется на два идентичных канала, соответственно для обеспечения калибровки VLP и HLP канала ШПС. Спектральная плотность мощности шума сигнала амплитудной калибровки составляет не менее 7000 K, что, с учетом переходного ослабления направленного ответвителя (20 дБ), обеспечивает уровень калибровочного сигнала не менее 70 K на входе ШКПФБ (при нулевом ослаблении аттенюатора).

Синхронизация гетеродинов приемных каналов осуществляется от системы частотно-временной синхронизации (СЧВС) РСДБ-радиотелескопа. На выходе ШПС имеет 8 сигналов ПЧ – по четыре для горизонтальной и вертикальной линейных поляризаций (см. рис. 1). Эти сигналы поступают на систему преобразования сигналов (СПС) [8] для последующей регистрации. Основные параметры широкополосной приемной системы РТ-13 приведены в табл. 1.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Центральным элементом системы управления и электропитания является концентратор Ethernet. Он объединяет все блоки ШПС в единое информационное пространство, объединенное с локальной вычислительной сетью радиотелескопа РТ‑13. Управление ШПС и контроль параметров ее работы осуществляются с помощью специального программного обеспечения, расположенного на центральном компьютере управления РТ‑13.

Блок питания обеспечивает ШБПЧ и ШБГШ первичным питающим напряжением +24 В, а также выполняет ряд функций управления и диагностики. Каждый выход для питания может быть включен или выключен независимо от остальных. По каждому выходу ведется контроль тока потребления. Блок питания имеет дополнительный интерфейс для обмена данными с промышленным измерителем вакуума. Кроме того, блок питания осуществляет контроль температуры и влажности воздуха в полости ШПС с помощью внешнего датчика, а также управление вакуумным клапаном.

Блок питания входных усилителей осуществляет питание блоков делителей и охлаждаемых малошумящих усилителей, расположенных в ШКПФБ. Также блок питания входных усилителей осуществляет контроль температур ключевых узлов ШКПФБ: облучателя, малошумящих усилителей и первой ступени микроохладителя.

Управление и питание блоков обеспечивается платами системы управления и электропитания, расположенными в каждом блоке. Платы имеют интерфейс Ethernet и ряд источников питания для обеспечения работы блоков. Например, изменение частоты гетеродина в ШБПЧ осуществляется путем обмена данными между платой и гетеродином по интерфейсу SPI. Также в блоках расположены датчики для контроля температуры основных СВЧ-узлов.

Для упорядочивания обмена данными между устройствами ШПС и центральным компьютером управления РТ-13 разработан протокол обмена данными. Аппаратная идентификация устройств осуществляется средствами контроллеров Ethernet автоматически по MAC-адресам с помощью протокола ARP. Обмен информацией между устройствами осуществляется по протоколу UDP пользовательской надстройкой, обеспечивающей гарантированную доставку сообщений с контролем их целостности. На программном уровне устройства идентифицируются по их уникальным IP-адресам.

Для управления ШПС и контроля работы ее узлов используется программа управления ШПС. Она написана на языке Python 2.7 с использованием библиотеки для создания графических интерфейсов TkInter.

Программа имеет интуитивно понятный графический интерфейс (см. рис. 8). Каждая вкладка элемента notebook соответствует блоку ШПС. С помощью кнопок и полей ввода оператор может передавать команды блокам ШПС и изменять такие их настройки, как частота гетеродина, ослабление аттенюаторов и т.п. Ответные сообщения блоков расшифровываются и выводятся на экран в виде индикаторов, сообщающих состояние узлов блоков ШПС и измеренные датчиками значения различных параметров. Для удобства оператора введена простая система цветовой маркировки индикаторов, которая помогает быстро обнаруживать отказы узлов и выход параметров работы за пределы допустимых значений.

Рис. 8.

Окно программы управления широкополосной приемной системы.

Наличие в составе системы управления и электропитания большого количества разнообразных датчиков, контролирующих параметры работы узлов ШПС, обусловливает ее широкие возможности по диагностике неисправностей.

Одной из наиболее распространенных неисправностей, возникающих в радиоэлектронной аппаратуре, является обрыв, возникающий в цепях вследствие той или иной причины. Следствием обрыва в одном из элементов узла является уменьшение потребления тока этим узлом. В системе управления и электропитания широко используются датчики тока. Они определяют как потребление тока блоками ШПС в целом, так и потребление отдельных узлов этих блоков. Благодаря этому можно установить не только неисправный блок, но и какой узел неисправен в пределах одного блока.

ШПС предполагается использовать в обсерваториях РСДБ-сети “Квазар-КВОˮ, разнесенных друг от друга на расстояния в тысячи километров. Исходя из этого, важным условием является возможность дистанционного контроля параметров и диагностики неисправностей ШПС, в том числе с использованием сети Internet. Это позволяет сэкономить значительные финансовые и временные ресурсы, которые специалисты затратили бы при необходимости непосредственной диагностики аппаратуры.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ШПС НА РАДИОТЕЛЕСКОПЕ РТ-13

ШПС была установлена и испытана на радиотелескопе РТ-13 обсерватории “Светлоеˮ. Измерены параметры РТ-13 c ШПС в диапазоне 3−16 ГГц путем перестройки гетеродина с шагом 1 ГГц, ширина полосы выходных частот – 2 ГГц. Первая точка соответствует полосе 3–5 ГГц, а последняя – 14–16 ГГц, на графиках результатов измерений приведены центральные частоты полос. Шумовая температура Т_пр ШПС и сигнал амплитудной калибровки Т_cal были измерены по методу двух отсчетов [9]. В качестве “холоднойˮ нагрузки использовалась антенная система установленного в зенит радиотелескопа, а в качестве “теплойˮ – радиопоглощающий материал, помещенный на поверхность вакуумного окна криостата ШПС. Температура радиопоглощающего материала контролировалась с помощью пирометра. Шумовая температура антенны T_а РТ-13 в зените рассчитывалась по методике, приведенной в работе [10], как интеграл по сфере от произведения расчетной нормированной диаграммы направленности антенны и яркостных температур грунта и неба на основе метеоданных (температура, влажность, давление). Шумовая температура системы радиотелескопа T_сист = Т_пр + Т_а на заданном угле места РТ-13 определялась по измеренному значению калибровки Т_cal. На рис. 9 представлены расчет T_a в зените (график 5), результаты измерений шумовой температуры Т_пр ШПС для каналов горизонтальной HLP (график 1) и вертикальной VLP (график 2) поляризаций, результаты измерений шумовой температуры системы T_сист для каналов HLP и VLP (графики 3 и 4) в зените. Шумовая температура Т_пр в большей части диапазона 5–14 ГГц не превышает 27 K, а в диапазоне 3–16 ГГц − 37 K. Шумовая температура T_сист в диапазоне 5–14 ГГц не превышает 40 K, а в диапазоне 3–16 ГГц – 54 K.

Рис. 9.

Результаты измерений шумовой температуры РТ-13 с широкополосной приемной системой (зенит): 1 – Т_пр, HLP; 2 – Т_пр, VLP; 3 – Т_сист, HLP; 4 – Т_сист, VLP; 5 – расчет Т_а. HLP и VLP – каналы горизонтальной и вертикальной линейных поляризаций.

Эквивалентная плотность потока системы (SEFD) и коэффициент использования поверхности антенны (КИП) определялись по сигналу радиоисточника CasA, согласно формулам, приведенным в работе [11]. Результаты измерений представлены на рис. 10 и 11. SEFD РТ-13 с ШПС (см. рис. 10) в большей части диапазона 5–14 ГГц не превышает 1700 Ян, а в диапазоне 3–16 ГГц – 2100 Ян. КИП РТ-13 с ШПС (см. рис. 11) составляет 0.5–0.7 (ниже, чем с трехдиапазонной приемной системой (0.7–0.8), [11]), что связано с особенностями широкополосного облучателя. Данные расчета КИП 13-метрового радиотелескопа с аналогичным облучателем, Quad-Ridged Horn (QRFH), приведенные в работе [12], представлены графиком 3 на рис. 11. Как видно из рисунка, КИП соответствует расчетному. Это свидетельствует о достоверности независимых измерений шумовых температур и SEFD радиотелескопа, из которых рассчитывается КИП. Ширина диаграммы направленности РТ-13 соответствует расчетной и меняется от 22' до 5' при изменении центральной частоты с 3.5 до 15.5 ГГц.

Рис. 10.

Результаты измерений системной эквивалентной плотности потока РТ-13 с широкополосной приемной системой по источнику CasA (угол места 55°): 1 – HLP; 2 – VLP. HLP и VLP – каналы горизонтальной и вертикальной линейных поляризаций.

Рис. 11.

Результаты измерений коэффициента использования поверхности антенны РТ-13 с широкополосной приемной системой по источнику CasA (угол места 55°): 1 – HLP; 2 – VLP; 3 – расчет Оnsala. HLP и VLP – каналы горизонтальной и вертикальной линейных поляризаций.

Стоит отметить, что добиться предельных параметров во всем широком диапазоне частот приемной системы крайне сложно. Неблагоприятная помеховая обстановка, а также конструктивные особенности широкополосной приемной системы приводят к ухудшению параметров на краях рабочего диапазона частот. В табл. 2 обобщены данные измерений параметров РТ-13 c широкополосной приемной системой для полос 5–14 и 3−16 ГГц. Набор параметров для полосы 5−14 ГГц характеризует качество приемной системы, а для полосы 3–16 ГГц позволяет оценить ухудшение параметров при переходе к более широкой полосе, обусловленное конструктивными и технологическими трудностями работы в широкой полосе частот.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ИПА РАН разработана, изготовлена и испытана широкополосная приемная система, способная осуществлять прием сигналов от космических источников в двух ортогональных линейных поляризациях в диапазоне частот 3–16 ГГц с шириной полосы выходных частот 2 ГГц. В 2020 году ШПС была установлена на радиотелескоп РТ-13 в обсерватории “Светлоеˮ. Возможность работы ШПС в поддиапазонах шириной 2 ГГц в пределах входной полосы удобна для оценки характеристик антенной системы РТ-13 и исследования излучения космических радиоисточников.

В обсерватории “Светлоеˮ проведены радиометрические измерения параметров широкополосной приемной системы в составе радиотелескопа РТ-13 во всем рабочем диапазоне частот 3–16 ГГц. Шумовая температура приемной системы в большей части диапазона 5–14 ГГц не превышает 27 K, а SEFD радиотелескопа РТ-13 с приемной системой – 1700 Ян. На краях диапазона 3–16 ГГц параметры ухудшаются до 37 K и 2100 Ян соответственно.

Полученные результаты позволяют говорить о возможности проведения успешных радиоинтерферометрических наблюдений на радиотелескопах РТ-13 в составе РСДБ-комплекса “Квазар-КВОˮ в диапазоне частот 3–16 ГГц.