About an active phased array for long time tracking of cosmic sources at RATAN-600 radio telescope

Some ways to reduce the number of phased array ellements (subaperture approach) and grating lobe level are considered. Practical designs of phased array for RATAN-600 with feeds of linear and circular polarization are offered. Simulated beam patterns of RATAN-600 with a phase array are presented.

Антенная система "Юг+Плоский" радиотелескопа РАТАН-600 принципиально позволяет сопровождать космические источники при движении облучателя по дуговому рельсовому пути [1]. Трудности реализации режима длительного сопровождения космических источников на антенной системе "Юг+Плоский" РАТАН-600 c главным зеркалом в форме параболического циллиндра ("бегущая парабола") вызвали поиск путей реализации длительного сопровождения на РАТАН-600 с неподвижным главным зеркалом. Линейная ФАР для компенсации сферической аберрации главного зеркала в фокусе РАТАН-600 была предложена Н.Л.Кайдановским в 1978 г[2]. Ранее был разработано корректирующее зеркало двойной кривизны [3], а в последние годы предложен способ корректировки сферической аберрации с помощью перископа (режим Радио-Шмидт телескоп) [4-5].

Быстрое развитие в последние годы технологий изготовления полосковых СВЧ фазовращателей и линий задержки(ЛЗ) и MMIC СВЧ усилителей, а также появление керамически наполненных диэлектрических материалов с низкими потерями в СВЧ диапазоне делает возможным построение большой активной ФАР с технологичными полосковыми излучателями для реализации режима длительного сопровождения на РАТАН-600. 32-элементная ФАР для реализации многолучевого режима работы разрабатывалась на РАТАН-600 в начале 90-х в волноводном исполнении[6]. В настоящее время ФАР в полосковом исполнении с более чем 2500 активными элементами разрабатывается для LAR (Large Adaptive Reflector) в Канаде[7].

Разность хода волн вдоль фокальной линии РАТАН-600 и ее компенсация

Волна, отраженная от главного зеркала РАТАН-600 в форме кругового циллиндра под углом d (рис 1) фокусируется в точке фокальной линии с координатой y [2] :

y = R*[tg 2*d (cos d -b) – sin d ],

где константа b=0.5+a/R и имеет разность хода D относительно осевого луча:

D =R*[cos d -2 +b +(cos d - b)/cos d ]

Соответствующая зависимость D =f(y) приведена на рис.2 и значения D даны в табл.1. Компенсацция разности хода D (y) вдоль фокальной линии позволяет сфазировать волны и собрать энергию, размазанную по фокальной линии. Компенсировать D можно с помошью линейной ФАР c фиксированными линями задержки (FDL). Необходимое время задержки вдоль фокальной линии при максимально допустимой апертуре (180 м) 0-10 нс. В случае отличия дугового фокального пути от оптимального (R/2) возникает дополнительная разность хода D 1(b , y) (рис.3). На рис.4 построена зависимость D 1(b , y), где b - азимут вторичного зеркала, значения D 1 даны в табл 2 в см.

Рис.1.Фокусировка волн, отраженных перископом и главным зеркалом на фокальной линии. ММ-главное зеркало РАТАН-600, P- перископ, SM - вторичное зеркало, AW - дуговой путь, PA- фазированная решетка на фокальной линии, F- фокальное расстояние вторичного зеркала, f- фокальное расстояние главного зеркала (расстояние от центра до мнимого фокуса), R-радиус главного зеркала в форме циллиндра, a-сдвиг мнимой фокальной линии относительно параксиального фокуса(f=R/2), y- координата вдоль фокальной линии.

Рис. 1. Зависимости разности хода D (d ) и координаты y(d ) от угла отражения от главного зеркала

Рис.3.Геометрия оптимального (OAW) и реального (RAW) дугового пути, b - азимут вторичного зеркала

Для компенсации D 1(b , y) необходима переменная линия задержки (VDL) с временем задерржки 0-3 нс при времени сопровождения +-1 ч от меридиана. Построение ФАР с VDL существенно усложняет задачу, так как требует постоянной перестройки времен задержек ЛЗ в процессе сопровождения.

Альтернативой может стать восстановление дугового рельсового пути с радиусом R/2(144 м), предусмотренного проектом РАТАН-600. Нынешний дуговой путь

имеет радиус кривизны 156 м и требует компенсации разности хода около 1 м как это видно из рис.4. При использовании субапертурного (субрешеточного) подхода число VDL может быть существенно сокращено.

Применение только фиксированных ЛЗ (FDL) хотя и существенно упрощает задачу, но не позволяет воспользоваться таким преимусществом ФАР как возможность электронного сканирования и адаптивного формирования ДН.

Рис.4.Зависимость разности хода D 1(b , y)

                    Частотный диапазон и число элементов ФАР
 

Оптимальный частотный диапазон ФАР для РАТАН-600 1-5 ГГц в перспективе может быть достигнут при использовании излучателей типа Вивальди и широкополосных ЛЗ. Частотный диапазон ФАР с другими полосковыми излучателями и обычными ЛЗ может быть не более 20% и центральная частота 5-6 ГГц является предпочтительной по астрофизическим задачам (мониторинг Солнца, пульсаров и других быстропеременных космических источников).

Оптимальным с точки зрения допустимого уровня решеточных лепестков, возможностей электронного сканирования ДН, размера полосковых излучателей и их взаимной связи является разнесение излучателей на d? l п/2 (l п -длина волны в подложке). Применение материалов диэлектрической подложки с e 3 позволяет в ? e уменьшить размер излучателя и снизить взаимное влияние излучателей при том же разносе. Число элементов N (излучателей и ЛЗ) ФАР существенно зависит от ее длины и размера действующей апертуры и для апертуры с горизонтальным размером более 100 м N50 на волне 6 см.

Разделив всю апертуру на малые части(субапертуры) можно управлять фазой субрешеток вместо фазы индивидуальных элементов ФАР. В нашем случае целесообразно разбить сектор РАТАН-600 на 10-15 субапертур. Все элементы субрешетки имеют фиксированную задержку в зависимости от координаты y и каждая субрешетка - одну переменную ЛЗ(рис.5). Субапертурный подход на порядок сокращает число необходимых VDL, но уменьшает возможности адаптивного формирования и электронного сканирования ДН РАТАН-600 с ФАР.

Рис.5. ФАР с подрешетками для реализации субапертурного подхода. FDL и VDL показаны зеленым и желтым цветом соответственно.

Субапертурный подход может быть использован для расширения поля зрения РАТАН-600 до ДН одного щита, что особенно интересно в режиме "Зенит".