The report at allrussian Astronomical conference (VAC-2001), St.Petersburg, 2001

 

Active receiver moduls of a radio telescope focal array of linear and circular polarisation

V.B.Khaikin*, M.D.Parnes**, R.G.Shifman**, V.A.Dobrov**, V.D.Korol'kov**, V.A.Volkov**, S.D.Uman**, G.N.Golubchin**, A.A.Golovkov***, D.A.Kalinikos***, M.I.Sugak***

* SAO RAS

** NPO "Svetlana"

*** St.Petersburg Electro-Technical University - LETI

 

 

Abstract.

Characteristics of active receiver moduls at 26-30 GHz with MMIC LNA for a radio telescope focal array [1] are presented. Patch and volume spiral are applied in moduls as a radiotor of linear(X/Y) and circular(L/R) palarisations. Dimensions of moduls are 9x12x65mm и 10x10x60 mm correspondently that allows us to bield multielement focal arrays of linear and circular polarisation, that allows us to widen field of view and improve integral radio telescope sensitivity.

 

Активные приемные модули фокальной решетки радиотелескопа линейной и круговой поляризации на 26-30 ГГц

В.Б.Хайкин*, М.Д.Парнес**, Р.Г.Шифман**, В.А.Добров**, В.Д.Корольков**, В.А.Волков**, С.Д.Уман**, Г.Н.Голубчин** , А.А.Головков***, Д.А.Калиникос***, М.И.Сугак***

* САО РАН

** НПО "Светлана"

***Санкт-Петербургcкий Электротехнический университет-ЛЭТИ

 

 

Приемные активные модули диапазона 26-30 ГГц в микрополосквом исполнении преднозначены для многоэлементной фокальной решетки радиотелескопа[1,2]. В качестве облучателей с диаграммой направленности 100 град (по уровню -10 дБ) примененены прямоугольный полосковый излучатель (линейная поляризация) и обьемная цилиндричекая спираль(круговая поляризация L/R), возбуждаемые несимметричной микрополосковой линией (рис1).

 

Рис.1.Излучатели круговой и линейной поляризации(вверху справа) и их ДН (вверху и внизу слева)

Основные характеристики излучателей линейной и круговой поляризации приемных модулей приведены в таблицах 1 и 2, диаграмма направленности излучателей показана на рис.1.

 

Табл 1

Диапа-зон частот,

ГГц

Коэфф. усиления излучателя,

ДБ

Расстояние между излучателями, мм

Взаимная развязка излучате-лей, дБ

Уровень

Боковых лепестков излучателя в составе решетки

ДБ

Ширина мощностной диаграммы направлен-ности по уровню –10 дБ, град

КСВН в полос

е

Прямые потери,

дБ

26-30

8

10

30

< 30

100

1.35

0.1

Табл 3

Диапазон частот,

ГГц

Ширина диаграммы направлен-ности по уровню

–10 дБ, град

Уровень боковых лепестков

ДБ

Коэффициент усиления,

ДБ

Число

витков

cпирали

Эллиптич-ность, ДБ

КСВН

Прямые потери,

дБ

26-30

100

< 25

9.4

3.5

< 1.0

1.7

0.4

Расстояние между излучателями, мм

Взаимная развязка излучателей одной поляризации, дБ

Взаимная развязка излучателей разной поляризации, дБ

Уровень паразитной поляризации,

ДБ

10

< -30

< - 36

< -25

 

В приемных модулях для прямого радиочастотного усиления использованы MMIC МШУ (FSSD) диапазона 26-30 ГГц с коэффицентом усиления G и шума NF 23 дб и 2.5 дБ соответственно[1-2]. В качестве видео детектора применены высокостабильные детекторы ММ диапазона с барьером Шоттки с нулевым смещением. Необходимая полоса принимаемых частот формируется полосковым многозвенным фильтром перед видео детектором. Полное усиление модулей по СВЧ 65-70 дБ. Шумовая температура приемных модулей линейной и круговой поляризации 280 К и 300 К соответственно. Размеры активных приемных модулей линейной и круговой поляризации 9x12x65мм и 10x10x60 мм соответственно. Модули снабжены обтекателями с низкими потерями для защиты от воздействия окружающей среды. Вид одиночных модулей и модулей в составе решетки приведен на рис.2-3, 6.

 

 

 

Рис.2. Приемный модуль линейной поляризации без крышки на 26-30 ГГц

Рис.3.Активные приемные модули линейной(справа) и круговой (слева) поляризации на 26-30 ГГц

 

Режим работы модулей "Total power". Для борьбы с нестабильностью коэффициента усиления, пораждающей аномальный шум приемника разработана схема "быстрой" коммунальной калибровки модулей в составе решетки. "Быстрая" калибровка осуществляется с периодом 10 мс, для ее обработки и редукции данных в реальном масштабе времени используется быстродействующий DSP. Схема блока калибровок приведена на рис 4.

Рис.4. Схема блока "быстрой" и радиометрической калибровки

 

С целью реализации схемы “быстрой” калибровки был разработан и изготовлен монохроматический генератор на диоде Ганна на 28 ГГц (рис. 6) с амплитудной стабильностью 2*10-6 и быстродействующий 3-х каскадный PIN- диодный модулятор с суммарной развязкой – 70 дБ (рис 6, справа).

Табл 4

Полоса, ГГц

Спектральная плотность мощности шума (СПМШ), дБ*kTo

Изменение СПМШ в полосе, дБ

Температурная стабильность,

дБ/град С

Собственная долговременная нестабильность, дБ

26-40

17

+- 1

0.01

0.05

 

 Рис.5. СПМШ генератора шума в полосе

 

Для радиометрической калибровки приемных каналов решетки применен высокостабильный генератор шума(ГШ) на кремниевом IMPAT диоде(рис 6).

Спектральная плотность мощности шума (СПМШ) ГШ измерена относительно азотной нагрузки (рис.5). Основные характеристики калибровочного ГШ приведены в табл.4.

Рис.6.Приемная решетка из 4-х модулей в корпусе(внизу слева), высокостабильный генератор на диоде Ганна c PIN-диодным модулятором для реализации режима "быстрой" калибровки (внизу справа), высокостабильный ГШ на ИМПАТ диоде (вверху).

 

Размеры активных модулей линейной и круговой поляризации 9x12x65мм и 10x10x60 соответственно. Модули снабжены обтекателями с низкими потерями для защиты от воздействия окружающей среды.

 

На рис.7. приведены 15 минутные записи шум дорожек 3-каналов приемной решетки, направленной в небо, записи получены в разные дни в различных погодных условиях. Для записи данных в данном эксперименте использовалась многоканальная система сбора на ADSP[3].

На рис.8. приведены их спектры шумов. Как и следовало ожидать в режиме “Total power” на частотах 10-15 Гц наблюдается резкий подьем амплитуды спектра, вызванный аномальным(фликер) шумом усилителей.

  

Рис 7. Шум дорожки 3-каналов приемной решетки, записанные в разные дни в различных погодных условиях (а), пример моделирования шумовой дорожки с нормальным шумом при заданном отношении cигнал/шум и аномальным шумом заданной частоты, амплитуды и формы до (внизу) и после (вверху) коррекции аномального шума с помощью “быстрой” калибровки(б). Тонкая(красная) линия - результат обработки быстрой калибровки.

 

Рис.8.Мощностные спектры шумовых дорожек 3-х модулей

 

На рис. 7 внизу приведен пример моделирования шумовой дорожки с нормальным шумом при заданном отношении cигнал/шум и аномальным шумом заданной частоты, амплитуды и формы до и после коррекции аномального шума с помощью “быстрой” калибровки(б). Тонкая(красная) линия - результат обработки быстрой калибровки.

В настоящее время ведутся лабораторные испытания схемы “быстрой” калибровки активных модулей приемной решетки.

Использование многоэлементных активных фокальных решеток целесообразно для повышения поля зрения или интегральной чувствительности радиотелескопа в обзорных задачах и задачах мониторинга пекулярных обьектов (проект Генетический код Вселенной, проект MSRT и др.)

Работа финансировалась из средств проекта Интеграции N578, проекта MSRT и программы "Астрономия". 

 

Литература

1.V.Khaikin,E.Majorova.Yu.Parijskij, M.Parnes, R.Shifman, V.Dobrov, V.Volkov, and S.Uman. 7x8 Element MMIC Array at 26-30 GHz for Radio Astronomy Applications.In Proceed. of International Conference "Perspective on Radio Astronomy: "Technologies for Large Antenna Arrays", The Netherlands, April 1999, pp.171-182.

2.V.Khaikin, M.Parnes, R.Shifman, V.Dobrov, V.Volkov, V.Korol'kov and S.Uman. Multi-element MMIC array technologies for a radio telescope. Astronomy & Astrophysics Transactions, 2000, v.19, N3-4, pp.596-611.

3.N.A.Esepkina, S.K.Kruglov et al. Data Aqcuisition with DSP for multi-channel receiver system. Astronomy & Astrophysics Transactions,2000, v.19, N3-4.