СВЧ-приемный комплекс в обсерватории ИПА РАН «Бадары»

СВЧ - приемный комплекс
СВЧ-приемный комплекс, состоящий из пяти двухканальных приемников диапазонов длин волн 18-21 см, 13 см, 6 см, 3,5 см, 1,35 см, обеспечивает
малошумящий прием сигналов естественного и искусственного происхождения.
Блок-схема СВЧ-приемного комплекса представлена на рисунке 1.
На рисунке использованы следующие сокращения: КМ – коммутатор
сигналов промежуточных частот десяти приемников на четыре кабеля снижения, СЧВС – система частотно-временной синхронизации.
1. Принцип работы и особенности конструкции.
Приемники построены по схеме с шумовым пилот-сигналом, сочетающую
в себе возможности модуляционного приема для режима одиночного телескопа
и корреляционной обработки сигналов в режиме РСДБ сети.
Приемники каждого диапазона выполнены двухканальными – для приема
правой и левой поляризаций. Для охлаждения входных каскадов использованы
микрокриогенные системы (МКС) замкнутого цикла охлаждения водородного
уровня (15 К).
Управление режимами работы приемников, контроль параметров осуществляется дистанционно со специального управляющего компьютера.
Все приемники состоят из двух систем, каждая из которых имеет идентичные независимо управляемые усилительно-преобразовательные каналы для одновременного приема двух поляризаций. Функциональная схема СВЧ-трактов
криорадиометров дециметрового и сантиметрового диапазонов представлена на
рис. 2, на примере радиометров 13 и 3,5 см.
Рассмотрим работу приемников согласно функциональной схеме. Принимаемые облучателем антенного комплекса СВЧ-сигналы поступают по входному тракту соответствующего канала с ответвителями (для ввода калибровок
сигналов и фазового контроля) через разделитель круговых поляризаций на
усилитель. Усиленный сигнал с выхода криоблока подается по коаксиальному
кабелю на вход блока приемного термостатируемого.
Криоблок входит в состав приемников в качестве основного устройства,
реализующего функции усиления слабых СВЧ-сигналов при минимальном
уровне собственных шумов. Охлаждение элементов каждого криоблока обеспечивается соответствующей микрокриогенной системой, причем одна МКС
обеспечивает криостатирование одновременно двух криостатов. Установленные
внутри криоблока усилители гибкими хладоводами (для уменьшения вибраций)
соединены с водородной ступенью (15 К) охладителя МКС. Для снижения теплопритока охлаждаемая часть криоблока дополняется тепловым экраном, который устанавливается на первой ступени (80 К) охладителя. Будучи термически
не связанным со второй (водородной) ступенью охладителя и входом, экран
служит для отвода тепла, излучаемого внутренней поверхностью криостата на
вторую ступень охладителя.
При работе МКС полость криостата должна быть вакуумирована. Чтобы
упростить эту операцию в криоблоке установлены крионасосы, представляющие собой активированный уголь, адсорбционная способность которого резко
возрастает при азотной температуре. Поэтому откачка внешним форвакуумным
насосом производится только до достижения первой ступенью микроохладителя (МО) температуры 70 К, после чего вакуумный насос отключается и дальнейшее улучшение вакуума осуществляется за счет работы крионасоса.
Для ввода и вывода СВЧ-сигналов в вакуумируемую полость используются гермовводы.
Блок приемный термостатируемый предназначен для окончательного
усиления и преобразования СВЧ-сигнала в сигнал промежуточной частоты
(ПЧ). Основным узлом блока является усилительно-преобразовательное устройство (УПУ). В блоке осуществляется амплитудная модуляция входного сигнала
и подавление сигналов вне полосы приема. На рис.3 представлен БПТ коаксиальный (диапазоны 18 см, 13 см, 6 см, 3,5 см) и.
При работе систем в режиме радиометра с пилот-сигналом модулятор и
компенсационный генератор шума модулируются в противофазе сигналом от
внешнего генератора частоты модуляции. В радиоинтерферометрическом режиме в блок генераторов шума вводится сигнал от внешнего генератора пикосекундных импульсов (ГПИ), который используется для фазовой калибровки
системы. Амплитудная калибровка осуществляется сигналом ГШ калибровки.
Полоснопропускающий фильтр предназначен для подавления сигналов
СВЧ, лежащих вне рабочей полосы частот, и зеркальной составляющей сигнала,
образующейся при частотном преобразовании сигнала в УПУ, а также для формирования полосы приема.
Для обеспечения радиометрического режима работы радиометра на входах
каналов установлены модуляторы усиления. В качестве модулятора используются p-i-n переключатель из 2 в 1. Диоды в обоих плечах находятся в насыщенном режиме, что позволяет обеспечить стабильность коэффициента передачи
модулятора. Принцип действия модулятора основан на отражении СВЧ-энергии
от закрытого плеча переключателя. Поскольку отражение от закрытого плеча
происходит в полупериод подачи импульса ГШ, то величина коэффициента отражения (т.е. потерь) не существенна, важно лишь обеспечить стабильность
КСВ.
Усилительно-преобразовательное устройство осуществляет малошумящий
прием СВЧ-сигнала с последующим усилением, преобразованием и формированием полосы пропускания промежуточной частоты. УПУ выполнено в виде
единого модуля. Усилитель высокой частоты – трехкаскадный, смеситель собран по балансной схеме, развязка плеч сигнала и гетеродина лучше 10 дБ, коэффициент передачи не менее 40 дБ с неравномерностью не более 3 дБ.
Система термостатирования предназначена для обеспечения стабильных
характеристик СВЧ-узлов. Уровень стабилизации (255)С в диапазоне температур окружающей среды (5–40)С; точность поддержания температуры в месте
установки датчика 0,2С.
Исполнительным элементом системы термостатирования являются пять
последовательно соединенных термобатарей, работа которых основана на эффекте Пельтье. Отвод тепла от термобатарей осуществляется принудительной
конвекцией при помощи пластинчатого радиатора и блока вентилятора.
Блок генераторов шума предназначен для формирования сигналов калибровки (~1 К) и компенсации (в радиометрическом режиме). Источником импульсно-модулированного сигнала в каналах ГШ компенсации и калибровки
является полупроводниковые генераторы шума на лавинно-пролетных диодах
(ГШП) с волноводным выводом (в диапазоне 1,35 см) и с коаксиальным выводом (в остальных диапазонах). На рис.4 и 5 представлен БГШ коаксиальный
(диапазоны 18 см, 13 см, 6 см, 3,5 см) и волноводный (диапазон 1,35 см) соответственно.
Сигнал калибровки вводится в тракт ГШ компенсации через направленный ответвитель с переходным затуханием 20 дБ. Для регулировки мощности
ГШ компенсации и калибровки применены коаксиальные аттенюаторы на p-i-n
диодах.
Одним из основных факторов, определяющим качество работы приемника
в радиометрическом режиме является стабильность компенсирующего сигнала.
В блоке генераторов шума она зависит от двух элементов – собственно ГШП и
p-i-n аттенюатора. Для обеспечения долговременной временной стабильности
спектральной плотности мощности шума все СВЧ-элементы и источники опорных напряжений плат питания термостабилизируются. Причем, датчик температуры устанавливается на корпусе p-i-n аттенюатора, как наиболее термочувствительном элементе. Как показали эксперименты, ГШП менее чувствительны
к изменениям температуры, чем p-i-n диоды аттенюаторов. Конструктивно термостат блока генераторов шума не отличается от термостата блока приемного
термостатированного.
В рабочих диапазонах частот зависимость спектральной плотности мощности шума ГШП от питающего тока имеет ярко выраженный максимум, не
всегда соответствующий паспортному значению тока. Поэтому для обеспечения
стабильной работы генератора шума устанавливается ток через ГШП, соответствующий минимальной крутизне спектральной плотности мощности как функции тока питания. Неравномерность в этом случае не превышает 1,5 дБ во всей
полосе рабочих частот.
Модуляция полупроводниковых генераторов шума осуществляется по питанию. Все ГШП могут работать как в непрерывном, так и в модулированном
режиме. СВЧ-разъемы блоков изолированы от корпуса, низкочастотные соединения развязаны оптронами, центральные жилы коаксиальных соединителей
имеют разрыв по постоянному току.
Блок обеспечивает следующие основные режимы работы:
1. Независимое включение режимов работы ГШ компенсации и калибровки
(модулированный, непрерывный).
2. Введение задержки включения СВЧ-сигнала ГШ относительно включения pi-n модулятора и задержки выключения p-i-n модулятора относительно выключения сигнала ГШ.
3. Регулирование тока питания управляемого p-i-n аттенюатора, чем обеспечивается достаточная точность в режиме компенсации при хорошей стабильности. Управление платой производится внешним сигналом.
Электропитание, контроль и управление режимами работы каждой из систем (рис. 6) осуществляется при помощи следующих устройств: коробки распределительной, блока питания с блоком связи и цифровой системы управления третьего поколения G-3.
2. Приемники диапазона 13 см и 18-21 см.
В дециметровом диапазоне длин волн в криорадиометрах применены коаксиальные линии передачи, что с одной стороны несколько сложнее с точки
зрения минимизации шумовой температуры, а с другой – дает возможность
охладить большее количество СВЧ-узлов. Поэтому в дециметровом диапазоне
удалось разместить входные малошумящие усилители двух каналов в одном
криоблоке.
В приемниках предусмотрено криостатирование не только усилителей, но
и отдельных устройств входного тракта. Входной тракт криоблока представляет
собой коаксиальную сборку двухканального моста с ответвителями для ввода
сигналов от ГШ соответствующего канала. Двухканальный 90-градусный мост
выполняет функции разделителя поляризации. Криостатирование входного
транзисторного усилителя и моста с направленными ответвителями осуществляется при температуре 15–18 К. Фотография типового криоэлектронного блока
представлена на рис. 8.
3. Приемники диапазонов 6 см; 3,5 см и 1,35 см.
Приемники сантиметрового диапазона длин волн функционально аналогичны приемникам дециметрового диапазона. Входные сигнальные гермовводы
выполнены на волноводах с целью обеспечения минимальных потерь. Гермовводы для ввода сигнала ГШ и выходные сигнальные гермовводы в диапазонах 6
и 3,5 см выполнены на коаксиалах.
В диапазоне 1,35 см МШУ и тракты сигналов фазовой и амплитудной калибровок выполнены на волноводах.
Основное конструкции отличие приемников сантиметрового диапазона заключается в реализации входных трактов с разделителями поляризации. В состав каждого тракта входят: ребристо-стержневой преобразователь поляризации
и два селектора поляризации в виде H-соединения круглого и прямоугольного
волноводов. Они расположены вне криоблоков и не охлаждаются. Фотографии
криоэлектронных блоков 3,5 см и 1,35 см представлены на рисунках 9, 10. соответственно.
Основные характеристики криорадиометров
Наиболее важной характеристикой является шумовая температура. Значения шумовой температуры приемников для разных частотных диапазонов представлены в табл. 1, 2 и 3, для обсерваторий Светлое, Зеленчукская, Бадары соответственно.
Общий коэффициент усиления приемников для всех диапазонов не менее
60 дБ при неравномерности не более 3 дБ.
Параметры приемной системы обсерватории Светлое, Зеленчукская, Бадары приведены в таблице 4, 5, 6 соответственно.