Высокочувствительный радиоспектрометр для наблюдений мазерных линий космических источников на РТ-22 с высоким частотным разрешением

January 9, 2013 by admin Комментировать »

Зубрин С. Ю., Антюфеев А. В., Королев А. М., Мышенко В. В.. Мышенко А. В.,

Подъячий В. И., Шульга В. М. Радиоастрономический институт Национальной Академии наук Украины ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, ГСП, 61002, Украина тел.: 8-057-7203563, e-mail: zubrin@rian.kharkov.ua

Аннотация – В широком диапазоне частот от 85 до 115 ГГц создан криогенный высокочувствительный радиоспектрометр для наблюдений мазерных линий космических источников на РТ-22 с высоким частотным разрешением. Приведены результаты наблюдений космических мазеров.

I.                                       Введение

Космические мазеры исследуются в широком диапазоне частот – от единиц до сотен ГГц [1]. Для ИХ наблюдения необходима приемная аппаратура с ВЫСОКОЙ чувствительностью и высоким спектральным разрешением. Нами создан широкополосный радиоспектрометр 3-мм диапазона (85… 115 ГГц) для наблюдении мазеров на радиотелескопе РТ- 22 КрАО.

II.                               Основная часть

Радиоспектрометр для наблюдения космических ИСТОЧНИКОВ мазерного излучения в 3-мм диапазоне ДЛИН ВОЛН на РТ-22 создан на основе разработанных В РИ НАНУ высокочувствительного криогенного су- пергетеродинного приемника и двух спектроанализаторов (фильтровый И Фурье-спектроанализатор) высокого разрешения.

Структурная схема комплекса приведена на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема радиоспектрометра. Fig. 1. Microwave spectrometer blocl< diagram

Чувствительность приемника определяется, в первую очередь, характеристиками смесительного элемента и входных цепей. В описываемом приемнике облучатель антенны выполнен в виде гладкого конического рупора, конструктивно разделенного на несколько секций. Секции с малым поперечным сечением непосредственно связаны с охлаждаемыми элементами приемника. Тепловая развязка осуществляется на секции, выполненной из нержавеющей стали (толщина стенки 0,2 мм), и имеющей внутренний диаметр более 10 мм. При длине входного тракта – облучателя около 70 см потери в нем не превышали 0,2 дБ.

В качестве смесительного элемента использовался бескорпусной GaAs диод с барьером Шоттки СОТОВОЙ структуры. Электродинамическая система смесителя разрабатывалась на базе волновода пониженного поперечного сечения (до 0,6мм) с целью обеспечения широкополосности смесительной камеры. Мощность гетеродина подводилась к смесителю через диплексер, отличительными особенностями которого ЯВЛЯЮТСЯ малая длина волновода сигнального тракта и наличие высокодобротного проходного резонатора, «чистящего» спектр гетеродина. В качестве гетеродина использовался синтезатор частоты

3  мм диапазона, выходным генератором которого была лампа обратной волны типа ОВ-71.

Охлаждаемый предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ) собственного изготовления на 2-х РНЕМТ-транзисторах фирмы Agilent обеспечивал усиление более 20дБ и собственную шумовую температуру Тш<2К при охлаждении до 20К [2]. Подключение смесителя к ПУПЧу выполнено при ПОМОЩИ трансформатора импедансов без использования вентиля, что способствует снижению общей шумовой температуры приемника. Расположенные В криоблоке элементы приемной системы (диплексер, смеситель, предварительный усилитель промежуточной частоты) охлаждались до 20К при ПОМОЩИ микрокриогенной системы замкнутого цикла типа НВК-3,2А-Р. Тш°^^, измеренная со входа облучателя В лабораторных условиях, была не хуже 70К В диапазоне, что сравнимо с чувствительностью приемников с SIS смесителями.

Неохлаждаемая часть радиоспектрометра предназначена ДЛЯ усиления принятого сигнала на промежуточной частоте и сопряжения с анализаторами спектра.

В радиоспектрометре использовались одновременно два спектроанализатора – фильтровый анализатор спектра, работающий в диапазоне частот

236..           .248 МГц И Фурье – анализатор высокого разрешения, работающий в диапазоне входных частот

О…4 МГц [3].

Фильтровый анализатор спектра располагался в нижней кабине телескопа (~ 25 м от приемника), а Фурье- анализатор – в лабораторном здании (~ 150 м). Подача сигнала на большие расстояния осуществлялась на частоте 240 МГц.

Третье преобразование частоты, необходимое для работы Фурье – анализатора спектра осуществлялось в SSB смесителе, входящем в состав регистратора MARK-III. Система сбора и обработки данных выполнена на базе компьютеров IBMPC, причем ДЛЯ каждого спектроанализатора использовался СВОЙ компьютер. Фильтровый анализатор спектра МОГ работать в модуляционном режиме и имел разрешение ПО частоте ЮОкГц/канал. Фурье-спектро- анализатор использовался как в модуляционном режиме, так и в компенсационном. Он позволял изменять величину частотного разрешения, причем наи- лучшее разрешение составляло 4 кГц.

Рис. 2. Метанольный мазер (f=95,169 ГГц), полученный с использованием: а – Фурье-спектроанализатора, Ь – фильтрового спектроанализатора.

Fig. 2. IVIethanol maser (f=95,169 ГГц), obtained using: a – Fourier analyzer, b – filter bank analyzer

При ПОМОЩИ вышеописанного радиоспектрометра в октябре 2004 года были успешно проведены наблюдения космических мазеров молекулы метанола. На рис.2. приведен пример результатов наблюдений мазерной линии при ее наблюдении на обоих спектроанализаторах. Одновременное использование двух анализаторов спектра позволяет повысить оперативность наблюдений.

III.                                   Заключение

Созданный радиоспектрометр обладает высокой чувствительностью, обеспечивает эффективные радиоастрономические наблюдения на радиотелескопе РТ-22 космических мазеров на молекулах метанола и МОНООКИСИ кремния в широком диапазоне частот

85..   . 115 ГГц.

IV.                            Список литературы

[1]  м. Elitzur//Аппи. Rev. Astron. Astrophys. 1992, vol.30, pp.75-112.

[2]  A. M. Korolev, V. M. S/7i//ga.//Proceedings ofthe 5*^ International Kharkov Simposium of Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Sub-Millimeter Waves. Kharkov, Ukraine, 2004, pp.894-895.

[3]  Антюфеев A. B., Шульга В. М. «Спектроанализатор на базе персонального компьютера для радиоастрономических исследований» // Радиотехника, 2005, 10, стр. 145- 148.

MICROWAVE SPECTROMETER 85…115 GHz FREQUENCY BAND FOR MASER LINES OBSERVATIONS ON RT-22

S.              J. Zubrin, A. V. Antyufeev, A. M. Korolev,

V.        V. Myshenko, A. V. Myshenko, V. I. Piddyachiy,

V.                                          M. Shulga Institute for Radio Astronomy Ukrainian Academy of Sciences

4,         Chervonopraporna St., Kharkiv, 61002, Ukraine e-mail: zubrin@rian.kharkov. ua

Abstract – Low noise cryogenic microwave spectrometer (MS) for 85… 115 GHz band is suggested for cosmic maser lines observations on RT-22 with high spectral resolution. Provided are the results of observations of certain space masers.

I.                                         Introduction

Investigations of space masers are carried out in wide frequency range: from units to hundreds GHz [1]. For this purpose it is necessary to have a receiver with extremely high sensitivity and spectral resolution. 3 mm MS have been created for radio- telescope RT-22 (CrAO). Test observations of space masers have been carried out.

II.                                        Main Part

MS for observations of maser lines of space sources on ra- dio-telescope RT-22 have been created on the base of extremely sensitive cryogen superheterodyne 3 mm receiver and two spectrum analyzers (filter bank and Fourier analyzer) of high resolution. Block diagram of MS is shown on Fig.1.

The mixer has single-ended whisker-contacted fundamental frequency design. The mixer diode chip is placed into halfheight waveguide. In order to combine RF and LO signal in receiver diplexer unit is used, whose additional function is «cleaning» the LO spectrum. The LO is PLL synthesizer with BWT OB-71. Cooled IF amplifier is designed at IRA NASU, uses 2 PHEMT transistors «Agilent» and provides gain more than 20dB and noise temperature less than 2K under 20K ambient temperature [2]. In order to decrease receiver noise temperature mixer is connected to IF amplifier using impedance transformer only. Diplexer, mixer, IF amplifier were placed into cryob- lock and cooled down to 20K using refrigerator. Receiver noise temperature was measured in laboratory and its value was less than t№^^< 70K at any frequency within 85…115 GHz band.

Uncooled part of MS is used for received signal amplification at intermediate frequency and for coupling with spectrum analyzers. Two spectrum analyzers (Fourier analyzer and filter bank analyzer) were used in MS [3].

Filter bank analyzer was used in modulation mode with frequency resolution 100 kHz/channel. Fourier analyzer was used both in modulation and compensating modes with frequency resolution of 4 kHz.

Observations of methanol masers were carried out using the MS designed in October 2004. Fig.2. shows the example of maser line obtained for both spectrum analyzers. Using of both spectrum analyzers simultaneously allows increasing of obtained results validity.

III.                                       Conclusion

Low noise microwave spectrometer created provides observations of cosmic maser lines on transitions of methanol and SiO molecules in wide frequency band 85… 115 GHz.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты