Antenna radioteleskopa - ustroistvo dlya sbora radioizlucheniya kosmicheskih ob'ektov. Antenna radioteleskopa opredelyaet ego chuvstvitel'nost' (minimal'no obnaruzhimyi signal) i uglovoe razreshenie (sposobnost' razdelit' izluchenie blizkih drug k drugu radioistochnikov). Moshnost' prinimaemogo signala ot radioistochnika s plotnost'yu potoka radioizlucheniya F ravna 0,5 AF, gde A - effektivnaya ploshad' antenny, koefficient 0,5 opredelyaetsya tem, chto prinimaetsya lish' odna iz polyarizacii. Minimal'no obnaruzhimyi signal zavisit ot velichiny A, shumovoi temperatury radioteleskopa T_sh i radiometricheskogo vyigrysha ; zdes' - polosa chastot prinimaemogo signala, - vremya nablyudeniya istochnika, k - postoyannaya Bol'cmana. Shumovaya temperatura radioteleskopa T_sh=T_sha+T_shr - opredelyaetsya shumovoi temperaturoi antenny T_sha i shumovoi temperaturoi radiometra T_shr. Shumovaya temperatura antenny zavisit ot doli poter' v antenno-fidernom trakte i vklada radioizlucheniya Zemli i atmosfery cherez bokovye lepestki diagrammy napravlennosti (DN) antenny: T_sha=T₀+(1-)T_z + T_at+T_f)D d/D d, gde T₀ - temperatura okruzhayushei sredy, T_z - temperatura Zemli, T_at - effektivnaya temperatura atmosfery, T_f - temperatura fona kosmicheskogo radioizlucheniya, D - diagramma napravlennosti antenny radioteleskopa po moshnosti. Shumy antenny umen'shayut pri pomoshi snizheniya poter' , ohlazhdeniya trakta (ponizheniya T₀) i special'nogo oblucheniya antenny radioteleskopa (snizheniya vklada shumov Zemli). Uglovoe razreshenie antenny opredelyaetsya ee DN, shirina kotoroi zavisit ot razmerov antenny d i dliny volny : .

V tablice privedeny naibolee harakternye tipy antenn radioteleskopov i ih DN; tam zhe ukazana chuvstvitel'nost' antenn k prostranstvennym chastotam. Konstruktivnoe ispolnenie antenn sushestvenno zavisit ot diapazona dlin voln i naznacheniya.

Antenny zerkal'nogo tipa. Osnovnym elementom antenn etogo tipa yavlyaetsya zerkalo, kotoroe sobiraet padayushee na nego izluchenie v fokal'noi tochke (parabolicheskoe zerkalo) libo na fokal'noi linii (parabolicheskii cilindr, sfericheskoe zerkalo). V fokuse ustanavlivaetsya obluchatel' v vide rupora libo cepochki dipolei. DN obluchatelya formiruetsya tak, chtoby obluchit' vse zerkalo (sobrat' s nego vsyu energiyu), no isklyuchit' obluchenie prostranstva vne ego. Etim dostigayutsya maksimal'noe ispol'zovanie poverhnosti zerkala A i minimal'nyi uroven' shumov T_sha. Dlya isklyucheniya iskazheniya fronta otrazhennoi volny nerovnosti poverhnosti zerkala ne dolzhny prevyshat' /20. Forma poverhnosti zerkala dolzhna sohranyat'sya v ztih predelah pri raznyh temperaturax, vetrovyh nagruzkah i polozhenii antenny. Eti trebovaniya ogranichivayut razmery zerkal, minimal'nuyu dlinu volny i opredelyayut ih stoimost', poetomu pervye krupnye antenny zerkal'nogo tipa byli nepodvizhnymi ili polupodvizhnymi. Optimizaciya parametrov radioteleskopov privela k ryadu konstruktivnyh reshenii - sozdaniyu zerkal'nyh antenn raznyh tipov i klassov. Naibol'shee rasprostranenie poluchili parabolicheskie zerkala.

Antenny s parabolicheskimi zerkalami. Pervye antenny etogo tipa byli nepodvizhnymi (naprimer, 32-m "zemlyanye chashi" Krymskoi radioastronomicheskoi stancii FIAN, nachala 1950-h gg.) ili ustanavlivalis' na povorotnom ustroistve, pozvolyayushem izmenyat' polozhenie antenny lish' po uglu mesta (90-m antenna v Grin-Benk, SShA). Perestanovka elektricheskoi osi antenny v predelah neskol'kih DN osushestvlyalas' izmeneniem polozheniya obluchatelya. V Grin-Benk dlya povorota elektricheskoi osi antenny po azimutu (pryamomu voshozhdeniyu) smeshayut v sootvetstvennom napravlenii obluchatel', Na Krymskoi radioastronomicheskoi stancii obluchatel' ustanovlen na karetke, obespechivayushei ego perestanovku v fokal'noi ploskosti v dvuh napravleniyah.

Pervye polnopovorotnye radioteleskopy imeli tradicionnuyu montirovku opticheskih teleskopov - ekvatorial'noe povorotnoe ustroistvo, obespechivayushee ustanovku antenny v zadannom napravlenii po pryamomu voshozhdeniyu i skloneniyu (ris. 1). Kompensaciya vrasheniya Zemli (slezhenie za istochnikom) osushestvlyalas' ravnomernym vrasheniem instrumenta vokrug osi pryamogo voshozhdeniya, ustanavlivaemoi parallel'no osi vrasheniya Zemli, t. e. naibolee prostym i udobnym povorotnym ustroistvom, k tomu zhe obespechivayushim sohranenie pozicionnogo ugla pri soprovozhdenii istochnika. Odnako v etom zaklyuchaetsya i ego nedostatok - v hode nablyudenii zerkalo povorachivaetsya vokrug svoei osi, i pod deistviem sil tyazhesti voznikayut nesimmetrichnye deformacii, iskazhayushie ego formu (dlya krupnyh zerkal). Poetomu sovremennye krupnye precizionnye radioteleskopy imeyut azimut-uglomestnye povorotnye ustroistva, chto vpervye bylo primeneno v antenne radioteleskopa RT-22 Krymskoi astrofizicheskoi observatorii (ris. 2), Po toi zhe prichine optiki takzhe pereshli na analogichnuyu montirovku (6-m teleskop v stanice Zelenchukskoi na Kavkaze). Pereschet ekvatorial'nyh koordinat v azimutal'nye osushestvlyaetsya EVM. Eto ne uslozhnyaet sistemu, t. k. v deistvitel'nosti i v sluchae ekvatorial'noi podveski (dlya krupnyh zerkal) neobhodimo uchityvat' vliyanie refrakcii i otklonenie elektricheskoi osi pod deistviem deformacii, v t. ch. teplovyh. Nuzhno obespechivat' i rezhim skanirovaniya kakoi-libo ploshadki neba, chto mozhno osushestvit' lish' s pomosh'yu EVM.

Obychno radioteleskopy otkryty. Dlya isklyucheniya vliyaniya temperaturnyh izmenenii i vetrovyh nagruzok na zerkalo v ryade sluchaev instrument pomeshayut vnutri kupola. Kupol mozhet imet' razdvizhnoe okno, kak dlya opticheskogo teleskopa (11-m radioteleskop na Kitt-Pik, SShA), libo byt' sploshnym (Haistekskaya observatoriya, 37-m radioteleskop, ris. 3). Nedostatkami sploshnogo kupola yavlyayutsya pogloshenie v obolochke i rasseyanie na fermah konstrukcii. Antenna radioteleskopa v Haisteke imeet oblegchennuyu konstrukciyu, dlya umen'sheniya deformacii zerkala pod deistviem gravitacionnyh sil primeneny kompensiruyushie protivovesy. Razrabotany special'nye konstrukcii zerkal s azimut-uglomestnoi podveskoi, kotorye deformiruyutsya pod deistviem gravitacionnyh sil (pri izmenenii ugla mesta), sohranyaya svoyu formu (t. n. gomologicheskaya shema). Menyaetsya lish' fokusnoe rasstoyanie, eto izmenenie kompensiruyut smesheniem obluchatelya.

Dlya obespecheniya vysokogo koefficienta ispol'zovaniya apertury K_a (otnosheniya effektivnoi ploshadi A k raskryvu antenny) i nizkoi shumovoi temperatury antenny T_sha ispol'zuyut rupory razlichnyh tipov. Naibolee effektivny t. n. korrigirovannye rupory, vnutrennie stenki kotoryh prorezany chetvert'volnovymi kanavkami, v etom sluchae K_a = 0,55-0,7.

Bolee udobna v ekspluatacii i effektivna po svoim parametram kassegrenovskaya shema oblucheniya. V etom sluchae pered fokal'noi tochkoi ustanavlivaetsya vtorichnoe zerkalo giperbolicheskoi formy, kotoroe otrazhaet padayushee na nego izluchenie vo vtorichnyi fokus, raspolozhennyi blizhe k osnovaniyu pervichnogo zerkala. Apparatura stanovitsya dostupnoi v processe nablyudenii, krome togo, obluchenie vtorichnogo zerkala proishodit v napravlenii priema signala ("holodnogo" neba, a ne "goryachei" Zemli) i shumovaya temperatura antenny T_sha poluchaetsya minimal'noi. Obshaya shumovaya temperatura sistemy 64-m radioteleskopa v Goldstoune (SShA) na dline volny 13 sm ravna 15 K, a K_a = 0,8. Bol'shoe znachenie K_a dostignuto s pomosh'yu korrigirovannogo obluchatelya i zerkal special'noi formy (kvaziparabolicheskoi i kvazigiperbolicheskoi, ris. 4).

V sheme Gregori ispol'zuetsya vtorichnoe zerkalo ellipticheskoi formy, kotoroe ustanavlivaetsya za pervichnym fokusom, chto dopuskaet vozmozhnost' raboty iz pervichnogo fokusa bez snyatiya vtorichnogo zerkala. Sistema Gregori ispol'zovana na 100-m radioteleskope v Effel'sberge v FRG (ris. 5). Radioteleskopy s parabolicheskimi zerkalami rabotayut vo vsem spektre radiovoln - ot metrovyh do samyh korotkih millimetrovyh. Ih uglovoe razreshenie dostigaet desyatkov sekund dugi. Zerkala special'noi formy ispol'zovany v 70-m radioteleskope v Evpatorii.

Radioteleskopy so sfericheskimi zerkalami imeyut nepodvizhnuyu antennu. Peremeshenie v prostranstve lucha antenny osushestvlyaetsya oblucheniem raznyh chastei zerkala. Dlya ispravleniya sfericheskoi aberracii ispol'zuyut vtorichnoe zerkalo special'noi formy libo lineinyi obluchatel' s ispravleniem fazy vdol' ego dliny. Radioteleskop v Aresibo (Puerto-Riko) imeet sfericheskoe zerkalo s radiusom R = 265 m i diametrom raskryva 305 m. Diametr ekvivalentnogo parabolicheskogo zerkala raven 200 m. Shity otrazhayushei poverhnosti ustanovleny na oporah, zakreplennyh neposredstvenno v skal'nom grunte. Eto obespechivaet vozmozhnost' tochnogo vystavleniya shitov i sohranenie ih polozheniya pri raznyh vetrovyh nagruzkah i temperaturah. Radioteleskop rabotaet do voln 3-sm diapazona. Obluchatel' antenny zakreplen na karetke, dvizhusheisya po duge, raspolozhennoi na rasstoyanii 0,5 R. Duga mozhet vrashat'sya otnositel'no osi antenny. T. o. obespechivaetsya upravlenie elektricheskoi os'yu antenny po dvum napravleniyam v predelah 20 ot zenita. Sistema oblucheniya podveshena s pomosh'yu trosov v fokal'noi tochke, upravlenie osushestvlyaetsya s pomosh'yu EVM. Rassmotrennye antenny imeyut cilindricheski simmetrichnye DN (karandashnogo tipa).

Periskopicheskie antenny. Vliyanie gravitacionnogo polya Zemli i zhestkost' materialov ogranichivayut razmery zerkal. Razrabotany radioteleskopy, antenny kotoryh imeyut sravnitel'no nebol'shie razmery po vertikali i bol'shie v gorizontal'nom napravlenii (v vide usechennogo paraboloida).

Radioteleskop Krausa imeet nepodvizhnoe parabolicheskoe zerkalo vysotoi 21, dlinoi 110 m i ploskii pereotrazhatel', naklon kotorogo pozvolyaet ustanavlivat' elektricheskuyu os' antenny na raznye ugly mesta. Radioteleskop etogo tipa postroen v Zimenkah, bliz Gor'kogo, ego precizionnoe zerkalo parabolicheskoi formy imeet razmery 25h2m. Instrument rabotaet v millimetrovom diapazone dlin voln. Soprovozhdenie v predelah nebol'shih uglov po azimutu osushestvlyaetsya peremesheniem obluchatelya. Dlya rasshireniya vozmozhnostei soprovozhdeniya radioteleskop v Nanse (Franciya) imeet zerkalo sfericheskoi formy, ego razmery 300h35 m, razmery pereotrazhatelya 200h40 m. Antenny etogo tipa imeyut ploskuyu (veernuyu, ili nozhevuyu) DN i rabotayut na dlinah voln millimetrovogo i decimetrovogo diapazonov.

Parabolicheskie cilindry ispol'zuyut na voinah metrovogo i decimetrovogo diapazonov. Vdol' fokal'noi osi etih zerkal ustanavlivayut dipoli. Izmenenie ugla mesta takih antenn obespechivayut perestanovkoi (vrasheniem) antenny, a po azimutu - sootvuyushei fazirovkoi dipolei. Antenna etogo tipa nahoditsya v Pushino na radioastronomicheskoi stancii FIAN. Etot instrument rabotaet vo vsem spektre metrovogo diapazona, razmery zerkala 40h1000 m. Radioteleskop v Uti (Indiya) rabotaet na chastote 327 MGc. Os' parabolicheskogo cilindra ustanovlena parallel'no osi vrasheniya Zemli (na sklone holma). T. o. obespechivaetsya ekvatorial'naya montirovka zerkala. Perestanovka elektricheskoi osi radioteleskopa po skloneniyu osushestvlyaetsya s pomosh'yu fazirovki dipolei, ustanovlennyh vdol' fokal'noi linii parabolicheskogo cilindra. Antenna imeet 12 vyhodov, sootvetstvuyushih 12 DN, raznesennyh po skloneniyu drug otnositel'no druga na polovinu svoei shiriny.

Sinfaznye antennye reshetki obychno primenyayut na volnah metrovogo i dekametrovogo diapazonov. Reshetka sostoit iz dipolei s otrazhatelyami. Odnoi iz takih antenn yavlyaetsya bol'shaya sinfaznaya antenna (BSA) na volnu 3,5 m na radioastronomicheskoi stancii FIAN v Pushino. Na dekametrovyh volnah instrumentom takogo tipa yavlyaetsya radioteleskop v Grakovo, pod Har'kovom. Upravlenie elektricheskoi os'yu antenny osushestvlyayut fazirovkoi dipolei. Antenny etogo tipa prosty v izgotovlenii i imeyut nizkuyu stoimost'.

Antenny s nezapolnennymi aperturami. Rassmotrennye vyshe antenny radioteleskopov otnosyatsya k antennam s zapolnennymi aperturami, a izmeryaemyi imi spektr ogranichen oblast'yu malyh prostranstvennyh chastot. Shirina ih DN opredelyaetsya ploshad'yu antenny. Principial'no inym klassom antenn radioteleskopov yavlyayutsya antenny s nezapolnennymi aperturami. Eto sovremennye antenno-vychislitel'nye kompleksy, prednaznachennye dlya issledovaniya raspredeleniya radioyarkosti ob'ektov kosmicheskogo radioizlucheniya s vysokim uglovym razresheniem. Kak pravilo, oni chuvstvitel'ny k vysokim prostranstvennym chastotam (tabl.). Antenny s nezapolnennymi aperturami imeyut bol'shoe chislo lepestkov, kotorye isklyuchayutsya special'nymi metodami obrabotki (sm. Aperturnyi sintez).

Radiointerferometr yavlyaetsya prosteishim instrumentom etogo tipa, on chuvstvitelen lish' k odnoi iz prostranstvennyh chastot, opredelyaemoi dlinoi bazy. Menyaya dlinu bazy, mozhno izmerit' ves' spektr prostranstvennyh chastot issleduemogo ob'ekta i po nemu postroit' izobrazhenie. Dlya povysheniya effektivnosti nablyudenii uvelichivayut chislo elementov interferometra i raspolagayut ih v opredelennom poryadke drug otnositel'no druga dlya isklyucheniya povtoreniya odinakovyh dlin baz. Ispol'zovanie vrasheniya Zemli (nablyudeniya istochnika pri raznyh pozicionnyh uglah) pozvolyaet rasshirit' spektr izmeryaemyh chastot. Razrabotany razlichnye tipy instrumentov s nezapolnennymi aperturami.

RATAN-600 raspolozhen vblizi stanicy Zelenchukskoi (ris. 6). Ego antenna - raznovidnost' periskopicheskoi, sostoit iz 895 otrazhatelei, ustanovlennyh po krugu diametrom ~600 m; razmery otrazhatelya po vertikali 7,4 m, po gorizontali 2 m. Otrazhateli mozhno peremeshat' po uglu, azimutu i v radial'nom napravlenii. Kazhdoe zerkalo sledit za istochnikom i otrazhaet padayushee na nego izluchenie v fokal'nuyu tochku. V zavisimosti ot ugla mesta profil' antenny menyaetsya, otsyuda i nazvanie instrumenta - antenna peremennogo profilya. Menyaetsya i polozhenie fokal'noi tochki, poetomu v processe nablyudenii obluchatel' peredvigaetsya po radial'no ustanovlennym rel'sam i kompensiruet eto izmenenie. Instrument imeet nozhevuyu DN, rabotaet v diapazone santimetrovyh voln.

Ochen' bol'shaya antennaya reshetka (Very Large Array - VLA) postroena v 1981 v SShA (shtat N'yu-Meksiko). Sostoit iz 27 polnopovorotnyh parabolicheskih antenn diametrom 25 m, raspolozhennyh vdol' napravlenii, obrazuyushih bukvu V. Dlina plech 21 i 19 km. Antenny peremeshayutsya po rel'sovomu puti i zanimayut odno iz 72 fiksirovannyh polozhenii. Shirina DN sintezirovannogo lucha 0,1" pri dline volny 1,3 sm i 2" pri dline volny 21 sm. Instrument po uglovomu razresheniyu prevoshodit luchshie opticheskie instrumenty.