Instrument opisany w poniższym artykule (patrz też wersja złożona ze skanów oryginalnej publikacji) jest zasadniczo do dziś (2012 r.) używany do regularnych obserwacji Słońca, czyli blisko 40 lat! Istotnej zmiany dokonano jedynie w sposobie rejestracji odbieranego sygnału — obecnie sygnał wyjściowy jest próbkowany i zapisywany w postaci cyfrowej, a nie na rejestratorze analogowym. Część wyników tych wieloletnich obserwacji przedstawia praca Gawrońskiej i in. (1994).

Z PRACOWNI I OBSERWATORIÓW

POSTĘPY ASTRONOMII
Tom XXIII (1975). Zeszyt 2, s. 141 – 151.

INTERFEROMETR DO OBSERWACJI SŁOŃCA
NA CZĘSTOTLIWOŚCI 127 MHz

K. BORKOWSKI, S. GORGOLEWSKI, J. USOWICZ

Instytut Astronomii UMK (Toruń)

(Otrzymano dnia 22 II 1975)

1. WSTĘP

Promieniowanie radiowe obiektów kosmicznych w większości przypadków zawiera niespójne fale, których charakterystyki statystyczne nie różnią się od szumów powstałych w systemie odbiorczym lub od promieniowania tła odbieranego wraz z badanym sygnałem. Wartość tego sygnału jest zwykle zaledwie małym ułamkiem całego przychodzącego do anten strumienia promieniowania. Własności sygnałów radioźródeł silnie zależą od częstotliwości. Tak na przykład strumień spokojnego Słońca na falach metrowych wynosi od 0,5 (10 m) do 10 (1 m) jednostek słonecznych (1 jednostka słoneczna = 1 s.u. = 10^-22 J m^-2), przy towarzyszącym strumienia tła nieba (głównie promieniowanie Galaktyki) odpowiednio od ok. 1000 do ok. 500 s.u. W dniach aktywności Słońca jego strumień może wzrosnąć o 35-40 dB, a w przypadku silnych wybuchów radiowych nawet o 60 dB. Czas trwania wybuchów obejmuje szerokie granice – od ułamków minuty do pojedynczych godzin. Na falach centymetrowych strumień spokojnego Słońca jest ok. 100 razy silniejszy. Wymiary kątowe Słońca na falach metrowych są nieco większe od wymiarów w zakresie optycznym (K r a u s 1966).

Takie własności sygnałów narzucają pewne, specyficzne dla radioastronomii, wymagania dla odbiorników. Duże wzmocnienie (rzędu 130 dB), duży zakres dynamiczny (do 60 dB), wysoka stabilność, duża czułość (rzędu 0,1 μV), duża niezawodność, odpowiednia rozdzielczość czasowa (rzędu 1 sek.) – oto ważniejsze właściwości radiometrów przeznaczonych do regularnych obserwacji Słońca. Również metody detekcji małego sygnału z tła są oryginalne i zwykle polegają na porównywaniu całkowitego sygnału z generowanym sygnałem szumowym o zbliżonej, lecz stałej intensywności.

Równie ważna własność odbiornika. związana z rozwojem naziemnych technik radiowych, to niewrażliwość na zakłócenia, uzależniona m.in. od wyboru szerokości pasma odbieranych częstotliwości. Szczególnie dotyczy to fal metrowych.

Opisywany interferometr zbudowano w Instytucie Astronomii UMK w Toruniu w latach 1972-1973 w ramach modernizacji dotychczasowej aparatury odbiorczej (G o r g o l e w s k i i in. 1962; I w a n i s z e w s k i 1964; K u s 1968).

Na rys. 1 pokazano schemat systemu odbiorczego na częstotliwość 127 MHz (λ = 2,36 m). Energia sygnałów odebranych przez anteny A₁ i A₂ zostaje przekazana do odbiornika za pośrednictwem współosiowych linii przesyłowych. Podczas kalibracji odbiornika anteny są odłączone, a na wejście odbiornika podaje się sygnały ze skalibrowanego generatora szumów. Odbiornik został zbudowany całkowicie w oparciu o elementy półprzewodnikowe. Po odpowiednim przetworzeniu sygnału przez odbiornik jest on rejestrowany na samopisie, do którego są równolegle doprowadzone impulsy znaczków czasu.

Rys. 1. Schemat blokowy radiometru 127 MHz

2. SYSTEM ANTENOWY

Dwie jednakowe anteny umieszczone na linii E-W tworzą prosty (addytywny) interferometr o bazie 10 λ (23,6 m) (K u s 1968). Każda z anten składa się z dwóch półfalowych dipoli i płaskiego kwadratowego reflektora (Y a n g 1966). Konstrukcję i wymiary geometryczne anteny przedstawia rys. 2. Zysk anteny wynosi 7,7 dB, a szerokość połówkowa wiązki w płaszczyznach E i H – odpowiednio 70 i 50°. Wybór szerokich wiązek wynika z faktu prowadzenia całodziennych obserwacji Słońca za pomocą niesterowanego systemu anten. Istnieje jednak konieczność zmiany nachylenia anten w płaszczyźnie H w zależności od aktualnej deklinacji Słońca lub obserwowanego radioźródła. Przewidziano możliwość ustawienia anten w 9 pozycjach (co 6°) dla Słońca i dwu dla radioźródeł Kasjopeja A i Łabędź A. W ciągu dnia obserwuje się przeciętnie 17 listków interferencyjnych, średnio w odstępach 25-minutowych.

Rys. 2. Antena

Sygnały z anten doprowadzane są do wspólnego punktu i dalej do odbiornika kablem koncentrycznym o impedancji 75 omów. Współczynnik strat linii przesyłowych wynosi 1,5 dB.

3. ODBIORNIK

Zadaniem odbiornika radioastronomicznego jest rejestracja i pomiar doprowadzonych do niego sygnałów z anteny, przy jednoczesnym spełnieniu warunków omówionych we Wstępie.

Opisywany radiometr należy do powszechnie stosowanej w radioastronomii grupy tzw. odbiorników przełączanych (typu Dicke). Pomiar odbywa się przez porównanie sygnału badanego źródła z sygnałem wytwarzanym przez stabilny generator szumów. Uzyskuje się to przez przełączanie wejścia odbiornika pomiędzy anteną i źródłem porównawczym, a następnie synchroniczną detekcję w bloku małej częstotliwości. Zadania i pewne szczegóły rozwiązań układów elektronicznych opisano w dwóch blokach – wielkiej i małej częstotliwości.

I. BLOK WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

Zasadniczym wymaganiem jakie stawia się blokowi w.cz. jest taka obróbka sygnału wejściowego, która umożliwia skuteczną detekcję. Będzie ono spełnione, gdy sygnał zostanie wzmocniony do poziomu rzędu woltów przy zapewnieniu odpowiedniej selektywności, stabilności i dynamiki oraz zachowaniu możliwie dużego stosunku sygnału do szumu. Spełnienie pierwszego i częściowo drugiego z tych warunków osiąga się przez zastosowanie wzmacniacza pośredniej częstotliwości (p.cz.) o dużej selektywności, obwodów wejściowych w.cz. dobrze tłumiących sygnały lustrzane oraz wejściowych elementów wzmacniających o dużym zakresie liniowości pozwalających skutecznie eliminować zakłócenia intermodulacyjne. Na stabilność i własności szumowe największy wpływ ma właściwe zestrojenie obwodów w.cz., wybór elementów czynnych (niskoszumowych) oraz optymalnego układu wzmacniaczy. Dużą dynamikę systemu zapewnia układ automatycznej regulacji wzmocnienia (ARW), sterujący wzmocnieniem wzmacniacza p.cz. w ten sposób, że jego charakterystyka wzmocnienia jest w przybliżeniu logarytmiczna.

Na wejściu odbiornika umieszczony jest przełącznik krystaliczny (rys. 3), spełniający rolę modulatora sygnału. Doprowadza on do odbiornika na przemian sygnał z anteny i ze źródła porównawczego, którym jest opornik 75 Ω. Prostokątne sygnały przełączające są podawane na punkty C i D z odpowiadających punktów generatora przełączania (rys. 9) wprowadzając w stan przewodzenia lub zaporowy diody OA 47. Przy wyborze typu diod kierowano się głównie ich małą pojemnością międzyelektrodową i małymi stratami. Filtry dolnoprzepustowe obcinają wyższe harmoniczne częstotliwości sygnału prostokątnego i separują sygnały w.cz. od generatora przełączania.

Wzmacniacz w.cz. (rys. 4) zbudowano w układzie kaskody, który wyróżnia się szeregiem zalet, w szczególności małymi szumami oraz stabilnym i dużym wzmocnieniem. Na wejściu zastosowano autotransformatorowe sprzężenie dopasowujące z niskoimpedancyjną (75 Ω) linią przesyłową. Jako elementy czynne wykorzystano tranzystory typu BF 377. Wzmocniony sygnał odkłada się na impedancji dławika L₂ pobudzając do drgań obwód rezonansowy, nastrojony na częstotliwość 127 MHz, sprzężony bezpośrednio z pierwszą bramką tranzystora polowego pracującego w układzie mieszacza. Całkowite wzmocnienie wzmacniacza w.cz. wynosi 30 dB, a jego równoważna temperatura szumowa jest bliska 460 K (taka jest też temperatura szumowa odbiornika jako całości, gdyż szumy dalszych stopni dodają się na poziomie o 30 dB niższym).

Rys. 3. Przełącznik krystaliczny

Rys. 4. Konwerter 127 MHz

Układ mieszacza jest oparty na tetrodzie polowej (kaskoda typu MOS FET) 40 673. Ze względu na paraboliczny przebieg wejściowych charakterystyk statycznych tetrody jest on mało wrażliwy na zakłócenia intermodulacyjne, a przemiana częstotliwości jest iloczynowa. Sygnał z oscylatora lokalnego jest podawany na drugą bramkę tetrody. Sprzężenie mieszacza ze wzmacniaczem p.cz. wykonano na niskiej impedancji (50 Ω).

Zastosowany oscylator lokalny (rys. 4) pracuje w układzie Hartleya, którego elementem czynnym jest tranzystor polowy 2N 3819. Sygnał wyjściowy ma częstotliwość 116,3 MHz i amplitudę 2,5 V_pp. Trymer 12 pF służy do dostrojenia częstotliwości oscylacji.

We wzmacniaczu p.cz. realizuje się trzy podstawowe dla odbiorników radioastronomicznych zadania – główny wkład do wzmocnienia sygnału, wybór szerokości pasma odbieranych częstotliwości i nadanie urządzeniu wymaganej charakterystyki wzmocnienia. Zadania te narzucają wygórowane wymagania dla rozwiązania elektroniczno-konstrukcyjnego (dobór elementów czynnych, rozłożenie na chassis, ekranowanie od otoczenia i międzystopniowe, dopasowanie impedancji międzystopniowych, kształt charakterystyki przenoszenia). W przyjętym rozwiązaniu zastosowano tranzystory 40 673, które pozwalają uzyskać maksymalne wzmocnienie rzędu 40 dB z możliwością regulacji (przez zmianę polaryzacji drugiej bramki) do -30 dB. Ze względu na dużą impedancję wejściową tetrody problemy dopasowania są znacznie złagodzone. Ponieważ wzmacniacz w.cz. ma pasmo przenoszenia o szerokości rzędu 1 MHz, o efektywnej wstędze decyduje tylko wzmacniacz p.cz. Wybór filtrów decyduje również o stabilności wzmocnienia wzmacniacza. Zastosowane filtry krajowej produkcji typu 4-27 F1 w zestawieniu z tranzystorami polowymi wymagają dużego wysiłku przy zestrajaniu. Uzyskane parametry wzmacniacza p.cz. przedstawiają się następująca: częstotliwość środkowa – 10,7 MHz, szerokość pasma przenoszenia – 230 kHz (mierzona przy spadku wzmocnienia o 3 dB), maksymalne wzmocnienie – 95 dB.

Sygnał ze wzmacniacza p.cz. podlega liniowej detekcji w układzie podwajacza napięcia pracującym na diodach AAY 37. Poziom niezniekształconego sygnału sinusoidalnego po detekcji może osiągać 6 V (praca w warunkach sygnału szumowego odbywa się przy średnim napięciu wyjściowym detektora ok. 2 V).

Schemat ideowy wzmacniacza p.cz. oraz detektora pokazuje rys. 5.

Rys. 5. Wzmacniacz częstotliwości pośredniej 10,7 MHz

Rys. 6. Stopień regulacji wzmocnienia

Wspomnianą wcześniej charakterystykę wzmocnienia wzmacniacza p.cz., związaną bezpośrednio z dynamiką całego systemu, zapewnia układ ARW (rys. 6). Zasadniczym elementem tego układu jest wzmacniacz operacyjny μA 741, regulujący wzmocnienie pierwszego stopnia wzmacniacza p.cz. w taki sposób, że średni (uśrednianie odbywa się ze stałą czasową 0,1 sek.) sygnał wyjściowy po detekcji jest bliski zadanemu napięciu odniesienia (potencjometr 1,8 k i wejście 2 wzmacniacza operacyjnego). W wyniku uzyskuje się w przybliżeniu logarytmiczną charakterystykę wzmocnienia (napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do logarytmu mocy sygnału wejściowego, rys. 10). Dla pewnych celów (testowanie Odbiornika) wykorzystuje się ręczną regulację wzmocnienia (RRW) pierwszego stopnia wzmacniacza p.cz. Umożliwia to przełącznik ARW/RRW. Skrajne pozycje potencjometru 1,8 k odpowiadają różnicy wzmocnień rzędu 75 dB.

II. BLOK MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

Uzyskany po detekcji sygnał o częstotliwości przełączania, zanim zostanie zarejestrowany, poddany jest analogowym operacjom: filtracji, wzmocnienia, demodulacji i integracji w bloku małej częstotliwości.

Tor sygnału obejmuje następujące stopnie:

– wzmacniacz m.cz. z regulowanym wzmocnieniem w postępie dwójkowym od 1 do 8 z jednostopniowym, dolnoprzepustowym filtrem RC,

– demodulator (synchroniczny detektor fazowy),

– obwód całkujący RC z regulowaną poprzez zmianę pojemności C stałą czasową w postępie czwórkowym od 0,125 sek. do 2 sek.,

– wzmacniacz prądu stałego z regulowanym wzmocnieniem w postępie dwójkowym od 1 do 16.

Pierwsze dwa stopnie przedstawia rys. 7, następne dwa rys. 8.

Rys. 7. Wzmacniacz małej częstotliwości i demodulator

Filtr RC powinien przenosić najbardziej istotne pod względem energetycznym składowe harmoniczne amplitudowo modulowanego sygnału. Warunek ten jest wystarczająco spełniony przez dolnoprzepustowy filtr o częstotliwości granicznej 10 f_m, gdzie f_m – częstotliwość napięcia modulującego (K r a u s 1966). Wybór filtru o względnie wąskim pasmie przepuszczania zapewnia większy stosunek sygnału do szumu. Poza tym zbyt szerokie pasmo przepuszczania filtru może prowadzić do przesterowywania demodulatora. Zgodnie z tymi wymaganiami wybrano filtr RC o częstotliwości granicznej 2 kHz.

Zadaniem wzmacniacza m.cz. jest podniesienie amplitudy składowej zmiennej sygnału wyjściowego detektora do poziomu, przy którym możliwa jest normalna praca demodulatora. Rolę wzmacniacza m.cz. pełni wzmacniacz operacyjny μA 741. Wzmocnienie reguluje się przez zmianę wartości rezystancji w obwodzie sprzężenia zwrotnego tego wzmacniacza.

Jako demodulator wykorzystywany jest scalony, podwójnie zbalansowany detektor fazowy μA 796. Napięcia referencyjne o przeciwnych fazach podawane są na wejścia A i B. Punkt pracy demodulatora ustala się przez odpowiednią polaryzację jego wejść z dzielnika napięcia. Opornik 100 Ω służy do balansowania wyjść sygnałów demodulatora. Poziom zera na wyjściu demodulatora jest ustalany za pomocą opornika regulowanego 680 Ω. Wzmocnienie demodulatora jest zdeterminowane wartością rezystancji między końcówkami 3 i 2 układu μA 796. Szczególną uwagę w przypadku demodulatora zwraca się na poziom anomalnych fluktuacji i stabilność zera.

Znajdujący się za demodulatorem integrator gromadzi energię sygnału. Rolę integratora pełni obwód całkujący RC. Przy regulacji stałej czasowej w postępie czwórkowym szerokość ścieżki szumowej na zapisie zmienna się w postępie dwójkowym. Wybór stałej czasowej jest podyktowany kompromisem pomiędzy czułością radiometru a minimalnymi zniekształceniami odbieranego sygnału. Duża stała czasowa zapewnia większą czułość,ale może wprowadzać znaczne zapóźnienia i zniekształcenia obwiedni intensywności sygnału. Jest to szczególnie ważne w przypadku obserwacji Słońca Aktywnego.

Rys. 8. Integrator i wzmacniacz wyjściowy

Po integracji sygnał jest dodatkowo wzmacniany przez wzmacniacz prądu stałego zbudowany w oparciu o wzmacniacz operacyjny μA 741. Wtórniki źródłowe na tranzystorach polowych 2N38l9 zwiększają oporność wejściową wzmacniacza operacyjnego μA 741 przez co zmniejszają błąd integracji. Opornik regulowany służy do symetryzacji wtórników źródłowych, tzn. do ustalenia zera na wyjściu wzmacniacza prądu stałego przy braku sygnału. Regulację wzmocnienia wzmacniacza prądu stałego uzyskuje się w ten sam sposób jak we wzmacniaczu m.cz.

Do bloku małej częstotliwości należy również generator przełączania. Schemat ideowy generatora przełączania przedstawia rys. 9. Zadaniem generatora przełączania jest wytworzenie napięcia modulującego o określonym kształcie i częstotliwości. Generator przełączania składa się z trzech stopni. Pierwotnym źródłem napięcia prostokątnego jest typowy multiwibrator astabilny zbudowany na tranzystorach polowych 2N3819. Impulsy prostokątne po zróżniczkowaniu sterują przerzutnik bistabilny, który dzieli częstotliwość multiwibratora astabilnego przez dwa, poprawia symetrię i kształt wyjściowego napięcia prostokątnego. Z dzielników napięcia są pobierane dwa sygnały prostokątne o przeciwnych fazach jako napięcia referencyjne demodulatora. Do efektywnego przełączania diod krystalicznych potrzebny jest prąd ok. 30 mA. W związku z tym przełącznik krystaliczny jest sterowany z symetrycznych wtórników emiterowych. Częstotliwość generatora przełączania musi być na tyle duża, aby efekty fluktuacji intensywności szumów odbiornika spowodowane fluktuacjami jego wzmocnienia były niezauważalne. Poza tym częstotliwość generatora przełączania nie może być harmoniczną napięcia sieci. Kierując się tymi warunkami wybrano częstotliwość generatora przełączania równą 375 Hz. Generator przełączania musi być odpowiednio filtrowany, tak aby jego sygnały nie zakłócały normalnej pracy odbiornika poprzez źródło zasilania.

Rys. 9. Generator przełączania

4. WYNIKI TESTÓW, URZĄDZENIA TOWARZYSZĄCE
I EKSPLOATACJA SYSTEMU

Testy sprawdzające ostateczne parametry odbiornika wykazały, że jego całkowite wzmocnienie wynosi 130 dB, temperatura szumowa (nadmiarowa) – 460 K (2,0 dB), a charakterystyka jest logarytmiczna (rys.10). Czułość systemu, rozumiana jako najmniejszy wykrywalny sygnał, wynosi 0,1 s.u. Stabilność długoczasowa jest lepsza niż 2 s.u. na dobę. Pobór mocy odbiornika jest mniejszy niż 2,5 W.

Rys. 10. Charakterystyka odbiornika

Źródłem niestabilności systemu odbiorczego mogą być również fluktuacje napięć zasilających. Aby tego uniknąć opracowano wysokostabilny zasilacz (rys. 11) gwarantujący stabilność rzędu 10^-5 napięcia wyjściowego. W stabilizatorze wykorzystano wzmacniacze μA 741 oraz skompensowane termicznie diody Zenera w charakterze źródła napięcia odniesienia dla stabilizacji zarówno gałęzi napięcia dodatniego, jak i ujemnego. Zasilacz pozwala pobierać prądy do 1,2 A o napięciach ±12,5 V oraz napięciach wstępnie stabilizowanych ±18,6, ±12,4 i ±6.2 V.

W charakterze rejestratorów wykorzystano samopisy do rejestracji zmian temperatury typu eKB (Elektronischer Kompensations Bandschreiber) po przystosowaniu do rejestracji podawanego napięcia. Wychylenie pisaka tego samopisu jest wprost proporcjonalne do przyłożonego napięcia, a prędkość przesuwu taśmy ustalono na 20 cm na godzinę. Do zapisu przystosowano również, z powodzeniem, samopisy produkcji krajowej typu LRK-1 (laboratoryjny rejestrator kompensacyjny) po konstrukcyjnej zmianie prędkości przesuwu taśmy.

Rys. 11. Zasilacz stabilizowany

Do kalibracji odbiornika służy generator szumowy typu BM 380 E, z którego sygnały porównawcze są podawane na wejście przełącznika krystalicznego w miejsce sygnału z anteny.

Kalibrację odbiornika wykonuje się codziennie przed obserwacjami, a w razie potrzeby częściej. W celu uzyskania bezwzględnej kalibracji systemu odbiorczego średnio raz w miesiącu dokonuje się obserwacji radioźródeł o znanych strumieniach promieniowania. Zwykle jest to Kasjopeja A lub Łabędź A.

Wstępnego opracowania obserwacji dokonuje się ręcznie z użyciem przymiarów, a dalsza obróbka danych wykonywana jest metodami cyfrowymi za pomocą minikomputera MOMIK 8b.

Część wyników obserwacji (średnie dzienne strumienie Słońca) jest publikowana w „Quarterly Bulletin on Solar Activity".

Na rys. 12 pokazano fragment zapisu promieniowania Słońca podczas wzmożonej aktywności wykonany opisanym interferometrem.

Rys. 12. Fragment zapisu interferencyjnego promieniowania Słońca w czasie

,,burzy szumowej" (u góry) i całodzienna obserwacja Słońca (u dołu)

Obserwacje Słońca prowadzi się codziennie w godzinach od ok. 7 do ok. 17, co zapewnia automatyczny zegar uruchamiający samopisy w ustalonych momentach czasu. Ze względu na stabilność odbiornik pracuje w sposób ciągły (nie wyłącza się go w ogóle). Na zapisie są rejestrowane znaczki czasu, średnio w odstępach co 5 min. pochodzące z cyfrowego zegara kwarcowego (G o r g o l e w s k i 1973).

LITERATURA

G o r g o l e w s k i, S. i in., 1962, Post. Astr., 10, 137.

G o r g o l e w s k i, S., 1973, Preprint No 238, Submitted for publication in Studia Societatis Scientiarum Torunensis, Sectio F [vol. V, p. 111 (1974)].

I w a n i s z e w s k i, H., 1964, Prace Wrocławskiego Tow. Naukowego, Seria B, nr 112.

K r a u s, J. D., 1966, Radio Astronomy, New York.

K u s, A., 1968, Post. Astr., 16, 343.

Y a n g, R. F. H., 1966, IEEE Trans. on Antennas and Prop., AP-14, No. 6, 792.