Rozdział IV

Systemy odbiorcze — S. Jakubowicz

(Ostatnia aktualizacja: 2003.02.13)

Zadaniem systemu odbiorczego jest precyzyjny pomiar natężenia pola elektromagnetycznego w ognisku czaszy radioteleskopu. Każdy z zainstalowanych w ognisku wtórnym systemów odbiorczych zapewnia dobre oświetlenie lustra wtórnego, niski poziom szumów własnych i odpowiednio szerokie pasmo odbieranych częstotliwości.

Systemy odbiorcze zostały wykonane w Katedrze Radioastronomii w oparciu o własne projekty i obliczenia. Podzespoły zakupione u innych wytwórców wymieniono w tekście.

IV.1  Odbiornik na pasmo L

Rys. IV.1: Schemat blokowy systemu odbiorczego na pasmo 1.5 GHz

Zakończeniem falowodu jest ochłodzony do 70 kelwinów przekształtnik (ang. orthomode transducer) firmy Gamma-f Corp. (przy współpracy NRAO), zapewniający konwersję dwóch składowych polaryzacyjnych fali elektromagnetycznej na dwa sygnały elektryczne wysokiej częstotliwości w bardzo szerokim paśmie.

Oba sygnały przesyłane są kablami koncentrycznymi z ekranami ze stali nierdzewnej do symetrycznego sprzęgacza kierunkowego, który pozwala na wprowadzenie do obu torów kalibrowanego sygnału szumów. Następnie sygnały są wzmacniane w przedwzmacniaczach z tarnzystorami HEMT. Cechą tych wzmacniaczy, wykonanych w NFRA (Holandia), jest bardzo dobre dopasowanie do linii przesyłowych na wyjściu i wejściu, niskie szumy własne (5 K przy schłodzeniu do 15 K) i szerokie pasmo przenoszenia. Wadą jest obniżające się z częstotliwością wzmocnienie (rzędu 5 dB na 500 MHz).

Sprzęgacz i wzmacniacze wejściowe są schłodzone do temperatury 15 kelwinów i razem z przekształtnikiem znajdują się w naczyniu próżniowym, wykonanym w naszym warsztacie. Kriogeniczną temperaturę pracy tych urządzeń uzyskuje się przez zastosowanie chłodziarki helowej model 350 firmy CTI, współpracującej z kompresorem 1020R tejże firmy (Rys. IV.5). Stan schłodzenia można określić, mierząc napięcia na dwóch diodach umieszczonych wewnątrz naczynia próżniowego i zasilanych stałym prądem. Dalsze podzespoły systemu odbiorczego umieszczone są w termostatowanym pojemniku. Każdy z dwóch torów sygnałowych zawiera filtr częstotliwości lustrzanej określający maksymalny zakres odbieranych częstotliwości (1400 – 1800 MHz), izolator firmy Harris, drugi wzmacniacz, mieszacz firmy Anzac, oraz filtry i wzmacniacz pośredniej częstotliwości.

Wspólnym dla obu torów źródłem sygnału lokalnego oscylatora jest syntezer HP-83711A firmy Hewlett-Packard, pracujący w zakresie 1 – 20 GHz. Syntezer ten jest synchronizowany fazowo do zewnętrznego sygnału referencyjnego 10 MHz dostarczanego z wzorca wodorowego.

Obserwator ma możliwość zdalnej zmiany pasma obserwacji poprzez zmianę częstotliwości lokalnego oscylatora (komenda lof), regulacji mocy sygnału lokalnego oscylatora (komenda lop), regulacji mocy sygnału kalibracyjnego (komenda latt) oraz włączania go i wyłączania (komenda cal). Może też zdalnie odczytywać napięcie na diodzie określającej stopień schłodzenia przedwzmacniaczy (komenda dewar 1). W kabinie ogniska wtórnego bezpośrednio przy odbiorniku można też odczytać wartości napięć zasilających i prądów przedwzmacniaczy.

IV.2  Odbiornik na pasmo C1

Rys. IV.2: Elementy systemu odbiorczego na pasmo 5 GHz

Odbiornik ten posiada rowkowany (korugowany) oświetlacz o przekroju kołowym, zapewniający bardzo dobre oświetlenie lustra wtórnego. Sygnał przechodzi z niego do szerokopasmowego polaryzatora firmy Atlantic Microwaves, ochłodzonego do temperatury 70 K. Sygnały obu składowych polaryzacyjnych są przesyłane krótkimi kablami koncentrycznymi do symetrycznego sprzęgacza umożliwiającego kalibrację amplitudy przez dostarczanie szumowego (szerokopasmowego) sygnału o znanej mocy, a stamtąd przechodzą do przedwzmacniaczy wykonanych przez nas przy współpracy z MPIfR. Przedwzmacniacze te mają płaską charakterystykę wzmocnienia, dobre dopasowanie do linii przesyłowej na wejściu i wyjściu oraz bardzo niskie szumy (5 K przy ochłodzeniu do 15 K). Ich pasmo przenoszenia wynosi 4,5 – 5,3 GHz. Sprzęgacz i przedwzmacniacze utrzymywane są w temperaturze 15 K i wraz z polaryzatorem mieszczą się w naczyniu próżniowym wykonanym ze stali nierdzewnej.

Rys. IV.3: Schemat blokowy systemu odbiorczego na pasmo 5 GHz

Chłodziarka helowa model 350 firmy CTI wspólpracująca z tym samym co powyżej kompresorem 1020R zapewnia utrzymywanie kriogenicznej temperatury urządzeń w naczyniu próżniowym. Ze względu na mniejszą masę i powierzchnię zewnętrzną chłodzonych urządzeń funkcjonowanie systemu chłodzenia jest tu bardziej niezawodne niż w systemie na pasmo L.

Dalsze podzespoły odbiornika mieszczą się w termostatowanym pojemniku. Każdy z dwóch torów posiada szerokopasmowy izolator firmy Harris, drugi wzmacniacz, mikrofalowy przełącznik do podłączenia referencyjnego toru odbiorczego, trzeci wzmacniacz, dwa wybierane cyfrowo filtry częstotliwości lustrzanej, czwarty wzmacniacz, mieszacz firmy Anzac, filtry i wzmacniacz pośredniej częstotliwości.

Źródłem sygnału LO jest ten sam, co w paśmie L, syntezer HP-83711A firmy Hewlett-Packard. Sygnał LO wewnątrz odbiornika jest podawany na dzielnik mocy. Każdy z dwóch wychodzących z dzielnika sygnałów jest następnie wzmacniany i podawany do stosownego mieszacza, przy czym jeden z sygnałów przesunięto w fazie w stosunku do drugiego o 90^o.

Podobnie jak w systemie na pasmo L, operator może zdalnie zmieniać częstotliwość odbieraną przez zmianę częstotliwości LO, zmieniać moc LO, włączać kalibracyjne źródło szumów i regulować jego moc. Dodatkowo może też wybierać jeden z dwóch filtrów lustrzanki (komenda cfilter). Może też zdalnie odczytywać napięcie na diodzie określającej stopień schłodzenia przedwzmacniaczy (komenda dewar 2). W kabinie ogniska wtórnego bezpośrednio przy odbiorniku daje się też odczytać wartości napięć zasilających i prądów każdego z tranzystorów HEMT w przedwzmacniaczach.

IV.3  Odbiornik na pasmo C2

Rys. IV.4: Schemat blokowy systemu odbiorczego na pasmo 6.5 GHz

Wewnątrz naczynia próżniowego mieszczą się dwa w pełni własnej konstrukcji przedwzmacniacze o bardzo niskich szumach (6 K) i szerokim paśmie (5 – 7 GHz), pracujące w temperaturze 15 K, oraz wymieniony wyżej przekształtnik. Niska temperatura chłodzonych elementów jest utrzymywana przez chłodziarkę helową model 22 firmy CTI współpracującą z tymże samym co wyżej kompresorem 1020R.

Rys. IV.5: Układ chłodzący (dewar z otwartym pojemnikiem)

Każdy z dwóch torów odbiornika na pasmo C2 posiada drugi wzmacniacz, wybierany przełącznikami zestaw dwóch filtrów częstotliwości lustrzanej, trzeci wzmacniacz, mieszacz firmy Anzac oraz filtry i wzmacniacz częstotliwości pośredniej.

Źródłem sygnału LO jest ten sam, co w paśmie L, syntezer HP-83711A firmy Hewlett-Packard. Sygnał ten jest wewnątrz odbiornika podawany na dzielnik mocy. Każdy z dwóch wychodzących z dzielnika sygnałów jest następnie wzmacniany i podawany do stosownego mieszacza, przy czym jeden z sygnałów przesunięto w fazie w stosunku do drugiego o 90°.

Trzeba stwierdzić, że od strony konstrukcyjnej odbiornik ten stanowi duże osiągnięcie: godne podkreślenia jest własne opracowanie i wykonanie przekształtnika i niskoszumowych przedwzmacniaczy w oparciu o najnowsze technologie i elementy, przy założonym bardzo szerokim paśmie pracy.

Odbiornik (pasmo) L C1 C2 Pasmo [GHz] 1,4 – 1,75 (I) 4,35 – 4,95 (I) 6,4 – 6,9 (II) 4,75 – 5,35  (II) 5,9 – 6,4  Temperatura szum. odbiornika [K] ~15 ~15 ~25 Temperatura systemowa [K] ~30 ~30 ~40 Polaryzacje LCP i RCP LCP i RCP LCP i RCP Zakres częstości LO [GHz] 1 – 2,5 3,9 – 4,4 5,4 – 5,9 5,0 – 5,6 Poziom sygnału LO [dBm] ≥ –5 ≥ –5 ≥ –5 Zakres wyjścia p.cz. [GHz] 0,5 – 1 0,5 – 1 0,5 – 1 Poziom sygnału p.cz. [dBm] 0 0 0

Rys. IV.6: Rozkład oświetlaczy w pobliżu ogniska – widok z góry. ,,Offsety" (poprawki w azymucie i odległości zenitalnej; komenda roh) podano w stopniach   (AKę)