低频宽带有源天线子阵的首次射电天文学检验

摘要

我们介绍了在乌克兰新时代射电望远镜GURT项目框架下的25元有源天线阵及其远程控制。为了实现波束形成，该阵列是在模拟方式的离散电缆延迟线的帮助下相控的。阵列的远程控制是通过成对的编码器和解码器来实现的，该编码器和解码器可以串行传输天线编码的并行数据。该微控制器通过有线或无线的编解码器系统提供个人计算机与波束形成器之间的在线交互。天线方向图已用射电天文学方法测量。

1.介绍

卡尔·央斯基发现宇宙无线电信号是从低频率(更准确地说是20.5 MHz)开始的[1］．虽然低频技术更容易实施，但射电天文学随着技术的发展迁移到更高的频率。这是由于较长的波长在与波长成比例的天线空间分辨率方面的关键缺点，以及电离层效应限制了无线电观测质量，以及电离层的截点低于10兆赫兹。然而，低频宇宙射电辐射包含有关宇宙的独家信息。特别是，有许多天体物理问题只有在低无线电频率(~ 10-100 MHz)下才能进行研究[2:再电离时代(寻找第一代恒星和星系的辐射)，瞬变现象，以及其他。为此目的，低频天文学在我们的时代继续得到卓有成效的发展。这一进展的一个方面是建立一个具有极好的灵敏度和高空间分辨率的低频天线阵列。这一趋势在新型射电望远镜中成为现实，如荷兰的LOFAR [3.]、E-LOFAR(欧洲LOFAR站)、LWA(美国)[4]和澳大利亚MWA [5］．类似的项目在法国实现(LSS-LOFAR超级站)[6]以及在乌克兰(巨型乌克兰射电望远镜(GURT)) [7］．在这些科学计划中，新的有效的天线阵列导向系统的实施是关键。

2.GURT项目

GURT射电望远镜将作为一个由许多相同的子阵组成的大阵运行。工程正在进行中。现在，我们已经构建了9个子数组(其中一个子数组如图所示)1)，子阵数量将增加到100个左右，覆盖面积2平方公里。每个子阵列都是使用有源偶极子技术的方形规则天线阵列。它包括宽带有源(带前置放大器)偶极子。所有旋转门天线元件均安装在离地面1.6 m的高度。

与无源天线相比，有源天线具有一些非常有用的优点。特别是在30-40 MHz以下，当外部(银河)噪声大大超过内部噪声时，缩短调谐天线的辐射器长度并不影响天线输出的信噪比，但缩短辐射器将显著改变其输入阻抗。因此前置放大器将偶极阻抗转换回电缆阻抗。因此，短波天线的长度可以明显地缩短。偶极子和前置放大器允许我们获得天线温度与银河噪声之间的最大可能比率以及前置放大器的噪声温度；也就是10log整个10至70 MHz范围内的dB [8］．为了实现波束形成，在离散电缆延迟线(模拟波束形成器)的帮助下对子阵列进行相控。然后，这些子阵列接收到的信号将被数字化并传送到中央计算机进行后续的相位和数据处理。GURT射电望远镜的双极化偶极子经过优化，使其在10-70 MHz时具有稳定(无共振)的频率响应。在本文中，我们将只考虑一个单独的子阵列(对于短阵列)及其远程控制的构造特征。

有源天线阵的主要参数如下:(我)阵列步长为3.75 m;(2)电扫描部门从两个坐标的天顶;(3)数组大小m;(iv)有效面积275米²；(v)波束宽度在中频范围，在40 MHz;(vi)天线放大器动态范围> 90db相对于1μV。对于每一种极化，旋转门天线单元都有自己独立的波束转向系统，两种极化的波束转向系统是相同的。

3.光束控制系统

数字2显示了描述波束转向的有源天线阵列的功能框图。该系统提供了远程自动改变的方向，主波束瓣位置在两个平面上给定的程序。该阵列的波束导向装置由6个相同的5位波束形成器组成。首先，对连续5个有源偶极子的信号进行相位求和坐标，然后使用第六波束形成器使阵列相移坐标。波束形成器的离散时间延迟线为同轴线段。使线路切换的设备是高频继电器。射频电路和数字控制设备的隔离是通过光耦合器实现的。每个波束形成器提供17个波束位置(见表)1）.

对该波束形成器的基本参数进行了测量，结果表明:(我)频率范围10-70 MHz;(2)电压驻波比(驻波比)1.4;(3)上频率上的最大损耗3分贝;(iv)任意两个输入之间的隔离30分贝;(v)相对于计算值的最大相位误差5%。为了控制波束转向，需要从远程控制系统通过导线或无线向天线阵波束形成器提供5位控制信号。

4.远程控制

远程控制系统(图3.)的阵列是基于编码器和解码器对发送20位天线编码(5位NU和5位NV在两偏振)。作为一个编码器-解码器对，我们使用了由“Holtek半导体”制造的HT12E和HT12D芯片。编码器芯片将并行数据转换为串行数据。解码器做相反的事情。这两个设备在实现通信协议时非常有用。编码器发送数据包，解码器接收数据包。每个包有它的地址(8位)和数据(4位)。但是，只要编码器地址与解码器地址相等，解码器就接受数据包。否则，解码器保存从真实数据包获得的先前状态。这个编码器芯片只能传输4位的数据。 To transmit 20 bits of antenna code data, we divide them into five independent packets with different addresses serially. The remote control is implemented from personal computer through microcontroller, where the USB port is configured as a Virtual COM Port. For reliability, when the computer sends 20-bit data to microcontroller, we use a special protocol. It has two delimiters, in the beginning and in the end of each parcel, to protect the sent data from possible random errors during the data exchange. The two delimiters are different and fixed. The special protocol assumes 7 characters. Immediately behind the start delimiter, we pass five characters (data about antenna codes) in hexadecimal notation. Final seventh character is another delimiter. The microcontroller serves as an interface device between the encoder and the computer. The latter calculates the antenna codes NU and NV to track a cosmic object according to its sky coordinates: 在哪里是时角，赤纬,表示天线波束倾角与天顶的最大可能角度(见表格上列)1）.归一化系数描述了该天线阵的视场。通过使用第二对编码器-解码器，天线阵列通过个人计算机将阵列获得的代码通知微控制器和用户。在跟踪宇宙物体的过程中，反馈保护天线不受任何虚假开关的影响(图)3.）.

5.真实观察中的检验

传统上，射电天文学中天线的功率模式是通过使用校准源(如太阳、仙子A或其他明亮的射电源)来检查的[9］．然而，这些射电源只能穿越有限的天空范围，因此需要操纵有关的射电望远镜。幸运的是，我们的数组拥有这样的功能。数字4这是一张射电源仙客来a的图表，它是在地球自转使我们的有源天线阵列的波束穿过这片天空时拍摄的。射电源的大小是这个天线图的一个点，它的信号捕获宽度等于考虑了源在天空上的速度的主瓣宽度。为了改善获得天线阵列方向图特性时的信噪关系，相关方法非常有用[10］．在这种情况下，参考天线(例如，另一个天线阵列)永久指向选定的宇宙射电源，跟随它，测试的天线扫描相对于这个源的模式。两个天线连接到一个双通道相关接收器，形成干涉仪。因此，我们不仅可以观测到这个测试阵列的主瓣，而且还可以观测到它最近的旁瓣。事实上，相关方法大大降低了无线电干扰和银河背景噪声的分布辐射的影响。这些记录是利用专用的双通道宽频数码接收器/分光计取得的[11］．工作在0-33 MHz频段，采样频率为66 MHz。在频率和时间上的最大分辨率分别约为4khz和1ms。使用16位的高分辨率模拟数字转换，该设备的无杂散动态范围(SFDR)约为112 dBc(相对于载波分贝)。33mhz以上射电天文信号的探测是通过对信号进行欠采样(即带通采样)来实现的。

在2013年7月至8月期间，该遥控设备已经在真实的射电天文观测中进行了测试，观测了来自太阳、木星、射电源等的射电辐射。初步结果表明，在上述遥控系统的帮助下，射电天文观测程序变得更加简单和有效。对这些观测的详细天体物理分析将在其他地方报告。

6.结论

本文报道了在新一代射电望远镜建设框架下进行的有源天线阵及其遥控系统的一些结果。我们已经表明，计算机和数字技术的进步为开发低频射电天文学的最佳天线阵列打开了广阔的大门。当前GURT子阵列参数与后端设备的结合满足了10-70 MHz频率范围射电天文学的现代要求。这允许我们使用不同的观测模式(跟踪、扫描、开关等)，包括与其他射电望远镜同步观测。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

承认

这项研究部分得到了乌克兰国家科学院的研究基金“低频地面和空间天文学同步同步研究太阳系天体的无线电发射”的支持。

参考文献

1. T. L.威尔逊，“射电天文学技术”，刊于行星、恒星和恒星系统奥斯瓦尔特(t.d. Oswalt)和邦德(h.e. Bond)。，卷。2，pp. 283–323, Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2013.视图:谷歌学术搜索
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