Мини-лекции. Радиоастрономия. Антенны

   А собственно, что такое радиоастрономия? Ну астрономия, это понятно, — смотри в «дырочку» и лапшу всем вешай про всякое... А радиоастрономия? Как бы Вам сказать? Если Вы когда-нибудь слушали радиоприёмник особенно на длинных-средних волнах, то это одно и тоже. Радиоастрономы тоже «радиву» слушают с той лишь разницей, что все ЭFЭMЫ для них вещают из потусторонних миров. Из далека короче... И мало того, что далеко, да ещё и почти не слышно ничего из-за сумасшедших помех типа шума. И, что самое противное сигналы оказываются слабее помех так, что вот так просто покрутить ручку «радивы» не получится!

   Спроси любого смертного, что такое антенна и для чего она? В большинстве случаев Вам скажут мол чтобы ловить волны, в смысле радиоволны. Или радиостанции, музыку и далее по списку... А, что означает слово ловить? И все смертные будут вести себя как собаки! Всё понимают, а вот так сходу сказать не могут. Варианты разные, но вот все связывает одно, — что-то предпринимать, совершать какие-то действия. А, что делают приёмники, антенны? Ничего! Стоят, лежат и есть не просят?! Потому как им это и не нужно. А вот человеку приходится подсуетиться...

   Как бы нам не было противно, а мы как рыба в воде всё время находимся в потоке электромагнитных полей (радиоволн)! Нам и в голову не могло прийти, что на нас только что налетели сигналы из далёких миров, находящихся за миллиарды километров, по прямой или хотя бы какой-нибудь?.. Нам не пришло, а астрономам пришло. И началось... Как уж там начиналось, про всё это в мини-лекции Радиоастрономия. Начало С чего собственно и начиналась... Мы же начинаем с антенн. Это железяки которые более остро реагируют на всякие волны пересекающие их. А пересекая возбуждают в антеннах электрические токи, повторяющие поведение этих самых радиоволн.

   Как и положено всем волнам они характеризуются: частотой колебания F; периодом Т; длиной волны, как правило их (длины) обозначают греческой буквой «ЛЯМБДА» («ЛАМБДА»). Длина волны это путь проходимый радиоволной за время одного периода Т. Чем выше (чаще) частота колебаний, тем короче длина волны и наоборот! Антенны применяемые для «ловли» волн самые разнообразные, от самых простых и до очень сложных. По крайней мере с точки зрения их изготовления и финансовых затрат! Какой бы не была антенна она имеет так называемую (что Вам более понятно) диаграмму направленности, ДН. Её можно изображать для наглядности в полярных координатах и реже в сферических (трёхмерных). Для инженерных расчётов лучше всего подходит изображение в декартовых (прямоугольных) координатах.

   Посмотрите на рис2. Это и есть полярные координаты. Они как Вы могли догадаться двумерные: численное значение это длина радиуса, а положение на горизонтальной плоскости в угловых единицах (радианах, градусах). А, что это за паук такой странный посередине? Сейчас узнаете. Возьмём точечный источник радиоволн. Он (источник) не имеет размеров (безразмерный, как в математике). Обойдём его вокруг, скажем против часовой стрелки с приёмником в руках и прибором показывающим уровень сигнала. Строим таблицу значений угла и уровня сигнала. По таблице строим график в полярных координатах. И в итоге получим идеальную окружность (на рис2 красного цвета). Точечный источник и имеет такую ДН в горизонтальной плоскости. В сферических координатах это будет сфера. В реальности же ДН будет выглядеть не так красиво. Будет сказываться присутствие земли и прочих нехороших предметов.

   Влияние же земли, предметов приводят к искажению ДН. На рис2 Вы видите не паука, а ДН направленной антенны. Направленная антенна это такая у которой наблюдается какой либо максимум в каком либо направлении. Практически все антенны применяемые в радиоастрономии направленные. На рис4 Вы видите, как пример, типичную ДН направленной антенны. Сосиску зелёного цвета получившуюся после измерения называют основным или главным лепестком, а все остальные (красного цвета) боковыми лепестками. Иногда так получается, что возникает (возникают) задние лепестки (синего цвета). Нам же нужен главный лепесток, а остальные только мешают нам жить и их стараются если уж не убрать окончательно, то хотя бы уменьшить. Как вариант со всеми лепестками, ДН антенны на рис2. Такая же как и на рис4 зелёная сосиска, главный лепесток. Чёрного цвета это те нехорошие боковые лепестки. Максимум же главного лепестка приходится на 0° координат.

   До сих пор мы говорили о конкретных измеряемых величинах на которых и строится ДН. А всегда ли это нужно и удобно? Оказалось, что нет. Вот поэтому, чаще всего применяют так называемые нормированные ДН. Нормированные, это когда все измеренные величины делят на максимальную, так ещё самую крайнюю точку главного лепестка. В итоге, в таком виде максимальное значение равно единице, а все остальные естественно меньше. А, что это за магические числа: 0,71 и 0,5 вблизи главного лепестка? Эти цифорки относительны единицы главного лепестка и означают, что в данной точке составляет 0,71 от максимального значения. Это для напряжённости поля, а если по мощности, то только 0,5 мощности также относительно максимального значения. Возведите 0,71 в квадрат и Вы получите те самые 0,5! На рис4a формула раскрывающая зависимость электрической мощности от напряжения. В нашем случае мощность примерно так и зависит от квадрата напряжённости поля.

   Как уже говорилось в начале мини-лекции, ДН в полярной системе координат даёт наглядность, а вот для инженерных расчётов лучше всего подходит Декартовая (прямоугольная) система координат. Вот на рис3 и Рис3а есть изображение ДН антенны изображённой на рис2. В общем виде это на рис3а. Но такое подробное изображение ДН оправдано при изображении несимметричных антенн (если конечно такие водятся?). У нас же симметричная и поэтому мы ограничимся лишь половиной ДН рис3. Три вигвама (фиг вам из Простоквашино :-)) ) это и есть боковые лепестки. Два крайних можно назвать задними... Но для нас с Вами это особо не меняет дела.

   А, что собственно говоря дают нам эти точки 0,71 или 0,5? Если провести прямые от центра антенны через эти точки, то получим угол ФИ. Этот угол будет называться шириной ДН. Так приняли когда-то умные дядьки! Этот угол определяет так называемую разрешающую способность антенны. Что это для нас значит? Посмотрите на рис7. Вы видите как бы часть ДН из рис4. В этот угол, в ширину ДН попадают три объекта. Как воспринимает всё это антенна (и соответственно приёмник)? Как один объект какой-то усреднённой величины и всё! А, чтобы раздельно воспринимать объекты отдельно нужно уменьшить ширину ДН скажем до углов альфа или бета.

   Но вот незадача, в угол бета попадают сразу два объекта (2 и 3) находящиеся как Вы видите на разных расстояниях друг от друга. Но для нас с Вами один [3] перекрывает [2] и в этом случае сужение ДН уже не поможет! А, что поможет? Вот этой головной болью и занимаются радиоастрономы. На помощь приходит высшая математика и аппаратура приспособленная к этим математическим заморочкам! И даже если Вы сильно захотите узнать всю правду я Вам не смогу помочь, потому как я инженер, а не математик и тем более не радиоастроном!?!

   Я могу Вам дать лишь небольшой список литературы! И прочитав хотя бы треть одной лишь книги Вы поймёте почему я Вам отказал... Это муть несусветная!!! А в книгах написано так, что понять может всё это только тот, кто всё это знает и без книг!!! :-))

   Но возвратимся к антеннам. Ну хорошо если все объекты попадают в ширину ДН антенны, а что будет если объект имеет размеры превышающие ширину ДН? Тогда как? Двигая ДН вдоль объекта мы можем последовательно просканировать все ямы и канавы... А так ли это? Оказалось, что не совсем. Вот на рис1 Вы видите так называемую крабовидную туманность, а рядом сигнал на выходе условно антенны. Ну проехались слева направо или наоборот ДН по туманности и вот Вам результат, — загогулина. А вот те всякие неровности, это и есть ямы и канавы? И да и нет. Вы видите не чистый результат в чём мама родила, а шумовую дорожку. А шумит всё, от самого приёмника, антенны до космического шума... Это и есть головная боль астрономов! Но вот на рис5 как бы реальное радиоизлучение какого-то объекта (жёлтого цвета), а зелёного ДН антенны как бы декартовых координатах. И, что с того? А с того, результат рис6. Дн в виду своей (сибирского валенка) тупости сглаживает все неровности те ямы и канавы. Вот если бы?.. Ну,да! ДН иметь как острие карандаша и чётко все неровности нарисовать... А как это сделать? Что от чего зависит? Больше денег вбухать в проект? И да и нет! В смысле не то, чтобы да и не то, чтобы нет!

   Есть в нашем мире некая мерзость под названием дифракция. Вот на рис8 Вы видите картинку, то что видит астроном в телескоп вместо точки (звезды). Так ещё вместо ожидаемой точки пятно и «хочь» застрелись?! А две звезды прохлаждающиеся где-то недалеко друг от друга видны как два пятна и не всегда раздельно. Но вот британский физик и математик лорд Рэлей предложил свой критерий. На рис8 справа пояснение. Светлое пятно (диск Эйри) возникающее вместе с окружающими его светлыми кольцами и будет критерием.Точнее если два источника видимые нами в окуляр расположены на расстоянии друг от друга не менее радиуса R этого самого диска Эйри. И вот только тогда мы можем считать увиденное как два источника света!

   Всё это можно перенести и в радиоастрономию. И вот после долгих переговоров радиоастрономов с лордом Рэлеем решили-постановили, что ширина ДН антенны радиотелескопа будет приблизительно равна по формуле рис9а. Когда довольный лорд удалился все решили, что нечего мелочиться и сделаем не приблизительно, а равно так и будет рис9b! Так и получилась формула в радианной мере и далее в градусной! Ну с ламбдой (лямбдой) понятно, это длина волны. А D? D, это диаметр апертуры. Ещё не лучше? Не ругайтесь... Апертура это всего лишь отверстие. А для нас раскрыв излучающей (принимающей) антенны. Диаметр тарелки короче... :-)) Получается, что чем больше тарелка тем уже ДН. Либо длина волны короче. Что Вам ближе по сердцу?! :-)) И понеслось... У кого тарелка больше?.. Казалось бы вот! Вот выход есть... Если бы? Если бы эту хреновину не нужно было ещё и поворачивать! А тут потянулись: теоретическая механика, сопромат, изгибы, кручение. И, что ещё противнее выдержать все допуски-посадки на неровности этих самых тарелок. Чем короче длина волны, тем жёстче все эти допуски-посадки и плюс всякие деформации. Вот тут-то все и сели в лужу!

   Ладно, про тарелки и лужи мы ещё поговорим, а пока некоторые уточнения. Ведь тарелки не единственные вызывающие интимный интерес... Есть другое и как оказалось более привлекательное... Так скажем ДН излучающих поверхностей (апертур) не только тарелкообразных, но и прямоугольных. Причём, как оказалось подчиняющиеся одному и тому же закону. Где под D подразумевается либо длина, либо ширина D1 и D2 соответственно. И, что ещё более удивительно это тандем из двух и более антенн. Где D, всего лишь расстояние между антеннами. А как же поворот? И тут нашёлся выход, но об этом потом...

   И под занавес, как пример познакомьтесь с элементарными антеннами. Это такие, которые как правило в одиночку не работают (в радиоастрономии), а только в связке с другими. Хотя и было одно исключение... Посмотрите на стены домов, лучше в большом городе. Вот спутниковая тарелка собирает радиоволны в пучок и? И направляет на облучатель. Не тот который облучает, а тот которого обучают (фигня какая-то?!). Там в спутниках его называют головкой, маленькая штучка на кронштейне по центру тарелки. Вот там и прячется та самая элементарная антенна. В радиотелескопах конечно несколько поболее антенны, но всё же...

   Итак, на рис14 рупорная, пирамидальная антенна, а на рис12 как Вы могли догадаться, — коническая. На рис11, странный гибрид (смесь бульдога с носорогом). Здесь антенна как бы рупорная состоит из трёх рупоров соединённых друг с другом посредством труб-волноводов. Так делают для расширения возможности антенны.Вся эта фигня позволяет принимать волны не одной длины, а трёх и как бы полосу частот. На рис13 обычный, элементарный диполь, две половинки (Вы могли его видеть в роли телевизионной антенны). На рис10 тоже диполь, названый по имени советского физика Сергея Ивановича Надененко, — диполь Надененко. У него больше возможности о которых мы поговорим позже. И наконец на рис15 спиральная антенна, общий вид, а на рис16 схема (устройство) такой вот спиральной антенны.

   В общем виде все перечисленные до спиральной антенны имеют линейную поляризацию. За исключением разве, что конической, а вот спиральная однозначно предназначена для работы с круговой (элипсовидной). Поляризация вертится в направление связанном с направлением навивки спирали (правая или левая?). На рис15 левая.

   Продолжение здесь:


4. Радиотелескопы   http://www.proza.ru/2019/02/11/2081

5. Рефлекторы   http://www.proza.ru/2019/02/16/1398

6. Рефракторы. Решётки    http://www.proza.ru/2019/02/16/1434

7.  Радиоинтерферометры.   http://www.proza.ru/2019/02/18/629

8. Перископы.   http://www.proza.ru/2019/02/19/374                               

9. Кресты.   http://www.proza.ru/2019/02/20/380

10. Цилиндры в Пущино.   http://www.proza.ru/2019/02/22/353

11. Солнечная. Бадары.   http://proza.ru/2019/02/23/1204

12. Квазар.   http://www.proza.ru/2019/02/24/1883

13. Пуэрто-Рико.   http://www.proza.ru/2019/02/25/714

14. Украина.   http://www.proza.ru/2019/02/26/1771

15. Зеленчукская.   http://www.proza.ru/2019/02/28/261

16. Аврора.   http://www.proza.ru/2019/02/28/265

17. Объект. Изображение.   http://www.proza.ru/2019/03/06/678

18. Пулково.  http://www.proza.ru/2019/03/14/296

19. Нью-Мексико  http://www.proza.ru/2019/03/14/300