Radioteleskop-Antennen

Radioteleskop-Antennen sind die Reflektoren und Speisesysteme, die eintreffende Radiowellen abfangen und auf einen Empfänger konzentrieren, wodurch die Sammelfläche, die Strahlform und der Frequenzbereich eines Radioteleskops festgelegt werden.

Definition

Eine Radioteleskop-Antenne ist die Struktur, typischerweise eine reflektierende Schüssel oder eine Anordnung von Elementen, die Hochfrequenzstrahlung einfängt und an einen Empfänger koppelt, gekennzeichnet durch ihre effektive Sammelfläche, ihr Strahlungsmuster und ihr Betriebsfrequenzband.

Scope

Dieses Thema behandelt parabolische Schüsselreflektoren und ihre Speise- und Subreflektoranordnungen, Dipol- und Phased-Array-Antennen für lange Wellenlängen, Strahlungsmuster und Seitenkeulen, Apertureffizienz und Oberflächengenauigkeit sowie die strukturellen und Ausrichtungsanforderungen großer schwenkbarer und fester Antennen.

Core questions

• Wie bestimmen Antennengröße und Oberflächengenauigkeit die Auflösung und die höchste nutzbare Frequenz?
• Was unterscheidet Schüsselreflektoren von Dipol- und Phased-Arrays?
• Was sind Strahlungsmuster, Gewinn und Seitenkeulen?
• Wie wird die Apertureffizienz definiert und maximiert?

Key theories

Antennenstrahl und die Reziprozität des Musters

Die Reaktion einer Antenne am Himmel, ihr Strahl, ist die Fourier-Transformation der Aperturbeleuchtung, sodass größere und gleichmäßiger beleuchtete Aperturen schmalere Strahlen und eine höhere Auflösung ergeben.

Apertureffizienz und Oberflächengenauigkeit

Abweichungen der Reflektoroberfläche von einem idealen Paraboloid streuen das Signal aus dem Strahl, und die Ruze-Gleichung zeigt, dass die Effizienz stark abfällt, sobald Oberflächenfehler etwa ein Zehntel der Wellenlänge erreichen.

Phased Arrays für niedrige Frequenzen

Bei langen Wellenlängen werden feste Dipolelemente elektronisch zu Strahlen kombiniert, was flexible, schwenkbare Aperturen ohne bewegliche Strukturen ermöglicht, wie sie in modernen Niederfrequenz-Arrays verwendet werden.

Clinical relevance

Das Antennendesign bestimmt die Empfindlichkeit, Frequenzabdeckung und Auflösung jeder Radioanlage; die Oberflächengenauigkeit großer Schüsseln entscheidet darüber, ob ein Teleskop die Millimeter- und Submillimeterbänder erreichen kann, in denen kaltes Gas und Staub strahlen.

History

Rebers Hinterhofparabolantenne von 1937 etablierte die schwenkbare Schüssel, und immer größere Schüsseln folgten, von Jodrell Bank bis zu den 100-Meter-Teleskopen Effelsberg und Green Bank sowie den festen 305-Meter-Arecibo- und 500-Meter-FAST-Reflektoren. Phased-Dipol-Arrays haben die Niederfrequenz-Radioastronomie wiederbelebt.

Key figures

• Grote Reber
• John D. Kraus

Seminal works

• wilson2013
• kraus1986

Frequently asked questions

Warum muss eine Radioschüsseloberfläche auf einen Bruchteil der Wellenlänge glatt sein?

Unebenheiten und Durchbiegungen im Reflektor streuen das Signal vom Fokus weg, was die Effizienz verringert. Die Ruze-Gleichung zeigt, dass der Verlust stark ansteigt, sobald Oberflächenfehler etwa ein Zehntel der Beobachtungswellenlänge erreichen, weshalb Millimeterwellen-Schüsseln Oberflächen benötigen, die auf Zehntel von Mikrometern genau sind.

Warum verwenden einige Radioteleskope Dipol-Arrays anstelle von Schüsseln?

Bei langen Wellenlängen wäre eine Schüssel unpraktisch groß, und Strahlen können stattdessen elektronisch durch die Kombination vieler einfacher fester Dipolantennen mit den richtigen Phasen gebildet werden. Dies ermöglicht ein schwenkbares, rekonfigurierbares Teleskop ohne bewegliche Teile, ideal für Niederfrequenz-Durchmusterungen.