電波望遠鏡アンテナ

電波望遠鏡アンテナは、到来する電波を捕捉し、受信機に集中させる反射鏡と給電部であり、電波望遠鏡の集光面積、ビーム形状、周波数範囲を決定します。

Definition

電波望遠鏡アンテナは、通常、反射皿または素子のアレイで構成される構造であり、無線周波数放射を捕捉し、受信機に結合するものです。その特性は、実効集光面積、ビームパターン、および動作周波数帯域によって特徴づけられます。

Scope

このトピックでは、放物面反射鏡とその給電部および副反射鏡の配置、長波長用のダイポールアンテナとフェーズドアレイアンテナ、ビームパターンとサイドローブ、開口効率と表面精度、および大型の可動式および固定式アンテナの構造的要件と指向要件について説明します。

Core questions

• アンテナのサイズと表面精度は、分解能と使用可能な最高周波数をどのように決定しますか？
• 皿型反射鏡とダイポールアレイおよびフェーズドアレイの違いは何ですか？
• ビームパターン、ゲイン、サイドローブとは何ですか？
• 開口効率はどのように定義され、最大化されますか？

Key theories

アンテナビームとパターンの相反性

アンテナの空における応答、すなわちそのビームは、開口照明のフーリエ変換であるため、より大きく、より均一に照明された開口は、より狭いビームとより高い分解能をもたらします。

開口効率と表面精度

反射鏡表面の理想的な放物面からのずれは、信号をビーム外に散乱させ、ルーゼの法則は、表面誤差が波長の約10分の1に近づくと効率が急激に低下することを示しています。

低周波用フェーズドアレイ

長波長では、固定されたダイポール素子が電子的に結合されてビームを形成し、可動構造なしで柔軟で指向可能な開口を可能にします。これは現代の低周波アレイで使用されています。

Clinical relevance

アンテナの設計は、すべての電波施設の感度、周波数範囲、および分解能を決定します。大型アンテナの表面精度は、冷たいガスや塵が放射するミリ波帯およびサブミリ波帯に望遠鏡が到達できるかどうかを左右します。

History

1937年のレーバーの裏庭の放物面アンテナは、可動式アンテナの基礎を築き、ジョドレルバンクから100メートルのエッフェルスベルク望遠鏡やグリーンバンク望遠鏡、そして固定式の305メートルアレシーボ望遠鏡や500メートルFAST反射鏡に至るまで、より大型のアンテナが続きました。フェーズドダイポールアレイは、低周波電波天文学を復活させました。

Key figures

• Grote Reber
• John D. Kraus

Seminal works

• wilson2013
• kraus1986

Frequently asked questions

なぜ電波望遠鏡の皿型アンテナの表面は、波長の数分の1の精度で滑らかでなければならないのですか？

反射鏡の凹凸やたるみは、信号を焦点から遠ざけ、効率を低下させます。ルーゼの法則は、表面誤差が観測波長の約10分の1に達すると損失が急激に増加することを示しており、これがミリ波アンテナが数十ミクロンの精度を持つ表面を必要とする理由です。

なぜ一部の電波望遠鏡は、皿型アンテナの代わりにダイポールアレイを使用するのですか？

長波長では、皿型アンテナは実用上不可能なほど大きくなる必要があり、その代わりに、多くの単純な固定ダイポールアンテナを適切な位相で組み合わせることで、電子的にビームを形成できます。これにより、可動部品のない、指向可能で再構成可能な望遠鏡が実現し、低周波観測に理想的です。