สายอากาศกล้องโทรทรรศน์วิทยุ

สายอากาศกล้องโทรทรรศน์วิทยุคือตัวสะท้อนและตัวป้อนที่ดักจับคลื่นวิทยุขาเข้าและรวมคลื่นเหล่านั้นเข้าสู่ตัวรับ ซึ่งเป็นการกำหนดพื้นที่รวบรวม รูปร่างลำคลื่น และช่วงความถี่ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ

Definition

สายอากาศกล้องโทรทรรศน์วิทยุคือโครงสร้าง ซึ่งโดยทั่วไปเป็นจานสะท้อนหรือแถวขององค์ประกอบ ที่จับรังสีความถี่วิทยุและเชื่อมต่อกับตัวรับ โดยมีลักษณะเฉพาะคือพื้นที่รวบรวมที่มีประสิทธิภาพ รูปแบบลำคลื่น และย่านความถี่การทำงาน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงตัวสะท้อนจานพาราโบลาและการจัดเรียงตัวป้อนและตัวสะท้อนย่อย สายอากาศแบบไดโพลและแบบเฟสอาเรย์สำหรับความยาวคลื่นยาว รูปแบบลำคลื่นและไซด์โลบ ประสิทธิภาพของรูรับแสงและความแม่นยำของพื้นผิว รวมถึงข้อกำหนดด้านโครงสร้างและการชี้เป้าของสายอากาศขนาดใหญ่ที่ปรับทิศทางได้และแบบคงที่

Core questions

• ขนาดของสายอากาศและความแม่นยำของพื้นผิวส่งผลต่อความละเอียดและความถี่สูงสุดที่ใช้งานได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างตัวสะท้อนจานกับอาร์เรย์ไดโพลและเฟส?
• รูปแบบลำคลื่น อัตราขยาย และไซด์โลบคืออะไร?
• ประสิทธิภาพของรูรับแสงถูกกำหนดและเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดได้อย่างไร?

Key theories

ลำคลื่นของสายอากาศและการแลกเปลี่ยนของรูปแบบ

การตอบสนองของสายอากาศบนท้องฟ้า ซึ่งก็คือลำคลื่นของมัน เป็นการแปลงฟูเรียร์ของการส่องสว่างของรูรับแสง ดังนั้นรูรับแสงที่ใหญ่ขึ้นและส่องสว่างสม่ำเสมอมากขึ้นจะให้ลำคลื่นที่แคบลงและความละเอียดสูงขึ้น

ประสิทธิภาพของรูรับแสงและความแม่นยำของพื้นผิว

การเบี่ยงเบนของพื้นผิวตัวสะท้อนจากพาราโบลอยด์ในอุดมคติจะกระจายสัญญาณออกจากลำคลื่น และความสัมพันธ์ของ Ruze แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อข้อผิดพลาดของพื้นผิวเข้าใกล้หนึ่งในสิบของความยาวคลื่น

อาร์เรย์แบบเฟสสำหรับความถี่ต่ำ

ที่ความยาวคลื่นยาว องค์ประกอบไดโพลที่ติดตั้งอยู่กับที่จะถูกรวมเข้าด้วยกันทางอิเล็กทรอนิกส์เป็นลำคลื่น ทำให้สามารถสร้างรูรับแสงที่ยืดหยุ่นและปรับทิศทางได้โดยไม่มีโครงสร้างที่เคลื่อนที่ได้ ดังที่ใช้ในอาร์เรย์ความถี่ต่ำสมัยใหม่

Clinical relevance

การออกแบบสายอากาศกำหนดความไว การครอบคลุมความถี่ และความละเอียดของสิ่งอำนวยความสะดวกทางวิทยุทุกแห่ง ความแม่นยำของพื้นผิวของจานขนาดใหญ่เป็นตัวกำหนดว่ากล้องโทรทรรศน์จะสามารถเข้าถึงย่านมิลลิเมตรและซับมิลลิเมตรที่ก๊าซเย็นและฝุ่นแผ่รังสีได้หรือไม่

History

จานพาราโบลาหลังบ้านของ Reber ในปี 1937 ได้สร้างจานที่ปรับทิศทางได้ และจานขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ก็ตามมา ตั้งแต่ Jodrell Bank ไปจนถึงกล้องโทรทรรศน์ Effelsberg และ Green Bank ขนาด 100 เมตร และตัวสะท้อนแสง Arecibo ขนาด 305 เมตร และ FAST ขนาด 500 เมตรที่ติดตั้งอยู่กับที่ อาร์เรย์ไดโพลแบบเฟสได้ฟื้นฟูวิทยุดาราศาสตร์ความถี่ต่ำ

Key figures

• Grote Reber
• John D. Kraus

Seminal works

• wilson2013
• kraus1986

Frequently asked questions

เหตุใดพื้นผิวจานวิทยุจึงต้องเรียบถึงเศษส่วนของความยาวคลื่น?

การกระแทกและการหย่อนคล้อยในตัวสะท้อนจะกระจายสัญญาณออกจากจุดโฟกัส ทำให้ประสิทธิภาพลดลง ความสัมพันธ์ของ Ruze แสดงให้เห็นว่าการสูญเสียจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อข้อผิดพลาดของพื้นผิวถึงประมาณหนึ่งในสิบของความยาวคลื่นที่สังเกตได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจานคลื่นมิลลิเมตรจึงต้องการพื้นผิวที่แม่นยำถึงหลายสิบไมโครเมตร

เหตุใดกล้องโทรทรรศน์วิทยุบางชนิดจึงใช้อาร์เรย์ของไดโพลแทนจาน?

ที่ความยาวคลื่นยาว จานจะต้องมีขนาดใหญ่เกินไปในทางปฏิบัติ และลำคลื่นสามารถสร้างขึ้นได้ทางอิเล็กทรอนิกส์โดยการรวมสายอากาศไดโพลแบบง่ายๆ ที่ติดตั้งอยู่กับที่หลายตัวเข้าด้วยกันด้วยเฟสที่ถูกต้อง ซึ่งทำให้ได้กล้องโทรทรรศน์ที่ปรับทิศทางได้และปรับเปลี่ยนได้โดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ เหมาะสำหรับการสำรวจความถี่ต่ำ