王 凱，陳卯蒸，李笑飛，李 健，項(xiàng)斌斌，閆 浩，王 洋

(1. 中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210008)

引 言

射電天文是用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)由宇宙天體輻射來的無線電波的一門學(xué)科[1]，而微波接收機(jī)是射電望遠(yuǎn)鏡中專門用于接收射電信號(hào)的設(shè)備[2]。目前關(guān)于微波接收機(jī)的定義并不統(tǒng)一，有人認(rèn)為接收機(jī)包括饋源，也有人認(rèn)為饋源是天線系統(tǒng)的一部分，本文取前者。以中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)南山26 m射電望遠(yuǎn)鏡為例，原始射電信號(hào)經(jīng)天線主反射面一次反射、副反射面二次反射至接收機(jī)饋源處[3-4]，再經(jīng)接收機(jī)的正交模耦合器[5]、低噪聲放大器等器件后傳輸至數(shù)據(jù)終端，如圖1所示。

圖1 微波接收機(jī)信號(hào)傳輸鏈路

微波接收機(jī)最主要的技術(shù)指標(biāo)是靈敏度，靈敏度越高，可探測(cè)微弱信號(hào)的能力就越強(qiáng)。當(dāng)原始射電信號(hào)經(jīng)接收機(jī)傳輸時(shí)，接收機(jī)自身的噪聲會(huì)添加到信號(hào)中，導(dǎo)致弱的信號(hào)無法被探測(cè)到。一般將接收機(jī)自身產(chǎn)生的熱噪聲(強(qiáng)度響應(yīng))稱為接收機(jī)等效的噪聲溫度。噪聲溫度越低，接收機(jī)的靈敏度就越高[6]。

提升接收機(jī)的靈敏度并降低其噪聲溫度是每部接收機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)整個(gè)接收機(jī)低噪聲放大器及前級(jí)的微波器件制冷是降低接收機(jī)噪聲溫度的最佳途徑。以新疆天文臺(tái)南山站K波段接收機(jī)為例，該波段接收機(jī)制冷后的噪聲溫度為16 K，而常溫狀態(tài)下的噪聲溫度卻接近400 K。由于觀測(cè)的科學(xué)目標(biāo)不同，也有相當(dāng)部分射電望遠(yuǎn)鏡使用常溫接收機(jī)，如南山站采用主要用于全息法測(cè)量的Ku波段接收機(jī)。與制冷接收機(jī)相比，常溫接收機(jī)不需為制冷部件專門設(shè)計(jì)杜瓦，接收機(jī)整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。但無論是常溫接收機(jī)還是制冷接收機(jī)，噪聲溫度都是其性能好壞的直接指標(biāo)，故對(duì)接收機(jī)噪聲溫度的測(cè)試就顯得尤為重要[7]。

1 噪聲溫度的測(cè)試方法

1.1 冷熱負(fù)載法

對(duì)于接收機(jī)噪聲溫度的測(cè)試，最常用的也是最經(jīng)典的方法是冷熱負(fù)載法，也就是Y因子法。該方法就是將2個(gè)不同物理溫度、寬帶的輻射源(比如冷、熱黑體)分別放置在接收機(jī)第一級(jí)放大器或者混頻器的前級(jí)，使其輻射注入接收機(jī)的饋源或者波導(dǎo)，產(chǎn)生的帶通信號(hào)如圖2所示。

在冷、熱負(fù)載分別覆蓋接收機(jī)饋源口面時(shí)，記錄冷負(fù)載溫度Tcold、常溫黑體負(fù)載(熱負(fù)載)溫度Thot、冷負(fù)載強(qiáng)度輸出Vcold和常溫黑體負(fù)載(熱負(fù)載)強(qiáng)度輸出Vhot，根據(jù)式(1)、式(2)便可計(jì)算出接收機(jī)的噪聲溫度TRx(接收機(jī)自身強(qiáng)度響應(yīng)的等效溫度值)以及Y因子(當(dāng)熱、冷負(fù)載被放置到饋源前級(jí)時(shí)接收機(jī)的功率響應(yīng)比率)：

(1)

(2)

式中：VRx為接收機(jī)自身的強(qiáng)度輸出。

圖2 冷、熱負(fù)載下接收機(jī)系統(tǒng)的帶通響應(yīng)

在冷熱負(fù)載法測(cè)試中，熱負(fù)載一般使用常溫狀態(tài)下的黑體，冷負(fù)載則將黑體放置于盛滿液氮的泡沫器皿內(nèi)，以將其溫度降至液氮溫度(77 K ～80 K)。由于冷負(fù)載不方便在觀測(cè)過程中使用，因此一般在觀測(cè)前將天線仰角調(diào)整到90°，由接收機(jī)工程師專門進(jìn)行噪聲溫度測(cè)試。另外，由于不同波段接收機(jī)微波器件尺寸大小不一，長(zhǎng)厘米波段饋源尺寸過大(如南山站L波段接收機(jī)饋源直徑為1.05 m)，即便在觀測(cè)前使用冷熱負(fù)載法也非常困難，因?yàn)楹茈y提供一個(gè)足夠大的冷負(fù)載完全覆蓋其饋源口面。

1.2 斬波輪法

BTL(Bell Telephone Laboratory)提出使用斬波輪法對(duì)毫米波接收機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校準(zhǔn)。該方法是在饋源頂部交替引入和移除一個(gè)常溫黑體，使接收機(jī)交替測(cè)試常溫黑體和天空的輻射，以此測(cè)試接收機(jī)的噪聲溫度[8]。其原理與冷熱負(fù)載法相同，只是用來自冷空的輻射代替了冷負(fù)載。測(cè)試時(shí)，在饋源頂部交替引入和移除常溫黑體，分別記錄常溫黑體負(fù)載溫度、天空亮溫度Tsky、常溫黑體負(fù)載強(qiáng)度輸出和冷空輻射的強(qiáng)度輸出Vsky，便可計(jì)算出接收機(jī)的噪聲溫度和斬波輪方法中的Y因子(接收機(jī)測(cè)試常溫負(fù)載和冷空輻射時(shí)的功率響應(yīng)比率)：

(3)

(4)

雖然斬波輪法最早是在毫米波測(cè)試中被提出來的(因?yàn)樗梢宰詣?dòng)補(bǔ)償大氣吸收的變化，特別適合大氣條件快速變化的情況)，但同樣適用于厘米波測(cè)試。采用該方法，在觀測(cè)中僅需切換常溫負(fù)載便可測(cè)試噪聲溫度，不需專門準(zhǔn)備冷負(fù)載，也不需將天線仰角調(diào)整到90°，但在測(cè)試中需知該頻段在不同仰角下的天空亮溫度，因?yàn)椴煌鼋堑奶炜樟翜囟炔煌?/p>

2 Ku波段接收機(jī)噪聲溫度測(cè)試及分析

斬波輪法可以在天線觀測(cè)過程中快速測(cè)試接收機(jī)的噪聲溫度，因而比傳統(tǒng)冷熱負(fù)載法簡(jiǎn)單易行。為此在實(shí)驗(yàn)室搭建Ku波段常溫接收機(jī)測(cè)試平臺(tái)，在其上進(jìn)行2種噪聲溫度測(cè)試方法的對(duì)比及分析。Ku波段常溫接收機(jī)由饋源(12 GHz ～ 18 GHz)、正交模耦合器、漸變波導(dǎo)和低噪聲放大器(噪聲系數(shù)0.8，增益55 dB)組成。圖3為Ku波段常溫接收機(jī)實(shí)物圖。

圖3 Ku波段常溫接收機(jī)實(shí)物圖

測(cè)試選用大小2種規(guī)格的黑體負(fù)載，如圖4所示。按照測(cè)試黑體劈尖長(zhǎng)度至少大于測(cè)試波段1/4波長(zhǎng)的要求，這2種黑體均滿足Ku波段接收機(jī)的噪聲溫度測(cè)試需求。

圖4 測(cè)試黑體負(fù)載

強(qiáng)度輸出采用總功率的測(cè)試方法進(jìn)行功率獲取，功率計(jì)選用安捷倫N1914A，功率探頭為E9300A(10 MHz～18 GHz)，冷熱黑體負(fù)載溫度值取自溫度計(jì)Testo 735，測(cè)試系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 Ku波段接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 白天室外噪聲溫度測(cè)試(2018年5月17日)

2018年5月17日白天，在臺(tái)本部室外條件下，采用冷熱負(fù)載法及斬波輪法對(duì)Ku波段接收機(jī)進(jìn)行噪聲溫度測(cè)試。常溫負(fù)載選用大小2種規(guī)格的黑體，冷負(fù)載采用放置于盛滿液氮的泡沫器皿中的小黑體(因大黑體需要更大的器皿和更多的液氮，不易操作)。測(cè)試中使Ku波段常溫接收機(jī)的波束正對(duì)向冷空，仰角為90°(該仰角方便進(jìn)行冷熱負(fù)載法測(cè)試)，在該仰角下Ku波段的天空亮溫度取為4 K[9]。

使用冷熱負(fù)載法和斬波輪法分別進(jìn)行5組噪聲溫度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。其中TRx，1為冷熱負(fù)載法下使用常溫小黑體得到的噪聲溫度值，TRx,2為冷熱負(fù)載法下使用常溫大黑體得到的噪聲溫度值，TRx,3為斬波輪法下使用常溫小黑體得到的噪聲溫度值，TRx,4為斬波輪法下使用常溫大黑體得到的噪聲溫度值。

圖6 噪聲溫度測(cè)試結(jié)果(2018年5月17日)

從5組測(cè)試結(jié)果來看，TRx,1測(cè)試均值為80 K，TRx,2測(cè)試均值為76.6 K，TRx,3測(cè)試均值為90.5 K，TRx,4測(cè)試均值為88.2 K。在冷熱負(fù)載法測(cè)試中，常溫黑體受環(huán)境影響較大(朝陽處溫度高，背陽處溫度低)，常溫大、小黑體最大測(cè)試溫差達(dá)9.2 K。由于無法確定常溫黑體的實(shí)際溫度，故暫時(shí)無法確定該接收機(jī)的真實(shí)噪聲溫度，最終選取常溫大、小黑體劈尖位置溫度計(jì)算出噪聲溫度相差約3.4 K。在斬波輪法測(cè)試中，除常溫黑體溫度不確定外，測(cè)試時(shí)為薄云天氣，將4 K的天空亮溫度(適用于晴朗夜空條件下)直接用于噪聲溫度計(jì)算，也會(huì)增加測(cè)試的不確定性，相關(guān)結(jié)論有待進(jìn)一步測(cè)試。

2.2 白天室內(nèi)噪聲溫度測(cè)試(2018年5月18日)

由于暫時(shí)不具備晴朗夜空條件，2018年5月18日，在臺(tái)本部白天室內(nèi)條件下，對(duì)Ku波段接收機(jī)單獨(dú)進(jìn)行了冷熱負(fù)載法測(cè)試。在此次測(cè)試中，常溫負(fù)載選用大小2種規(guī)格的黑體，冷負(fù)載則采用放置于盛滿水的泡沫器皿中的小黑體負(fù)載，縮小冷熱負(fù)載之間的溫度差(溫差不超過10 K)，以此檢測(cè)其對(duì)噪聲溫度測(cè)試的影響，測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果見表1。

表1 常溫和低溫(水中)冷熱負(fù)載法測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果

注：表中Vhot,1為常溫小黑體負(fù)載強(qiáng)度輸出；Vhot,2為常溫大黑體負(fù)載強(qiáng)度輸出；Thot,1為常溫小黑體負(fù)載溫度；Thot,2為常溫大黑體負(fù)載溫度。

從8個(gè)測(cè)試結(jié)果來看，只有1個(gè)測(cè)試結(jié)果為正值(87.90 K)，其原因是冷熱負(fù)載之間溫度差值及對(duì)應(yīng)的功率輸出差值太小。用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，用冷熱負(fù)載法測(cè)試噪聲溫度的不確定度達(dá)到42.8%。因此，為降低噪聲溫度測(cè)試的不確定度，冷熱負(fù)載的溫度差必須足夠大。

2.3 夜間室外噪聲溫度測(cè)試(2018年5月20日)

2018年5月20日，在南山站夜間室外條件下，對(duì)Ku波段接收機(jī)使用冷熱負(fù)載法和斬波輪法分別進(jìn)行了3組測(cè)試，噪聲溫度測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 噪聲溫度測(cè)試結(jié)果(2018年5月20日)

從3組測(cè)試結(jié)果來看，TRx,1測(cè)試均值為101.4 K，TRx,2測(cè)試均值為63.6 K，TRx,3測(cè)試均值為90.7 K，TRx,4測(cè)試均值為75.9 K。在冷熱負(fù)載法測(cè)試中，雖然夜間環(huán)境溫度穩(wěn)定，但大黑體比小黑體溫度高(最大溫差為7.5 K)。其原因是大黑體散熱慢，小黑體更單薄因而其溫度更容易接近環(huán)境溫度，故認(rèn)為TRx,1更接近該接收機(jī)真實(shí)的噪聲溫度，用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，用小黑體測(cè)試噪聲溫度的不確定度為0.26%。由于常溫大黑體自身溫度不均勻(劈尖比底部低約4 K)，TRx,2最終選取常溫大黑體劈尖位置溫度進(jìn)行計(jì)算，用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，用大黑體測(cè)試噪聲溫度的不確定度為0.64%。在斬波輪法測(cè)試中，除常溫大黑體同樣存在溫度不均勻以外，TRx,3和TRx,4的測(cè)試結(jié)果僅作為參考(因測(cè)試時(shí)天空中略有薄云)，之后在晴朗夜間進(jìn)行測(cè)試后再做討論。

2.4 白天室內(nèi)噪聲溫度測(cè)試(2018年5月22日)

鑒于常溫大黑體在室外環(huán)境條件下溫度不均勻，故2018年5月22日在南山白天室內(nèi)條件下，將測(cè)試用大小黑體及準(zhǔn)備盛放液氮的小黑體長(zhǎng)時(shí)間放置在室內(nèi)，測(cè)試3種黑體的溫度及功率輸出，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 常溫黑體測(cè)試數(shù)據(jù)(2018年5月22日)

表2中的測(cè)試結(jié)果表明，3種黑體被長(zhǎng)時(shí)間放置于實(shí)驗(yàn)室后，其最大溫差為0.9 K，功率差為24 nW，二者的變化范圍均遠(yuǎn)小于之前在室外環(huán)境中得到的測(cè)試結(jié)果。

鑒于此，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用上述黑體進(jìn)行2組冷熱負(fù)載法測(cè)試。選用的常溫小黑體的噪聲溫度測(cè)試結(jié)果分別為106.3 K和104.5 K，選用的常溫大黑體的噪聲溫度測(cè)試結(jié)果分別為105.8 K和104.1 K，4個(gè)噪聲溫度值均比較接近，故認(rèn)為均值105.2 K為Ku波段接收機(jī)真實(shí)的噪聲溫度。

2.5 夜間室外噪聲溫度測(cè)試(2018年5月22日)

2018年5月22日晚在南山站晴朗夜空室外條件下，對(duì)Ku波段接收機(jī)使用冷熱負(fù)載法及斬波輪法分別進(jìn)行了3組測(cè)試。測(cè)試的常溫負(fù)載主要選用小黑體，大黑體由于自身溫度不均勻僅做參考，冷負(fù)載則采用放置于盛滿液氮的泡沫器皿中的小黑體負(fù)載，噪聲溫度測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 噪聲溫度測(cè)試結(jié)果(2018年5月22日室外)

從3組測(cè)試結(jié)果來看，TRx,1測(cè)試均值為114 K，TRx,2測(cè)試均值為65.6 K，TRx,3測(cè)試均值為99.2 K，TRx,4測(cè)試均值為79.9 K。與105.2 K的真實(shí)噪聲溫度值相比，用冷熱負(fù)載法測(cè)試TRx,1均值的誤差為8.4%，用斬波輪法測(cè)試TRx,3均值的誤差為5.7%。在選取常溫大黑體劈尖位置溫度進(jìn)行的測(cè)算中，用冷熱負(fù)載法測(cè)試TRx,3均值的誤差則為37.6%，用斬波輪法測(cè)試的TRx,4均值的誤差為24.1%。

3 結(jié)束語

通過使用冷熱負(fù)載法和斬波輪法對(duì)Ku波段常溫接收機(jī)進(jìn)行多組噪聲溫度測(cè)試及分析，得出常溫黑體溫度的不確定性及縮短冷熱負(fù)載之間的溫度差會(huì)增加噪聲溫度測(cè)試的不確定度。最終從南山站晴朗夜空室外條件下的測(cè)試結(jié)果得出斬波輪法噪聲溫度測(cè)試均值誤差為5.7%(低于10%)。因此在晴好的夜間條件下，斬波輪法可以滿足Ku波段接收機(jī)噪聲溫度的測(cè)試需求。