王 凱 王 洋 陳卯蒸 段雪峰 閆 浩 馬 軍 陳晨雨 曹 亮

(1 中國科學(xué)院新疆天文臺烏魯木齊830011)

(2 中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京210033)

1 引言

射電天文是利用射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收、測量和分析天體無線電波以研究天體的一種手段[1?2].而微波接收機(jī)是射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中專門用于接收射電信號的設(shè)備[3].以卡塞格林式射電望遠(yuǎn)鏡為例, 天體輻射的原始射電(Radio Frequency, RF)信號經(jīng)天線主反射面一次反射、再經(jīng)副反射面二次反射至接收機(jī)饋源處[4], 然后經(jīng)接收機(jī)的極化器(Polarizer, POL)[5]、低噪聲放大器(Low Noise Amplifier, LNA)等器件處理后傳輸至數(shù)據(jù)終端, 信號傳輸鏈路如圖1所示.

圖1 微波接收機(jī)信號傳輸鏈路Fig.1 Signal transmission link of microwave receiver

為了更好地開展射電天文觀測, 提升觀測設(shè)備性能尤為關(guān)鍵.射電望遠(yuǎn)鏡兩個重要的指標(biāo)是視場和接收面積: 大視場可提高天線大面積巡天的觀測效率, 而大的接收面則可使天線具有更高的靈敏度.

一個完整的射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)主要由天線和接收機(jī)組成, 靈敏度是射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)最主要的技術(shù)指標(biāo), 靈敏度越高, 可探測微弱信號的能力就越強(qiáng), 而靈敏度與天線效率、接收機(jī)噪聲、天線噪聲、天空背景等因素相關(guān).在現(xiàn)有射電望遠(yuǎn)鏡口徑已無法拓展的前提下, 更多地采取減小接收機(jī)噪聲溫度的方式來提升整個射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的觀測性能.

2 強(qiáng)度校準(zhǔn)的方法

射電天文強(qiáng)度校準(zhǔn)就是通過建立一個溫度標(biāo)尺, 將接收機(jī)對射電源的強(qiáng)度響應(yīng)等效轉(zhuǎn)換為一個溫度值, 之后再結(jié)合天線相關(guān)參數(shù)最終將其轉(zhuǎn)換為天文意義上的流量密度[6?7].

當(dāng)原始射電信號經(jīng)接收機(jī)傳輸時, 接收機(jī)自身的噪聲會添加到信號中, 導(dǎo)致無法探測微弱的信號.一般將接收機(jī)自身產(chǎn)生的熱噪聲稱之為接收機(jī)等效噪聲溫度, 也就是接收機(jī)自身的強(qiáng)度響應(yīng)經(jīng)校準(zhǔn)后的等效溫度值.噪聲溫度越低, 意味著接收機(jī)的靈敏度越高[8].因此, 對接收機(jī)噪聲溫度的測試尤為重要.

眾所周知, 即使在同一環(huán)境、同一測試平臺下對接收機(jī)射頻微波器件進(jìn)行測試, 不同時間里都會存在一定差異.如果將實驗室測試到的噪聲溫度直接應(yīng)用于觀測站的天線及接收機(jī)系統(tǒng)中, 便會導(dǎo)致校準(zhǔn)不夠準(zhǔn)確.因此, 接收機(jī)強(qiáng)度校準(zhǔn)更應(yīng)該具備實時性.

2.1 冷熱負(fù)載法

對于接收機(jī)噪聲溫度的測試, 最常用也是最經(jīng)典的方法是冷熱負(fù)載法, 也就是Y 因子法.該方法就是使用兩個不同物理溫度、寬帶的輻射源(比如冷、熱黑體), 將它們分別放置在接收機(jī)第1級放大器或者混頻器的前級, 使其輻射注入到接收機(jī)的饋源或者波導(dǎo)里.而Y 因子就是當(dāng)熱、冷負(fù)載分別放置到饋源前級時接收機(jī)的功率響應(yīng)比率, 定義如下

其中, 低溫負(fù)載強(qiáng)度輸出為Vcold, 常溫負(fù)載強(qiáng)度輸出為Vamb.

在冷熱負(fù)載法的實際操作中, 熱負(fù)載一般使用常溫狀態(tài)下的黑體, 冷負(fù)載則采用將黑體放置于盛滿液氮的泡沫器皿內(nèi), 以此將黑體溫度降至液氮溫度, 將它們分別放置于接收機(jī)饋源前級, 如圖2所示, 記錄對應(yīng)的黑體溫度和接收機(jī)功率輸出, 以此便可以得出接收機(jī)等效的噪聲溫度.

圖2 冷熱負(fù)載法測試噪聲溫度Fig.2 Noise temperature test by cold and ambient load method

接收機(jī)的噪聲溫度TRx即接收機(jī)自身強(qiáng)度響應(yīng)等效的溫度值, 計算如下

其中, 低溫負(fù)載溫度為Tcold, 常溫負(fù)載溫度為Tamb.如果接收機(jī)沒有飽和, 強(qiáng)度及溫度響應(yīng)比率將是一個較為恒定的值, 即

其中, Von為天線對向射電源時的強(qiáng)度輸出, Voff為天線偏開射電源時的強(qiáng)度輸出, 上式左邊部分即為接收機(jī)強(qiáng)度及溫度的響應(yīng)比率.應(yīng)用在天線系統(tǒng)對射電源的觀測時, 射電源等效的噪聲溫度TA便可以由(3)式計算.對應(yīng)射電源的流量密度Sv為

其中, k為玻爾茲曼常數(shù), ηA為天線效率, Ap為天線孔徑[9?10].

雖然經(jīng)典的冷熱負(fù)載法可以準(zhǔn)確測試接收機(jī)的噪聲溫度, 被認(rèn)為是最好的強(qiáng)度校準(zhǔn)方式, 但由于該方法無法在天線觀測過程中隨時進(jìn)行, 特別是無法在天線仰角傾斜時為接收機(jī)提供冷負(fù)載, 故噪聲溫度測試一般只能在觀測前將天線仰角調(diào)整到90?, 由接收機(jī)工程師手動操作, 觀測過程中則無法進(jìn)行, 使用條件受限.如何實時測試接收機(jī)的噪聲溫度是系統(tǒng)強(qiáng)度校準(zhǔn)的關(guān)鍵, 在實現(xiàn)這一步后, 便可以將測試到的接收機(jī)噪聲溫度應(yīng)用于射電觀測, 從而對待觀測的射電源進(jìn)行進(jìn)一步校準(zhǔn), 并最終計算出射電源的流量密度.

2.2 斬波輪法

斬波輪法是通過在饋源頂部交替引入和移除一個常溫黑體, 使接收機(jī)交替測試常溫黑體和天空的輻射, 以此測試接收機(jī)噪聲溫度的方法[11?13].其原理與冷熱負(fù)載法相同,只是將冷負(fù)載用冷空代替, 校準(zhǔn)時只需引入常溫負(fù)載便可測試接收機(jī)的噪聲溫度.由此,斬波輪法的接收機(jī)噪聲溫度如下

其中, Vsky為天線在當(dāng)前俯仰角度時對向冷空的強(qiáng)度輸出, Tsky為當(dāng)前仰角下對應(yīng)波段的天空亮溫度值.

由于斬波輪校準(zhǔn)簡單易行, 僅需在接收機(jī)饋源口面設(shè)置一個具備斬波功能的黑體,如圖3所示, 校準(zhǔn)時結(jié)合對應(yīng)波段不同仰角下的天空亮溫度值, 控制該黑體覆蓋至饋源口面或者從饋源口面移除.由于大氣吸收的變化可以在Tsky中得以體現(xiàn), 因此斬波輪方法在毫米波強(qiáng)度校準(zhǔn)中被廣泛應(yīng)用.中國科學(xué)院紫金山天文臺在青海德令哈13.7 m毫米波望遠(yuǎn)鏡便采用斬波輪的方式進(jìn)行強(qiáng)度校準(zhǔn).

圖3 斬波輪校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)Fig.3 Calibration mechanism of chopper wheel

斬波輪方法的應(yīng)用中最為關(guān)鍵的一點是需要實時了解測試波段對應(yīng)的天空亮溫度,即冷空負(fù)載的溫度.由于天空亮溫度隨大氣條件而變化, 為了降低校準(zhǔn)誤差, 該方式一般在晴朗夜空進(jìn)行, 因為此時天空亮溫度及環(huán)境溫度(常溫黑體溫度)均比較穩(wěn)定.但如果具備實時測試天空亮溫度的設(shè)備, 同樣可以在不同的氣象條件下提供不同仰角下的天空亮溫度.

對于不同波段天空亮溫度的實時獲取, 已經(jīng)有一系列理論研究[14?16], 但現(xiàn)有天空亮溫模型在實際應(yīng)用中會引入大量計算, 且需要知道沿垂直方向上的氣象參數(shù)分布情況,而相關(guān)參數(shù)則受制于對流層下層的地面擾動而難以準(zhǔn)確測量.因此, 在工程應(yīng)用中更為行之有效的是利用地面氣象參數(shù)及氣象參數(shù)隨垂直方向的變化規(guī)律來對天空亮溫度模型進(jìn)行簡化.

天空亮溫度的主要貢獻(xiàn)來自大氣中水汽和氧的微波熱輻射, 亮溫理論模型如下

其中, T(z)為大氣的熱力學(xué)溫度, z為垂直高度, a(z)為大氣吸收系數(shù), θ為天頂角.

在實際工程應(yīng)用中, 可利用地面氣象參數(shù)(溫度、氣壓和濕度)及對流層中氣象參數(shù)的變化規(guī)律, 采用積分中值定理來近似計算天空亮溫度.首先通過地面氣象參數(shù)計算出水汽和氧的吸收系數(shù), 并沿垂直高度積分, 可以得到總天頂?shù)奈障禂?shù)或天頂穿透率a0

再連同取10 km積分得到的大氣溫度Tm代入下式:

便可最終求得Tsky, 但該工程方法僅適用于晴天無云或晴天卷云情況.

3 K波段斬波輪校準(zhǔn)測試系統(tǒng)的組建及測試

由于斬波輪法可以在天線觀測過程中對接收機(jī)進(jìn)行實時的強(qiáng)度校準(zhǔn), 且比傳統(tǒng)冷熱負(fù)載法簡單易行.為此, 我們在實驗室搭建K波段斬波輪校準(zhǔn)測試系統(tǒng), 并在其上開展基于斬波輪技術(shù)的K波段接收機(jī)強(qiáng)度校準(zhǔn)方法研究與驗證.

3.1 系統(tǒng)組建

首先, 組建K波段常溫接收機(jī), 接收機(jī)系統(tǒng)組成如圖4所示.該接收機(jī)工作頻率為22–24.2 GHz, 由饋源、正交模耦合器、波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器和低噪聲放大器(噪聲系數(shù)4 dB,增益30 dB)組成.射頻信號經(jīng)饋源后被正交模耦合器(OrthoMode Transduer, OMT)分離為兩路左右旋圓極化信號, 之后再經(jīng)波同轉(zhuǎn)換后同軸輸出給LNA, 最后經(jīng)LNA放大后輸出至功率計直接進(jìn)行采集.

圖4 K波段接收機(jī)系統(tǒng)組成Fig.4 K-band receiver system composition

K波段常溫接收機(jī)實物圖如圖5所示.由于K波段接收機(jī)屬于短厘米波段, 微波器件尺寸較長厘米波段(例如L波段接收機(jī))更小, 便于開展斬波輪法與冷熱負(fù)載法測試結(jié)果之間的比對.

強(qiáng)度校準(zhǔn)黑體選用南京科頻電子科技有限公司生產(chǎn)的平板黑體, 該黑體采用兩層設(shè)計結(jié)構(gòu), 如圖6所示.該黑體垂直入射的反射系數(shù)30 dB (@18 GHz), 35 dB (@40 GHz),完全滿足K波段的測試需求.

在SolidWorks軟件下建立了K波段斬波輪校準(zhǔn)平臺模型, 如圖7所示, 由K波段常溫接收機(jī)、平臺座架、俯仰調(diào)整機(jī)構(gòu)和常溫黑體斬波機(jī)構(gòu)組成, 該平臺可以實現(xiàn)K波段接收機(jī)波束在0?–90?俯仰角范圍內(nèi)調(diào)整, 并實現(xiàn)常溫黑體斬波校準(zhǔn)功能.K波段斬波輪校準(zhǔn)平臺組建后實物圖如圖8所示.

圖5 K波段接收機(jī)系統(tǒng)組成Fig.5 K-band receiver system composition

圖6 測試所用平板黑體負(fù)載Fig.6 Flat blackbody load for testing

圖7 測試校準(zhǔn)平臺模型建立Fig.7 Establishment of test and calibration platform model

圖8 校準(zhǔn)平臺實物圖Fig.8 Physical chart of calibration platform

3.2 K波段天空亮溫度

結(jié)合南山觀測站水汽輻射計在對應(yīng)時段內(nèi)在23.8 GHz的測試數(shù)據(jù), 在仰角為90?、30?和5?時K波段天空亮溫度分別取為19.2 K、31.8 K和178.8 K.

3.3 系統(tǒng)測試

在中國科學(xué)院新疆天文臺南山觀測站晴朗夜空環(huán)境下, 對K波段接收機(jī)進(jìn)行冷熱負(fù)載法及不同仰角下的斬波輪法噪聲溫度測試.圖9為在90?仰角下對K波段接收機(jī)進(jìn)行冷空及常溫黑體的斬波輪測試.

圖9 90?仰角下斬波輪校準(zhǔn)測試Fig.9 Calibration test of chopper wheel at an elevation of 90?

由于接收機(jī)最終輸出為A、B兩路信號, 為了減少數(shù)據(jù)量, 本論文在此僅羅列通道A的測試數(shù)據(jù)及結(jié)果, 其中溫度單位為K, 功率單位為nW, Tr1為冷熱負(fù)載法測試的接收機(jī)噪聲溫度, Tr2為斬波輪法測試的接收機(jī)噪聲溫度, E1為斬波輪法與冷熱負(fù)載法測試的接收機(jī)噪聲溫度相對誤差.

在90?仰角下, 分別采取冷熱負(fù)載法和斬波輪法進(jìn)行5組對比測試, 通道A測試數(shù)據(jù)及比對結(jié)果如表1所示.

表1 90?仰角下的測試數(shù)據(jù)及比對結(jié)果Table 1 Test data and comparison results at an elevation of 90?

在30?和5?仰角下, 分別采取冷熱負(fù)載法、30?斬波輪法和5?斬波輪法進(jìn)行5組對比測試, 通道A測試數(shù)據(jù)及比對結(jié)果如表2、3所示.

本論文在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時, 將經(jīng)典的冷熱負(fù)載法測試到的噪聲溫度標(biāo)定為當(dāng)時真實的接收機(jī)的噪聲溫度, 斬波輪法測試的溫度用于與冷熱負(fù)載法測試的噪聲溫度進(jìn)行比對.在仰角為90?、30?、5?下斬波輪法進(jìn)行的噪聲溫度測試中, 90?仰角下最大誤差為8.4%, 30?仰角下最大誤差為7.5%, 均完全滿足強(qiáng)度校準(zhǔn)測試需求(誤差在10%以內(nèi));5?仰角下誤差在19.8%–28.8%之間, 分析原因主要是由于在低仰角情況下, 接收機(jī)不光接收的是冷空輻射, 地面的噪聲也會進(jìn)入接收鏈路中.這也是K波段實際觀測一般選擇在射電源仰角高于20?時進(jìn)行的原因.在此僅羅列5?仰角下的測試數(shù)據(jù), 在實際觀測中則不會采用.

表2 30?仰角下的測試數(shù)據(jù)及比對結(jié)果Table 2 Test data and comparison results at an elevation of 30?

表3 5?仰角下的測試數(shù)據(jù)及比對結(jié)果Table 3 Test data and comparison results at an elevation of 5?

4 總結(jié)

本論文通過組建K波段常溫接收機(jī)及噪聲校準(zhǔn)測試平臺, 在其上開展了斬波輪法的測試研究.通過與冷熱負(fù)載法的實測結(jié)果相比對, 得出斬波輪法在90?、30?仰角下的最大測試誤差分別為8.4%和7.5%, 完全可以滿足噪聲校準(zhǔn)的測試需求; 但在5?的低仰角下,由于引入了地面噪聲, 使得誤差上升至20%–30%之間而無法使用.斬波輪法的不足之處在于需要在晴好天氣下進(jìn)行, 當(dāng)天氣情況快速變化時, 由于無法實時獲取準(zhǔn)確的天空亮溫度而無法精確定標(biāo).本論文也希望在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展K波段天空亮溫度的理論計算與實測, 從而完善斬波輪技術(shù)的應(yīng)用, 使之可以滿足在不同氣象條件下的噪聲校準(zhǔn)測試需求.