CN101807932B

CN101807932B - 一种用于低频调制式辐射计接收机的三端调制器

Info

Publication number: CN101807932B
Application number: CN 201010105750
Authority: CN
Inventors: 黄福泉; 袁亮; 葛连生; 倪玉安; 高宇红; 柏发松
Original assignee: National Engineering Research Center For Coal Gas Control; Huainan Mining Group Co Ltd
Current assignee: National Engineering Research Center For Coal Gas Control; Huainan Mining Group Co Ltd
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2030-02-01
Also published as: CN101807932A

Abstract

一种用于低频调制式辐射计接收机的三端调制器，基于Dicke式调制接收系统，其特征是该系统在其输入端设有一个三端调制器，三个端口分别接以天线、终端负载和电子接收前端输入口，电子接收前端输入口分别在天线和终端负载两者间以一定频率不断切换，其特征是该三端调制器采用以含干簧管、电磁线圈、园管形磁屏蔽外罩构成的快速响应电磁开关为基本切换单元，以含偏置电阻及反峰抑制二极管的继电器电感负载驱动集成电路为基本导通控制单元；以可接受Dicke式调制射电辐射接收机低频系统输出的调制方波信号控制的CMOS电路作为双相控制电压产生单元。

Description

一种用于低频调制式辐射计接收机的三端调制器

技术领域

本发明属于射电天文中的射电辐射接收领域，特别是一种用于低频调制式辐射计接收机的三端调制器。

背景技术

在射电天文总強度辐射计接收设备中，高的增益稳定性是首先和必须的要求，这是因为天体的射电辐射是一种白噪声形态的辐射，若其满足高斯分布则其在本质上和射电辐射接收系统自身产生的电子噪声并无不同，因此，若射电辐射接收系统增益不稳定，则在射电辐射接收系统输出发生变化时，我们根本无法区分是射电辐射接收系统收到的来自天体自身射电辐射信号的变化还是射电辐射接收系统本机电子噪声的变化。所以，一般来说，要求射电辐射接收系统整机增益稳定性至少达到±1～2％/每小时或更高。为了达到这一要求，除了采用优质元件、设计潜在不稳定性较低的电路、使用高稳定电源、加强级间去耦滤波屏蔽外，通常使用的办法便是采用调制式辐射计接收机。所谓调制接收最通用的是Dicke式系统，该系统在其输入端引入了一个三端调制器，三个端口分别接以天线、终端负载和电子接收前端输入口，电子接收前端输入口分别在天线和终端负载两者间以一定频率不断切換，这一频率称为调制频率通常在10～10000Hz之间，波形通常为对称方波。这样，电子接收前端输入口便一半时间接收天线信号，另一半时间接收终端负载信号，经相检后得到的是天线信号减去终端负载信号。只要系统在一个方波周期(毫秒量级)内保持稳定即可。Dicke式调制辐射计接收机通过牺牲50％的天线信号和增加一套调制-相检系统的代价解决了射电辐射接收系统增益稳定性问题。在增加的一套调制-相检系统里最关键的就是一个低插入损耗低噪声高反向抑制的三端口调制器，因为，插入损耗和调制器自身噪声都将增加射电辐射接收系统的噪声并增加系统的增益不稳定性。

在微波和毫米波射电天文辐射接收系统通常采用波导型或同轴型电控铁氧体环行器，其插损在0.1～1db之间，反向抑制≥20db，由于是铁氧体器件自身并不产生电子噪声，但是到了中波、长波尤其是100KHz以下的超长波段，寻找一种低插入损耗低噪声高反向抑制的三端口调制器就很困难了。采用晶体管、场效应管制作的调制器自身将引入噪声，且插损不易做得很小；采用电磁带线切換开关则反应速度慢跟不上调制方波速度且有磨损。所以，能够良好工作在100Hz～10MHz的高灵敏度Dicke式调制射电辐射接收系统的低插入损耗低噪声高反向抑制的三端口调制器就很难解决了。

发明内容

本发明针对上述问题提出了一种解决途径，设计了一种用于低频调制式辐射计接收机的三端调制器，该三端调制器基于Dicke式调制辐射计接收系统，其特征是：该系统在其输入端设有一个三端调制器，三个端口分别接天线、终端负载和电子接收前端输入口，电子接收前端输入口分别在天线和终端负载两者之间以调制方波频率不断切換；该三端调制器包括：

以紧套在干簧管上的圆柱形分段电磁线圈和其外设的封闭圆管形磁屏蔽外罩共同构成同轴线型电磁开关作为基本切换单元，其中，干簧管内芯视为同轴传输线之内芯，外套的圆柱型分段电磁线圈及圆管形磁屏蔽外罩视为同轴传输的外导体，电磁线圈引出线的一端接+5V电源，另一端接到电磁线圈基本导通控制单元的输出端；

以含偏置电阻及反峰抑制二极管的继电器电感负载驱动集成电路为电磁线圈基本导通控制单元，其输出端接电磁线圈的一端；这样的同轴线型基本切换单元和电磁线圈基本导通控制单元共有两套，两套单元的控制输入端接入CMOS六反相器集成电路的两个反相输出端；这两套单元的控制输入信号必须相位相反，即一套导通另一套必须关断，反之亦然，以保证Dicke式调制射电辐射接收机低噪声前端按照调制方波频率不断地在天线与终端负载之间切換，使Dicke式调制射电辐射接收机稳定地工作并可以终端负载的温度为基准测定天线输入信号的相对辐射温度；

以可接受Dicke式调制射电辐射接收机低频系统输出的单相调制方波信号控制的CMOS六反相器集成电路作为双电磁线圈基本导通控制单元的双相控制电压产生单元，CMOS六反相器集成电路的某一个反相器的反相输入端接到Dicke式调制射电辐射接收机低频系统调制方波输出端；

采用由中心计算机控制的CMOS锁相环集成电路的同步方波输出端作为Dicke式调制射电辐射接收机低频系统调制方波输出端，由CMOS锁相环集成电路的同步输入端接受来自中心计算机输出的外同步信号控制，以实现同步调制。

在Dicke式调制辐射计放大链路的前置级和输出级之间设置了由双极性CMOS模拟开关构成的斩波器，并由与驱动方波同步的振铃去除脉冲控制其通断，该振铃去除脉冲之脉宽及起始延迟均可调，使得只切除被调制后的系统信号方波上升或下降沿出现的振铃而不影响正常信号；电磁线圈的通断电由基本导通控制单元的集成电路控制，其驱动由Dicke式调制型低频射电辐射计接收机的调制方波发生器产生的调制方波信号控制，该调制方波发生器同时产生相位检波器的相检方波及斩波去振铃脉冲，并均接受来自中心计算机输出的外同步信号控制，以实现同步工作。

上述同轴线型基本切换单元、基本导通控制单元及双相控制电压产生单元均分别置于镀银屏蔽合内，以三个SMA镀金同轴接头引出且屏蔽合内置电源滤波去耦电路，并经过穿心电容供电。

本发明的优点及有益效果：

1.整个切換开关成了一段阻抗近似50或75Ω的同轴传输线，从而减小其高频损耗及驻波反射而可用于从直流到较高的频率，实测可得100Hz～10MHz下插损～0.1db，最短切換时间达2ms。

2.为了简化电路、提高性能，我们采用了ON半导体器器件公司的微型封装单路继电器电感负载驱动集成电路MDC3105作为切換开关驱动电路。

3.电磁驱动的常开型干簧开关在吸合瞬间因机械弹性易发生触点来回跳动，这种现象出现在方波调制时将表现为被调制后的系统信号方波前沿出现振铃现象，这在Dicke式调制辐射计中将表现为假信号或多值输出。因此，我们在使用本发明于Dicke式调制辐射计中时特别设置了斩波式振铃去除电路。即在Dicke式调制辐射计放大链路的前置级和输出级之间设置了由双极性CMOS模拟开关构成的斩波器，并由与驱动方波同步的振铃去除脉冲控制其通断，该振铃去除脉冲之脉宽及起始延迟均可调，使得只切除被调制后的系统信号方波上升或下降沿出现的振铃而不影响正常信号。

4.本同轴传输线式微型干簧管三端调制器用于Dicke式调制型低频射电辐射计接收机中，其电磁线圈的通断电由MDC3105集成电路控制，其驱动由Dicke式调制型低频射电辐射计接收机的调制方波发生器产生的调制方波信号控制，该调制方波发生器同时产生相位检波器的相检方波及斩波去振铃脉冲，并均接受来自中心计算机输出的外同步信号控制，以实现同步工作。

附图说明

图1是本发明之同轴传输线式微型干簧管切換开关的机械结构图；

图2是本发明之调制型低频射电辐射计接收机的三端调制器结构示意图；

图3是本发明之三端调制器的驱动控制电路图；

图4是对调制过程中产生的振铃脉冲以斩波开关去除的方框示意图；

图5是图4的具体电路图；

图6是本发明Dicke式调制型低频射电辐射计接收机的方框原理图。

具体实施方式

图1是我们自行设计制造的同轴传输线式微型干簧管切換开关的机械结构图，其结构尺寸均经过严格设计计算。5为微型干簧管，采用日本OKI公司园管型ORD-219，其尺寸W1为Φ2×12；1为微型干簧管双端外引线，尺寸W2约为Φ0.5×16；4为用低介质损耗塑料棒车制的4糟线圈管，其外径W3为Φ12×13，其内径W4为Φ2.4×13；7为磁屏蔽外壳，以电工纯铁棒车制成中空罩杯，其外径W5为Φ14×16.4，其内径W6为Φ13×14，通体壁厚为0.5mm；2为该电工纯铁中空罩杯的端盖，也以电工纯铁棒车制成，与电工纯铁中空罩杯内缘为过渡配合；8为电工纯铁屏蔽罩两端Φ3.3开孔处填充的中间开有Φ0.5小孔的聚乙烯环，其尺寸W7为Φ3.3×2，ORD-219型双端外引线1即通过该Φ0.5孔穿出；6为以Φ0.05高強度潻包线分4段绕制而成的励磁线圈，其内径约3.4mm，外径约10.5-11mm；

如果我们将ORD-219微型干簧管的两端外引线(Φ0.5mm)及其玻璃管内的内芯(≈Φ0.45mm)视为同轴传输线的内导体(在干簧吸合时)，将套在玻璃管上的电磁线圈及园管形磁屏蔽外罩共同作为同轴传输线的外导体，将套在两端外引线上的聚乙烯环及内芯外的空气、玻璃管壁及线圈管壁作为同轴传输线的绝缘介质来设计，以这种带有台阶的内外导体及绝缘介质看作为传输阻抗略有不连续的同轴电缆，以减少频率较高时的传输损耗。则聚乙烯的ε＝2.3，玻璃管壁的ε＝5～6(无碱玻璃)，线圈管壁采用环氧酚醛玻璃层压棒车制而成ε＝8～10，如聚乙烯环外径3.3mm，依同轴线阻抗公式：Z₀＝ln b/a×60÷ε^1/2，则此段的阻抗为≈75Ω；如玻璃管壁厚0.2mm、线圈管壁厚0.5mm、玻璃管壁与线圈管壁间隙0.2mm、如此设计则微型干簧管段阻抗为≈75Ω；这样就构成了一个阻抗近似75Ω的同轴传输线式的切换开关。从而减小其高频损耗及驻波反射而可用于从直流到较高的频率，实测可得0～10MHz下插损～0.1db，最短切換时间达2ms。

图2是可用于100Hz～10MHz的Dicke式调制型低频射电辐射计接收机的三端调制器结构示意图。2和3是两个我们自行设计制造的同轴传输线式微型干簧管切換开关，用于轮流接通端口4-6或端口5-6，通常端口4接入需要接受调制的射频信号，端口5接入室温终端负载；1是三端调制器相应的驱动控制电路，用于接收外控制方波信号以轮流驱动2、3两个开关导通或切断；7为三端调制器金属屏蔽外壳；端口4、端口5是射频信号输入SMA接头；端口6是方波调制后的射频信号输出SMA接头；8是两个3300PF穿心电容，用以滤除射频干扰信号。

图3是用于100Hz～10MHz的Dicke式调制型低频射电辐射计接收机的三端调制器的驱动控制电路。它由一片小八脚封装的CMOS六反相器4069对由Vin输入端输入的调制方波进行整形、缓冲，然后输出两路幅度相同相位相反的控制方波，分别去控制两片(U₁、U₂)微型封装单路继电器电感负载驱动集成电路MDC3105的导通或关断，使相应同轴传输线式微型干簧管切換开关的电磁线圈J₁和J₂通电或断电，以使两个同轴传输线式微型干簧管切換开关相应闭合或断开，从而使接头IN1(A)和接头OUT(B)、接头IN2(C)和接头OUT(B)相应接通或断开，从而实现了方波调制。+5V电源的去耦傍路电路中采用了分别对应于低、中、高频傍路的470μf贴片钽电容、4.7μf贴片多层独石陶瓷电容和0.1μf贴片多层高频独石陶瓷电容，以实现完善的电源去耦，这是为了在高增益系统中抑制可能的来自供电系统的寄生反馈信号。

图4是本调制器用于Dicke式调制型低频射电辐射计接收机时，对其调制过程中产生的振铃脉冲以斩波开关去除电路的方框示意图。图中A点(in)接在前置放大器缓冲级之后，B点(out)则接在主放大器输入端之前，用于切除因微型干簧管在接通前的瞬间簧片震颤导致的振铃脉冲波形；而C点则接在调制方波发生器的输出缓冲级之后，经输出缓冲后的调制方波一路送往三端调制器的控制方波输入端(图3V_in)，另一路则经过两路相串联的单稳态触发器构成的延迟电路延时以后作为振铃脉冲去除电路的控制信号，去控制斩波模拟开关的关断或导通，其中DW1约时延100μS，DW2约时延300μS(假定调制方波频率为12.5Hz)，DW2产生的300μS正脉冲就是用于切断振铃脉冲。

图5是本调制器用于100Hz～10MHz Dicke式调制型低频射电辐射计接收机时，对其调制过程中产生的振铃脉冲以斩波开关去除的具体电路图。ISL43113是一种小信号、双电源供电的可用作正负双向交流信号切换用的高性能常闭模拟开关，在f＝10MHz时，插入损耗≤0.1～0.3db，关断比≥55db，关断响应时间≈20ns。经前置低噪声放大器放大的已调制信号由A(in1)点输入，经过由宽带、低噪声、电压反馈型运算放大器0PA846构成的可调零缓冲放大器放大并调整偏置，输入到ISL43113常闭开关的1脚，以保证ISL43113工作于直流偏置为零电平的低阻抗状态。ISL43113常闭开关的8脚，经51Ω电阻匹配由OUT点输出并接到下级主放大器的输入端。CD4098为CMOS可重触发双单稳态多谐振荡器集成电路，驱动调制器的同一调制方波由B(in2)点输入，经并以两个互为反向的二极管的双微分电路取出对应于方波前后沿的尖脉冲，分别送到CD4098的两个单稳态触发器的4脚与5脚，在对应于调制方波前后沿的尖脉冲作用下，延迟产生去振铃斩波控制脉冲，送到ISL43113常闭模拟开关控制端6脚作为斩波控制电压，切除调制器在调制过程中产生的振铃脉冲，以使Dicke式调制型低频射电辐射计接收机的相位检波器正常工作。本部分电源的供电回路中设置了完善的多级的复合的电源去耦傍路电路，并在傍路电路中采用了分别对应于低、中、高频傍路的470μf贴片钽电容、4.7μf贴片多层独石陶瓷电容和0.1μf贴片多层高频独石陶瓷电容，这是为了实现完善的电源去耦以在高增益系统中抑制可能的来自供电系统的寄生反馈信号而使Dicke式调制型低频射电辐射计接收机能实现高增益稳定性的工作。

图6是本发明用于100Hz～10MHz的Dicke式调制型低频射电辐射计接收机的方框原理图。

结合图6和图5，需要说明的是：

1、同轴传输线式微型干簧管切換开关乃本发明之关键，其直流及超低频损耗主要取决于微型干簧管的接触电阻(≤0.1Ω)，但其高频下的损耗主要取决于在其整个长度内的同轴传输线的完整性和电气阻抗的连续性，因此，低损耗的、介电常数为选定值的电介质材料的选取、设计及加工以及分段绕制的电磁线圈(≥25AT)就成为关键。

2、为了防止来自电源的杂散信号干扰和切断来自空间的电波感应，调制器、振铃斩波去除电路和调制方波发生电路均分别装于三个密闭镀银屏蔽合内；三个屏蔽合均分别内置严格的电源滤波去耦电路，并均经过穿心电容供电。

3、用于低频射电辐射计接收机时，调制振铃斩波去除电路是必要的，但须适当调整切除段相对于调制方波脉冲的时间比例，当调制方波脉冲重复频率为12.5Hz时，切除段的脉宽及其延迟时间之和应当≯1ms。

4、我们制成的调制器系统用于Dicke式调制型低频射电辐射计接收机可达到下述指标：辐射计灵敏度≤0.2°K，辐射计增益稳定性≯±0.1％/每小时(室温下)。

Claims

1.一种用于低频调制式辐射计接收机的三端调制器，基于Dicke式调制射电辐射计接收机低频系统，其特征是：该系统在其输入端设有一个三端调制器，三个端口分别接天线、终端负载和电子接收前端输入口，电子接收前端输入口分别在天线和终端负载两者之间以调制方波频率不断切換；该三端调制器包括：

以紧套在干簧管上的圆柱形分段电磁线圈和其外设的封闭圆管形磁屏蔽外罩共同构成同轴线型切换单元，其中，干簧管内芯视为同轴传输线之内芯，外套的圆柱型分段电磁线圈及圆管形磁屏蔽外罩视为同轴传输的外导体，电磁线圈引出线的一端接＋5V电源，另一端接到电磁线圈导通控制单元的输出端；

以含偏置电阻及反峰抑制二极管的继电器电感负载驱动集成电路为电磁线圈导通控制单元，其输出端接电磁线圈的一端；这样的同轴线型切换单元和电磁线圈导通控制单元共有两套，两套单元的控制输入端接入CM0S六反相器集成电路的两个反相输出端；这两套单元的控制输入信号必须相位相反，即一套导通另一套必须关断，反之亦然，以保证Dicke式调制射电辐射计接收机低频系统低噪声前端按照调制方波频率不断地在天线与终端负载之间切換，使Dicke式调制射电辐射计接收机低频系统稳定地工作并以终端负载的温度为基准测定天线输入信号的相对辐射温度；

以能够接受Dicke式调制射电辐射计接收机低频系统输出的单相调制方波信号控制的CM0S六反相器集成电路作为两套电磁线圈导通控制单元的正、反双相控制电压产生单元，CM0S六反相器集成电路的某一个反相器的反相输入端接到Dicke式调制射电辐射计接收机低频系统调制方波输出端；

采用由中心计算机控制的CM0S锁相环集成电路的同步方波输出端作为Dicke式调制射电辐射接收机低频系统调制方波输出端，由CM0S锁相环集成电路的同步输入端接受来自中心计算机输出的外同步信号控制，以实现同步调制。

2.根据权利要求1所述的用于低频调制式辐射计接收机的三端调制器，其特征是在Dicke式调制射电辐射计接收机放大链路的前置级和输出级之间设置了由双极性CM0S模拟开关构成的斩波器，并由与驱动方波同步的振铃去除脉冲控制其通断，该振铃去除脉冲之脉宽及起始延迟均可调，使得只切除被调制后的系统信号方波上升或下降沿出现的振铃而不影响正常信号；电磁线圈的通断电由导通控制单元的集成电路控制，其驱动由Dicke式调制射电辐射计接收机的调制方波发生器产生的调制方波信号控制，该调制方波发生器同时产生相位检波器的相检方波及斩波去振铃脉冲，并均接受来自中心计算机输出的外同步信号控制，以实现同步工作。

3.根据权利要求1或2所述的用于低频调制式辐射计接收机的三端调制器，其特征是上述同轴线型切换单元、导通控制单元及正、反双相控制电压产生单元均置于镀银屏蔽合内，以三个SMA镀金同轴接头引出。