CN103901281A

CN103901281A - 一种基于mmic微波检波芯片的通道可配置射电天文辐射计

Info

Publication number: CN103901281A
Application number: CN201410104686.9A
Authority: CN
Inventors: 董亮; 周屹; 周绍红; 冯迅; 汪敏; 施硕彪
Original assignee: Yunnan Astronomical Observatory of CAS
Current assignee: Yunnan Astronomical Observatory of CAS
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: CN103901281B

Abstract

一种基于MMIC微波检波芯片的通道可配置射电天文辐射计，由功分器、模拟滤波器、微波开关、微波放大器、步进衰减器、二功分器、商用频谱仪、检波器，多通道采集卡以及终端计算机依次相连组成，在终端计算机上还设有数字控制卡。本项发明通过微波开关的控制达到了选通和配置不同观测带宽的目的，通过控制可控增益射频放大器实现对增益可控确保了检波芯片的输入功率范围不溢出，同时基于低温漂宽动态范围检波芯片可以降低设备受温度的影响，保证观测数据的稳定性。最后通过NI9215数据采集卡进行模数转换采用速率可达100Ksps，可以实现采样后的任意积分时间观测。

Description

一种基于MMIC微波检波芯片的通道可配置射电天文辐射计

技术领域

本发明涉及基于欠采样的射电天文宽带辐射计系统，适用于射电天文观测装置新结构技术领域。

背景技术

射电天文观测中直接检测观测天体的总流量变化是最直接、最有效的获知天体目标变化的方式，相比其他间接方法更能反应天体活动的真实情况，因此可靠性更高；通过其流量变化规律，建立理论模型可理解射电源辐射机制和内部物理（例如由特征时标估算射电源物理尺度，以给出其角径上限）。

微波辐射计是进行总流量重要工具，其重要的指标包括，温漂特性，输入带宽，最小可识别灵敏度等。根据灵敏度与观测带宽之间的关系：

辐射计能检测到的最小射电流量

与积分时间τ和输入信号带宽

成反比。如果拥有更宽的输入信号带宽和更长的积分时间，则辐射计检测微弱信号的能力将更强。

但是目前无线电干扰问题（Radio Frequency interference RFI）严重干扰了射电天文辐射计的工作，无线电业务的扩大越来越多的频率被占用，这就使得射电天文观测带宽和干扰问题成为一对矛盾，如果需要增加带宽则同时也增加了无线电干扰的风险。

同时根据无线通信传输的特性，工作于分米波以上的大部分无线电干扰具有较强的方向性，由于大口径射电望远镜的指向性很强在某些方向上增益较弱，从而导致无线电干扰衰减较强，达不到影响射电观测的条件，这样在这些方向上完全可以扩大观测频段，提高灵敏度。

为此本项发明提出，利用多模拟滤波器组在射频前端选择不同的观测频段，通过单片机可控的微波开关选通不同的滤波器在线，已达到控制、选通的目的。

射电望远镜常用的辐射计有两种：基于检波二极管传统的模拟辐射计和商用的功率计。

这两种辐射计有以下明显的不足：

1. 传统的检波二极管作为一种模拟器件，其检波机制受到内部PN 结影响，稳定性不尽相同，且不同的二极管性能都有一定差异，为此长期观测的温度稳定性不好，且对输入参考电压要求较高，另外如果损坏更换完全性能相同的备件较为困难；

2. 较之于数字器件，模拟器件更容易受到电磁干扰的影响，如果电路板设计不佳，这种影响更加突出，这样就间接造成了灵敏度的下降；

因此限制了商用功率计在天文领域的诸多应用；而基于检波二极管的传统辐射计中一般采用的是RC 积分电路，用于RC 元件调整只能做到几个步进选择，且准确度不高，这样的积分时间的精度受到影响。

目前数字电子技术以其高度的稳定性和灵活性正在逐步取代传统模拟电子技术。特别是模数混合芯片的产生，将模数混合处理融入一片芯片中，提高的电路的稳定性，同时也减少了外围电路数量，基于模数混合处理技术实现的数字检波芯片就是其中之一，较之于传统的检波二极管其具有较高的稳定性。

目前多家ASIC（专用集成电路）厂商最近已经推出其宽频段数字检波芯片，以ADI(Analog Device Inc)为例已经推出了覆盖DC-10GHz 的ADL55x 和AD836x系列数字检波芯片，动态范围最大可达100dB,最小反应时间可达6 纳秒，在业界广泛应用于通信基站，雷达测量等领域。其中数字检波芯片较之于检波二极管的优势在于：

1. 其内部植入了稳压模块，即使在外界输入电压有 10%变化的情况下，作用于检波芯片核心部分的电压仍能保持稳定；

2. 采用了先进的屏蔽封装模式（package mode）,使得检波核心部分完全与外界电磁场隔离，达到了良好的稳定性，而检波二极管几乎是“裸露”与外界电磁场中，易受到无线电干扰；同时通过后端的高速采样，实时数据的存储，可以实现在不超过采样时间的所有积分时间实现。

为此，我们提出基于MMIC数字检波芯片+通带可配置的数字辐射计，其具有大动态信号输入范围、低温漂，积分时间灵活多变、抗干扰能力强、可靠性高等优点，可以在射电天文领域取代目前使用的传统辐射计和商用辐射计。

发明内容

一种基于MMIC微波检波芯片的通道可配置带宽的射电天文辐射计主要解决无干扰观测带宽在不同天区不同带来的灵敏度损失问题，同时利用先进低温漂检波芯片取代传统的检波二极管进行功率——电压的转换，具有稳定时间长，动态范围高，灵敏度高等优点。

一种基于MMIC微波检波芯片的通道可配置射电天文辐射计，本发明特征在于：由功分器、模拟滤波器、微波开关、微波放大器、步进衰减器、二功分器、商用频谱仪、检波器，多通道采集卡以及终端计算机依次相连组成，在终端计算机上还设有数字控制卡；其中功分器、模拟滤波器、微波开关构成模拟带宽可配置单元，微波放大器、步进衰减器、检波器以及多通道采集卡构成数字采集单元；所述的模拟带宽可配置单元的输入是射电望远镜的中频输出端，所述的模拟带宽可配置单元的输出端与可控增益射频微波放大器的输入端相连，所述可控增益射频微波放大器的输出端通过步进衰减器与二功分器的输入端相连，所述的二功分器的输出端一端与商用频谱仪相连，一端与数据采集单元输入端相连。

本发明检波器采用AD8363数字检波芯片；数字控制卡采用控制模块NI6509。

本发明首先利用微波开关控制和选通前端滤波器，以达到选通不同观测带宽的目的，同时可以有效规避无线电干扰；

本发明利用程控步进增益控制，可以确保数字检波芯片能工作于线性检波范围；

本发明采用目前微波检波芯片取代现有辐射计中的检波二极管，达到提高检波动态范围和稳定性的目的；

本发明采用高速数据采集卡并记录数据能够很好的达到任意积分时间可调的目的。

本发明利用模拟滤波器＋微波开关，可以选通不同的频带已到达抑制无线电干扰的目的。

同时本发明采用了频谱实时监视+可控步进衰减的方式监测输入到检波芯片AD8363的总功率情况，使得进入AD8363的信号总功率既保证其良好的线性范围，同时又确保其不饱和溢出。

本发明采用NI9215数据采集卡采集速度达到了100Ksps，为此可以在数据处理中实现任意大于0.01ms的观测积分时间，提高了观测的灵活性；

本发明采用NI9215数据采集卡其量化位数达到了16bit，根据参考电压—量化位数—最小可识别电压的关系:

其中V_ref为参考电压，n为量化位数，V_min 为最小可识别电压；采用16bit进行量化可以较之于其他采样器识别能更加微弱的信号变化，进一步提高了微弱信号的检测能力。

其具体实现方法如下：

1. 首先调研无线电环境，根据不同的无线电环境设计滤波器组中不同的滤波器性能指标，关键的如：通带范围，阻带范围，阻带抑制，通带内纹波；

2. 几个滤波器主要的设计依据：一小时无线电环境测量值，两小时无线电环境测量值，一昼夜无线电环境测量值；根据最大保持的无线电环境变化情况，确定一昼夜基本无无线电干扰频段，两小时基本无无线电干扰频段，一小时基本无无线电干扰频段；将总的中频通带划分为多个子通道，并设计相应的滤波器；

3. 根据确定的滤波器组情况选择功分器，将天线接收到的并经前端放大、混频后的中频信号均匀分配给滤波器组中的各个滤波器；

4. 通过频谱仪测量得到每个滤波器通带内信号总功率，根据此总功率和AD8363的有效线性输入功率之间（最大不超过-2dBm）的差值，计算得到放大器的增益A；

5. 同时根据一昼夜无线电干扰的变化情况，计算得到最恶化情况下无线电干扰带来的总功率上升情况，从而确定步进衰减器的最大衰减值；

6. 同时在步进衰减器输出后端接一个二功分器将信号分为两路，一路输入到频谱仪中作为观测时实时无线电频谱检测，发现无线电干扰异常立即调整步进衰减器的衰减值。

其关键在于：

1. 首先必须在充分调研无线电环境的基础上，确定无线电干扰的位置，决定模拟滤波器组的划分以及各滤波器通带宽度BW，阻带抑制度A；

2. 然后根据检波芯片的输入最佳检测电平范围和频谱仪监测到的滤波器输出电平值，决定放大器的增益情况；

3. 然后根据一昼夜无线电环境监测情况，确定步进衰减器的最大最小值，同时选取最佳控制方案；

4. 最后，根据上述情况采用labview软件编写上位机程序，由于NI5731的采样率可达到100Ksps,为此最小时间分辨率可以到0.01毫秒，在此基础上可以实现大于最小时间分辨率的任意积分时间观测。

本发明效果：本发明具有高灵活性，带宽可选择，积分时间可调等特点。1. 在充分调研无线电环境的基础上，设计滤波器组中各滤波器的性能参数，不同滤波器负责选通不同的无线电频段；2.通过微波开关远程控制到达选通不同的观测频段的目的；3. 根据输入信号总功率大小、检波器AD8363的最佳检测信号电平范围确定微波放大器的增益大小和步进衰减器的控制范围。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明滤波器通带示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种基于MMIC微波检波芯片的通道可配置射电天文辐射计，本发明特征在于：由功分器、模拟滤波器、微波开关、微波放大器、步进衰减器、二功分器、商用频谱仪、检波器，多通道采集卡以及终端计算机依次相连组成，在终端计算机上还设有数字控制卡；其中功分器、模拟滤波器、微波开关构成模拟带宽可配置单元，微波放大器、步进衰减器、检波器以及多通道采集卡构成数字采集单元；所述的模拟带宽可配置单元的输入是射电望远镜的中频输出端，所述的模拟带宽可配置单元的输出端与可控增益射频微波放大器的输入端相连，所述可控增益射频微波放大器的输出端通过步进衰减器与二功分器的输入端相连，所述的二功分器的输出端一端与商用频谱仪相连，一端与数据采集单元输入端相连。

本发明采用前端模拟滤波器组的选通特性，选通没有受到无线电干扰影响的频段，通过程控微波开关控制选通不同的通带，由于不同通带内干扰情况不同，这样可以在某一观测无线电环境恶化时可以迅速切换到干净的无线电频段。

在实时无线电监控方面，采用微波二功分器实时监测输入检波器的总功率值，作为选通不同的观测通带和配置步进衰减器的衰减值。

在终端的数字信号过程中，根据需要可以调整不同的积分时间。

Claims

1.一种基于MMIC微波检波芯片的通道可配置射电天文辐射计，其特征在于：由功分器、模拟滤波器、微波开关、微波放大器、步进衰减器、二功分器、商用频谱仪、检波器，多通道采集卡以及终端计算机依次相连组成，在终端计算机上还设有数字控制卡；其中功分器、模拟滤波器、微波开关构成模拟带宽可配置单元，微波放大器、步进衰减器、检波器以及多通道采集卡构成数字采集单元；所述的模拟带宽可配置单元的输入是射电望远镜的中频输出端，所述的模拟带宽可配置单元的输出端与可控增益射频微波放大器的输入端相连，所述可控增益射频微波放大器的输出端通过步进衰减器与二功分器的输入端相连，所述的二功分器的输出端一端与商用频谱仪相连，一端与数据采集单元输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于MMIC微波检波芯片的通道可配置射电天文辐射计，其特征在于：检波器采用AD8363数字检波芯片；数字控制卡采用控制模块NI6509。