CN104702329B - 一种基于微波模块化电路的VHF段55‑65MHz射电天线阵接收机系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于微波模块化电路的VHF段55‑65MHz射电天线阵接收机系统，该系统由两个一级带通滤波器、两个初级放大器、两个二级带通滤波器、移相信号合成模块、次级放大器以及第三级放大器组成依次连接组成；其中带通滤波器、放大器以及移相信号合成模块均选用微波模块化电路。本发明具有设计简单、调试方便、体积小、成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及VHF段射电天文观测领域，尤其是适用于VHF频段大型射电综合孔径天线阵的模拟接收系统。
背景技术
天体的电磁辐射反映出辐射体的重要特性和状态，射电观测是研究包括太阳、地球、行星及太阳系外天体的一个十分重要的手段。频率在80MHz以下的甚低频射电辐射在太阳系内提供了大量的关于太阳和行星射电和爆发的信息，而且对于太阳系以外天体的射电观测，甚低频不是现在人类已经能够观测的电磁波段的简单外推，而是一个具有重大意义和重要地位的探索空间。这是因为这个频率范围基本还没有进行过具有有效空间分辨率的观测，人类对宇宙在这个频率范围了解基本是空白。有很多天文现象只有在甚低频这个波段才能探测到，已经预计科学探测内容包括：木星电离层和磁层射电甚低频辐射和木星射电爆发，低频和甚低频脉冲星辐射、辐射跳变，太阳CME和射电爆发、AKR辐射，银河系甚低频大尺度高分辨率辐射特性、银河电离氢分布勘测、瞬变天体时变频率特性研究等。甚低频波段具有丰富的天体文现象和辐射，由于甚低频的观测如此之少，在这个波段发现没有预料到的全新现象的可能性不可低估。
低频太阳射电活动观测能够对太阳爆发性活动产生的CME、高能粒子流、激波等现象的动力学过程和传播特性给出自洽描述。另外，关于木星射电辐射机制、木星电离层和磁层的物理特性，其射电辐射主要发生在40MHz以下的十米波(DAM)频段，是在太阳活动峰年1955年被发现并开始观测,成为行星磁层探测的起点里程碑。由于在甚低频段没有足够的空间和频率分辨能力，对木星射电的辐射机理至今未被完全揭示。从观测角度考虑，只有宽带观测才能够揭示Io关联的木星S型爆发快变实践，。
对于太阳系以外天体的射电观测，甚低频这个频率范围不是现在人类已经能够观测的电磁波段的简单外推，而是一个具有重大意义和重要地位的探索空间。因为该频段内目前还基本没有进行过具有有效意义的观测，人类对宇宙在这个频率范围内的辐射特征及所对应的物理现象的了解基本上是空白。
国际上长期以来只有为数不多的天文台在进行甚低频射电天文常规观测，如乌克兰的UTR-2天线阵、法国南希天文台、日本东北大学低频干涉阵、美国弗罗里达天文台和夏威夷天文台等。这些天文台目前的空间分辨本领在木星距离上不足10角分。目前它们和建设中的LOFAR和SKA澳大利亚方案可以提供的甚低频宽带观测，但是还没有系统开展干涉测量观测，尚未达到建立太阳CME射电辐设模型和木星射电辐射机制模型的能力。
“工欲善其事必先利其器”，要进行低频射电成图观测，首先必须进行单站建设和初步的观测，那么单站关键技术问题的设计将至关重要。
中国科学院云南天文台作为我国陆基低频射电观测网的重要成员，提出研制甚低频单观测站关键技术的研究。本申请将介绍云南天文台射电天文研究组在甚低频波段的接收机电路的研发，本接收机采用了先进的集成微波模块技术作为设计核心，大大降低了设计成本，提高了系统的集成度和稳定性。
发明内容
一种基于微波集成电路的VHF段55-65MHz射电天线阵接收机系统主要适用于VHF段射电天文观测，该段观测的主要目标在于：高日冕大气异动、高红移的21㎝中性氢谱线、系内行星爆发等。采用了先进的集成微波模块技术作为设计核心，具有设计周期短，成本低，系统的集成度和稳定性较高等优点。
本发明的技术方案如下：
一种基于微波模块化电路的VHF段55-65MHz射电天线阵接收机系统，本发明特征在于：该系统由两个一级带通滤波器、两个初级放大器、两个二级带通滤波器、移相信号合成模块、次级放大器以及第三级放大器组成依次连接组成；其中带通滤波器、放大器以及移相信号合成模块均选用微波模块化电路，本系统采用平衡输入——不平衡输出模式，接收阵子天线两臂采集到的信号，转化为单路信号输出。
本发明采用第一级带通滤波器对阵子天线的两臂采集到的信号进行滤波，选通30-70MHz范围的信号，由于该滤波器噪声系数低将其放在第一级可以降低整个系统的噪声温度；但其缺点在于其带外抑制度较低，难以抑制带外的无线电干扰信号。
在第一级带通滤波完成后，采用微波集成放大器对滤波信号进行放大，放大倍率约为23dB～25dB；在放大器之后连接第二级滤波器选择55-65MHz的带通信号；在第二级滤波器之后通过移相信号合成模块将两路平衡输入信号转化为一路非平衡输出信号，此时信号由双天线臂采集到的双路信号，转化为单路信号；上述单路信号再经两级放大后(型号：GALI-74+)，放大倍率约为46dB～50dB输出信号给后端的数字终端。
本发明效果：
本发明具有无线电干扰小，观测带内较为宁静，集成度高、性能稳定，同时工艺成本便宜等优点。
1.在充分调研观测点无线电环境的基础上，选取合适的滤波器、放大器组合方案，滤波器的有效选取可以减少带内无线电干扰给观测带来的影响；
2.选择模块化滤波器、放大器以及移相信号合成模块，简化了整个系统的设计，同时提高了可靠性；
3.采用两级滤波方式，减轻了两级滤波器的指标压力，特别是第一级滤波器采用低噪声的BPF-C45+，噪声系数NF(Noise Figure)约为0.4dB，折合噪声温度约为28K，相对于该频段天空的噪声温度约6000K，可以忽略不计。根据无线电接收机各个部件噪声系数及总体噪声温度之间的关系，接收机的噪声温度主要有第一级器件及第一级放大器贡献，选择低噪声滤波器作为第一级可以有效降低系统噪声温度，提高系统灵敏度。
附图说明
图1为昆明市东郊凤凰山云南天文台本部无线电环境图；
图2为接收机整体系统链路图；
图3为接收机设计原理图；
图4为接收机印刷电路板图。
具体实施方式
如图1，图2所示，及表1、2、4、5、6所示，一种基于微波模块化电路的VHF段55-65MHz射电天线阵接收机系统，本发明特征在于：该系统由两个一级带通滤波器、两个初级放大器、两个二级带通滤波器、移相信号合成模块、次级放大器以及第三级放大器组成依次连接组成；其中带通滤波器、放大器以及移相信号合成模块均选用微波模块化电路，该系统采用平衡输入——不平衡输出模式，接收阵子天线两臂采集到的信号，转化为单路信号输出；
本发明采用第一级带通滤波器(型号：BPF-C45+)对阵子天线的两臂采集到的信号进行滤波，选通30-70MHz范围的信号，(由于该滤波器噪声系数低将其放在第一级可以降低整个系统的噪声温度；但其缺点在于其带外抑制度较低，难以抑制带外的无线电干扰信号；)
本发明在第一级带通滤波完成后，采用微波集成放大器(型号：GALI-74+)对滤波信号进行放大，放大倍率为24dB；在放大器之后连接第二级滤波器(型号：BPF-A60+)选择55-65MHz的带通信号；在第二级滤波器之后通过移相信号合成模块(型号：T1-1-KK81+)将两路平衡输入信号转化为一路非平衡输出信号，此时信号由双天线臂采集到的双路信号，转化为单路信号；上述单路信号再经两级放大后(型号：GALI-74+)，放大倍率为48dB输出信号给后端的数字终端。
申请人首先调研其所处的台站无线电环境，我们注意到云南天文台凤凰山本部VHF段比较复杂。主要的强干扰区域在于高于75MHz的调频广播干扰和低于30MHz的短波通信干扰，距我们观测带最近最有可能影响观测通带的几个无线电干扰信号及其强度分别是：
1.77.0MHz信号强度为-61.41dBm高于噪底约21dB，距观测上限频率65MHz约12MHz；
2.81.2MHz信号强度为-67.47dBm高于噪底约13dB，距观测上限频率65MHz约16MHz；
3.88.5MHz信号强度为-37.03dBm高于噪底约43dB，距观测上限频率65MHz约24MHz；
4.91.8MHz信号强度为-32.99dBm高于噪底约48dB，距观测上限频率65MHz约27MHz；
5.23.1MHz信号强度为-71.43dBm高于噪底约12dB，距观测下限频率55MHz约32MHz；
根据Mini-circuit公司提供两种滤波器的参数看来，在这几个干扰信号在经过第一级滤波器后均低于噪声电平，为此不会干扰到后面的放大器、移相器及采样电路；本系统总增益约为：63dB，总噪声系数约为：3.2dB，折合噪声温度约为220K。
表1.70-110MHz频段内详细无线电干扰频点说明表
主要是调频广播干扰，其中离观测带宽比较近的几个强干扰分别如下：
| 干扰频点 | 强度(RBW＝30kHz,Atten＝0dB,avg＝0) |
| 77.0MHz | -61.41dBm |
| 81.2MHz | -67.47dBm |
| 88.5MHz | -37.03dBm |
| 91.8MHz | -32.99dBm |
| 95.2MHz | -39.82dBm |
| 97.0MHz | -37.38dBm |
| 99.0MHz | -55.72dBm |
| 105.7MHz | -34.88dBm |
表2.10-30MHz,频段内详细无线电干扰频点说明表
主要是短波无线电台的干扰：
| 干扰频点 | 强度(RBW＝30kHz,Atten＝0dB,avg＝0) |
| 23.1MHz | -71.43dBm |
| 21.4MHz | -55.98dBm |
| 17.5MHz | -50.23dBm |
| 15.4MHz | -41.8dBm |
| 13.6MHz | -43.38dBm |
| 11.5MHz | -50.65dBm |
表3.接收机各元器件指标一览表
表4.BPF-A60+在不同频点上的插入损耗指标
| 频率frequency(MHz) | 插入损耗Insertion Loss(dB) |
| 1 | 99.79 |
| 47 | 77.72 |
| 50 | 43.58 |
| 55 | 3.37 |
| 60 | 2.16 |
| 65 | 2.75 |
| 69 | 13.96 |
| 72 | 26.12 |
| 75 | 35.06 |
| 100 | 64.23 |
| 250 | 98.54 |
表5.BPF-C45+在不同频点上的插入损耗指标
| 频率frequency(MHz) | 插入损耗Insertion Loss(dB) |
| 0.5 | 78.80 |
| 5 | 61.88 |
| 23 | 29.29 |
| 29 | 1.02 |
| 30 | 0.67 |
| 40 | 0.36 |
| 60 | 0.44 |
| 70 | 0.60 |
| 80 | 1.18 |
| 90 | 15.44 |
| 95 | 47.02 |
| 120 | 51.78 |
表6.几个最强影响的无线电干扰信号接收机内部经过第一级滤波器后电平一览表
Claims (2)
1.一种基于微波模块化电路的VHF段55-65MHz射电天线阵接收机系统，其特征在于：该系统采用平衡输入——不平衡输出模式，接收阵子天线两臂采集到的信号，转化为单路信号输出；该系统由两个一级带通滤波器、两个初级放大器、两个二级带通滤波器、移相信号合成模块、次级放大器以及第三级放大器组成依次连接组成；其中带通滤波器、放大器以及移相信号合成模块均选用微波模块化电路；
在第一级带通滤波完成后，采用微波集成放大器对滤波信号进行放大，放大倍率为23dB～25dB；在放大器之后连接第二级滤波器，选择55-65MHz的带通信号；在第二级滤波器之后通过移相信号合成模块将两路平衡输入信号转化为一路非平衡输出信号，此时信号由双天线臂采集到的双路信号，转化为单路信号；上述单路信号再经两级放大后，放大倍率为46dB～50dB输出信号给后端的数字终端。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波模块化电路的VHF段55-65MHz射电天线阵接收机系统，其特征在于：采用第一级带通滤波器对阵子天线的两臂采集到的信号进行滤波，选通30-70MHz范围的信号。
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