CN106053962B - 一种基于电波环境测试的射频接收机模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电波环境测试的射频接收机模块，该接收机模块是由腔体、腔体上盖板、腔体下盖板、固定板、卡扣、标准噪声源、微波开关、低噪声放大器、高通滤波器、控制电路板、固定环、支撑杆锁紧固件、支撑杆、热传导衬垫组成；该接收机模块的腔体中微波器件分布极其紧凑，最大限度的缩短天线与低噪声低噪声放大器之间的射频线缆长度，减小射频线缆插入损耗对系统噪声的贡献；腔体的密封设计能实现防水防尘，并能通过透气阀完成腔体内外气体交换；腔体内部机械连接处放置热传导衬垫实现机械部件相互之间热传递；该接收机模块灵敏度高，测试数据可靠，通过温度、湿度监测提高系统可靠性，实现户外环境下高灵敏度电波环境长期测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电波环境测试的射频接收机模块，用于户外条件下射电天文台站的电波环境测试。
背景技术
射电天文是通过接收和处理宇宙天体辐射的微弱无线电波研究天文现象的一门学科。射电望远镜是射电天文观测的重要工具，具有极高的系统灵敏度，主要体现为：大口径抛物面天线，超宽带制冷接收机，高速数字处理终端。
国内现有的射电望远镜建设期间缺乏电磁兼容性设计及屏蔽防护，电波环境复杂，以新疆南山25米射电望远镜为例，主要体现在25米射电望远镜系统不断升级改造、台站光学观测平台建设不断扩张，电子设备不断增多；台站外无线电业务众多，如移动通信、通信链路系统、航空导航、雷达测距、卫星通信等业务对射电天文业务产生干扰。台站内电子设备电磁辐射及台站外无线通信业务产生的电磁辐射通过天线旁瓣进入接收系统，恶化观测数据。RFI(Radio Frequency Interference)的强度和频谱密度使天文观测结果深受RFI的影响以致失去使用价值。利用单天线射电望远镜进行的观测最易受到干扰的影响，原因是积分时间提高了望远镜对天文信号的灵敏度，但也同等程度的提高了其对RFI信号的灵敏度。有效的电波环境测试及频谱分析为现有射电天文台站频谱管理、屏蔽防护、安排观测策略提供重要依据。
无线电宁静程度是大口径射电望远镜选址的最重要指标之一，鉴于射电望远镜具有极高的系统灵敏度，要求电波环境测试频谱能够反映微弱信号和瞬态信号特征，故要求电波环境测试系统具有极高的系统灵敏度及可靠的测试数据，能够在户外恶劣环境下正常工作。
现有用于电波环境测试的射频接收模块在设计方面缺乏系统灵敏度设计考虑，测试精度方面主要通过理论计算系统增益对测试数据进行校准，测试数据的不确定度较大；另外，现有射频接收模块在户外条件使用及系统可靠性方面缺乏相关设计考虑。
发明内容
本发明目的在于，提供一种基于电波环境测试的射频接收机模块，该接收机模块是由腔体、腔体上盖板、腔体下盖板、第一固定板、第二固定板、第一卡扣、第二卡扣、第一标准噪声源、第二标准噪声源、第一微波开关、第二微波开关、第三微波开关、第四微波开关、第五微波开关、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、高通滤波器、控制电路板、固定环、支撑杆锁紧固件、支撑杆、热传导衬垫组成；该接收机模块的腔体及内部结构以提高系统灵敏度为设计准则，微波器件分布极其紧凑，最大限度的缩短天线与低噪声放大器之间的射频线缆长度，减小射频线缆插入损耗对系统噪声的贡献；腔体的密封设计能实现防水防尘，并能通过透气阀完成腔体内外气体交换；腔体内部机械连接处放置热传导衬垫实现机械部件之间热传递；该接收机模块具有较强的环境适应性，且灵敏度高，测试数据可靠，通过温度、湿度监测提高系统可靠性，实现户外环境下高灵敏度电波环境长期测试。
本发明所述的一种基于电波环境测试的射频接收机模块，该接收机模块是由腔体、腔体上盖板、腔体下盖板、第一固定板、第二固定板、第一卡扣、第二卡扣、第一标准噪声源、第二标准噪声源、第一微波开关、第二微波开关、第三微波开关、第四微波开关、第五微波开关、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、高通滤波器、控制电路板、固定环、支撑杆锁紧固件、支撑杆、热传导衬垫组成；腔体(1)为上下开口的圆柱形，腔体上盖板(2)上沿与腔体(1)上端法兰平齐，腔体下盖板(3)嵌入到腔体(1)下端法兰内侧；在腔体上盖板(2)上开设有喇叭天线信号输入口(26)的接口，腔体下盖板(3)分别开设有透气阀(21)、加热模块供电口(22)、信号输出口(23)、电路板供电口(24)和对称周期天线信号输入口(25)的接口；腔体上盖板(2)与腔体下盖板(3)之间分别由上、下两个平行放置的第一固定板(4)和第二固定板(5)支撑固定；在第一固定板(4)的正面分别设有第一标准噪声源(6)，控制电路板(10)、第一微波开关(11)和第三微波开关(13)，第一标准噪声源(6)通过第一卡扣(8)固定，在第一固定板(4)的反面通过第二卡扣(9)固定第二标准噪声源(7)，第一低噪声放大器(16)固定在第一固定板(4)的反面；在第二固定板(5)的正面分别设有第二微波开关(12)、第四微波开关(14)、第二低噪声放大器(17)、第三低噪声放大器(18)和第四低噪声放大器(19)，在第二固定板(5)的反面分别设有第五微波开关(15)和高通滤波器(20)；喇叭天线(29)底座与腔体(1)上沿法兰和腔体上盖板(2)通过螺丝固定，喇叭天线(29)信号线连接至喇叭天线信号输入口(26)；固定环(30)的中心部位通过螺丝与腔体下盖板(3)固定，固定环(30)的外圈与腔体(1)下端法兰通过螺丝固定，在固定环(30)的中心部位通过支撑杆锁紧固件(31)与支撑杆(32)连接固定；对称周期天线(33)信号线穿过支撑杆(32)内部连接至对称周期天线信号输入口(25)。
第一微波开关(11)输入端一路连接对称周期天线信号输入口(25)进入的信号，另一路连接第一标准噪声源(6)信号，第一微波开关(11)输出端与第一低噪声放大器(16)连接，第一低噪声放大器(16)输出端与第二微波开关(12)中的一路输入端口连接；第三微波开关(13)输入端中的一路连接喇叭天线信号输入口(26)进入的信号，另一路连接第二标准噪声源(7)信号，第三微波开关(13)输出端与第四微波开关(14)输入端连接，第四微波开关(14)中的一路输出端与第三低噪声放大器(18)连接，另一路输出端与第四低噪声放大器(19)连接；第三低噪声放大器(18)与第四低噪声放大器(19)的输出端分别与第五微波开关(15)中的两路输入端连接，第五微波开关(15)中的输出端与高通滤波器(20)连接，高通滤波器(20)输出端与第二微波开关(12)中的另一路输入端连接，第二微波开关(12)输出端与第二低噪声放大器(17)连接，第二低噪声放大器(17)输出端接信号输出口(23)，将最终信号输出给外部的计算机和数据处理终端。
腔体(1)上沿法兰处设有第一密封槽(27)，在第一密封槽(27)内放置密封圈，保持腔体(1)与喇叭天线(29)之间的密封性；腔体下盖板(3)的侧面设有第二密封槽(28)，在第二密封槽(28)内放置密封圈，保持腔体(1)与腔体下盖板(3)之间的密封性；腔体下盖板(3)上开设的透气阀(21)，保证腔体(1)内外气体交换，且防止水汽通过透气阀(21)进入。
第一固定板(4)和第二固定板(5)与腔体上盖板(2)和腔体下盖板(3)之间的固定连接处放置热传导衬垫(34)，用于机械部件相互之间热量传递。
本发明所述的一种基于电波环境测试射频接收模块，该接收模块以最大化提高系统灵敏度为设计准则，尤其是高频链路部分，微波器件分布极其紧凑，最大限度的缩短天线与低噪声放大器之间的射频线缆长度，减小射频线缆插入损耗对系统噪声的贡献，从而最大化的提高系统灵敏度；微波链路中增加衰减器减小微波链路的驻波，提高系统的微波性能；高通滤波器用来防止低频杂散信号对高频测试的影响。系统校准方面，采用标准噪声源对微波链路进行校准，并通过温度传感器获取标准噪声源的工作环境温度，提高系统微波链路校准精度，从而提高测试数据精度及可靠性。户外防护方面，腔体(1)、腔体上盖板(2)、腔体下盖板(3)、第一固定板(4)、第二固定板(5)的选材均为铝合金；安装3个温度传感器(一个在电路板上，一个在标准噪声源附近，一个在户外)，1个湿度传感器(电路板上)；通过低噪声放大器自身功耗加热固定板，实现射频接收模块能够在低温环境下工作；在固定板与腔体盖板接触面安装热传导衬垫(34)，有效提高高温环境下的散热效果，所有与外界接触的接头采用防水防腐蚀接头；通过安装防水透气阀，实现由于温度及其它环境因素引起气压变化导致腔体内部水蒸气增多，影响微波器件性能，并通过安装湿度传感器监测腔体内部的湿度变化，提高系统的可靠性；腔体(1)与法兰之间通过安装防水密封圈，起到防雨水作用。电磁防护方面，将铁氧体磁环安装在控制线和射频接收模块的输入及输出的信号线上，缓解系统链路高频干扰，提高射频接收模块的电磁兼容性，更进一步提高电波环境测试数据的可靠性。所述接收机模块通过微波开关切换，工作带宽满足100MHz-12GHz。
所述腔体(1)，外形设计为圆柱形中空结构，上下沿为连接法兰，选用材料为铝合金，经加工、抛光后制作而成。该腔体(1)由于重量轻，便于整个测试设备在不同方位和俯仰的调整，实现测试覆盖台址区域360度天区。腔体(1)内部由于空间有限，微波器件数量多，为实现系统微波链路的高灵敏度要求，各个器件布局及连接非常紧凑，设计和制作方面主要考虑两方面内容：首先，微波器件之间的电缆连接，由于射频电缆的长度和弧度影响电缆的微波性能，要求射频电缆长度短、弯曲少，减少电缆插入损耗对系统噪声的贡献，提高系统链路的微波性能；其次，四个微波开关都均为三端口微波器件，导致其它微波器件与微波开关之间的连接困难，微波器件采用空间分布方式，实现器件之间的电缆连接最短，提高系统链路的微波性能；且腔体内部微波器件布局紧凑，射频模块尺寸小，重量轻，减小户外长期使用的设计难度。基于上述考虑，本发明采取分层设计的布局方案，在腔体内部设计第一固定板(4)、第二固定板(5)，平行放置于腔体(1)内部，中间间隔适当距离可以保证微波器件的放置，优化各个器件的位置，实现微波链路的电缆连接长度小、弯曲少；且电缆制作及弯曲成型后，采用矢量网络分析仪对射频电缆的插入损耗和反射系数进行测试，要求工作带宽内电缆的反射系数小于-20dB，而实际测试绝大多数线缆反射系数小于-25dB(反射系数越小，线缆微波性能越优)。
所述腔体(1)的密封设计满足户外使用雨水防护。无线电环境和水汽影响射电天文观测，故射电天文台站多建设在海拔高、人为无线电干扰少的环境，射频接收模块需满足户外防雨水要求，防止水汽进入腔体(1)腔体内部，腐蚀微波器件及其它电子器件，提高系统微波链路的稳定性及使用寿命。在腔体下盖板(3)安装透气阀(21)，可以实现腔体(1)内外气体交换，保持腔体(1)内外大气压一致，防止因海拔及温度变化导致腔体(1)内外大气压存在差异，导致射频接收模块长期户外使用时水汽从密封圈进入腔体(1)内部，影响腔体(1)内部器件性能。
所述的腔体(1)内部的热设计考虑，由于标准噪声源的工作温度要求高于0℃，这就要求腔体(1)内部的环境温度保持在0℃以上，设计上主要有两方面考虑：首先机械连接处放置热传导衬垫(34)，实现第一固定板(4)、第二固定板(5)和法兰之间的热传递，防止夏日高温环境下的散热要求；其次，通过4个低噪声放大器的功耗为第一固定板(4)、第二固定板(5)加热，安装时保证4个低噪声放大器与第一固定板(4)、第二固定板(5)接触良好，提高4个低噪声放大器的热传导效率，防止4个低噪声放大器过热影响微波性能，通过初步温度监测，确定4个低噪声放大器加热功耗满足冬天低温环境下正常工作。4个低噪声放大器通过内部加热保持恒温状态，提高4个低噪声放大器的稳定性，使用时需要及时散热，降低其温度，防止4个低噪声放大器损坏。本发明将4个低噪声放大器固定在第一固定板(4)、第二固定板(5)上，4个低噪声放大器的热损耗传递到第一固定板(4)、第二固定板(5)上，保持腔体(1)内部的工作温度，实现低温环境下工作要求；而第一固定板(4)、第二固定板(5)的热量则可以通过热传导衬垫(34)传递到腔体上盖板(2)和腔体下盖板(3)上，腔体上盖板(2)和腔体下盖板(3)与外界空气接触，保证户外高温环境的有效散热。
所述腔体(1)内部的控制电路板上搭载温度及湿度传感器，分别为电路板温度传感器、标准噪声源位置温度传感器、外界环境温度传感器、电路板湿度传感器。通过标准噪声源位置温度监测确定腔体内温度是否满足射频接收模块工作温度要求，另外，实时环境温度提高系统链路校准的精度，通过校准获得的系统增益对测试数据进行校准，提高测试数据的精度。通过监测腔体(1)外环境温度确定腔体(1)内外环境温度的差异性，确定系统适应户外环境能力。通过湿度传感器监测腔体(1)内部的湿度状况，湿度异常时说明腔体(1)密封或者透气阀(21)出现问题，需要维护及更换，提高系统的稳定性与可靠性，防止因环境因素损坏贵重微波器件。腔体下盖板(3)设计有透气阀(21)、加热模块供电口(22)、信号输出口(23)、电路板供电口(24)和对称周期天线信号输入口(25)所用接头均为防水接头。电路板通过485协议与外界进行通讯，将铁氧体磁环安装在控制线和射频接收模块的输入输出的信号线上，缓解系统连接高频干扰，提高射频接收模块的电磁兼容性，更进一步提高电波环境测试数据的可靠性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明射频接收机模块外部结构示意图；
图3为本发明腔体结构示意图；
图4为本发明腔体下盖板结构示意图；
图5为本发明固定板与热传导衬垫结构示意图；
图6为本发明微波开关结构示意图；
图7为本发明微波原理图。
具体实施方式
以下结合附图进一步描述并给出实施例。
本发明所述的一种基于电波环境测试的射频接收机模块，该接收机模块是由腔体、腔体上盖板、腔体下盖板、第一固定板、第二固定板、第一卡扣、第二卡扣、第一标准噪声源、第二标准噪声源、第一微波开关、第二微波开关、第三微波开关、第四微波开关、第五微波开关、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、高通滤波器、控制电路板、固定环、支撑杆锁紧固件、支撑杆、热传导衬垫组成；腔体1为上下开口的圆柱形，腔体上盖板2上沿与腔体1上端法兰平齐，腔体下盖板3嵌入到腔体1下端法兰内侧；在腔体上盖板2上开设有喇叭天线信号输入口26的接口，腔体下盖板3分别开设有透气阀21、加热模块供电口22、信号输出口23、电路板供电口24和对称周期天线信号输入口25的接口，腔体下盖板3上开设的透气阀21，保证腔体1内外气体交换，且防止水汽通过透气阀21进入；腔体上盖板2与腔体下盖板3之间分别由上下两个平行放置的第一固定板4和第二固定板5支撑固定；在第一固定板4的正面分别设有第一标准噪声源6，控制电路板10、第一微波开关11和第三微波开关13，第一标准噪声源6通过第一卡扣8固定，在第一固定板4的反面通过第二卡扣9固定第二标准噪声源7，第一低噪声放大器16固定在第一固定板4的反面；在第二固定板5的正面分别设有第二微波开关12、第四微波开关14、第二低噪声放大器17、第三低噪声放大器18和第四低噪声放大器19，在第二固定板5的反面分别设有第五微波开关15和高通滤波器20；喇叭天线29底座与腔体1上沿法兰和腔体上盖板2通过螺丝固定，喇叭天线29信号线连接至喇叭天线信号输入口26；固定环30的中心部位通过螺丝与腔体下盖板3固定，固定环30的外圈与腔体1下端法兰通过螺丝固定，在固定环30的中心部位通过支撑杆锁紧固件31与支撑杆32连接固定；对称周期天线33信号线穿过支撑杆32内部连接至对称周期天线信号输入口25；
第一微波开关11输入端上的一路连接对称周期天线信号输入口25进入的信号，另一路连接第一标准噪声源6信号，第一微波开关11输出端与第一低噪声放大器16连接，第一低噪声放大器16输出端与第二微波开关12中的一路输入端口连接；第三微波开关13输入端中的一路连接喇叭天线信号输入口26进入的信号，另一路连接第二标准噪声源7信号，第三微波开关13输出端与第四微波开关14输入端连接，第四微波开关14中的一路输出端与第三低噪声放大器18连接，另一路输出端与第四低噪声放大器19连接；第三低噪声放大器18与第四低噪声放大器19的输出端分别与第五微波开关15中的两路输入端连接，第五微波开关15中的输出端与高通滤波器20连接，高通滤波器20输出端与第二微波开关12中的另一路输入端连接，第二微波开关12输出端与第二低噪声放大器17连接，第二低噪声放大器17输出端接信号输出口23，将最终信号输出给外部的计算机和数据处理终端；
腔体1上沿法兰处设有第一密封槽27，在第一密封槽27内放置密封圈，保持腔体1与喇叭天线29之间的密封性，腔体下盖板3的侧面设有第二密封槽28，在第二密封槽28内放置密封圈，保持腔体1与腔体下盖板3之间的密封性；腔体下盖板3上开设的透气阀21，保证腔体1内外气体交换，且防止水汽通过透气阀21进入；
第一固定板4和第二固定板5与腔体上盖板2和腔体下盖板3之间的固定连接处放置热传导衬垫34，用于机械部件相互之间热量传递；
参照图7，进行100MHz-2GHz测试时，打开第一微波开关11切换至1号输入口，打开第二微波开关12切换至1号输入口；进行100MHz-2GHz校准时，打开第一微波开关11切换至2号输入口，打开第二微波开关12切换至1号输入口；进行2GHz-6GHz测试时，打开第三微波开关13切换至1号输入口，打开第四微波开关14切换至1号输入口，打开第五微波开关15切换至1号输出口，打开第二微波开关12切换至2号输入口；进行2GHz-6GHz校准时，打开第三微波开关13切换至2号输入口，打开第四微波开关14切换至1号输入口，打开第五微波开关15切换至1号输出口，打开第二微波开关12切换至2号输入口；进行6GHz-12GHz测试时，打开第三微波开关13切换至1号输入口，打开第四微波开关14切换至2号输入口，打开第五微波开关15切换至2号输出口，打开第二微波开关12切换至2号输入口；进行6GHz-12GHz校准时，打开第三微波开关13切换至2号输入口，打开第四微波开关14切换至2号输入口，打开第五微波开关15切换至2号输出口，打开第二微波开关12切换至2号输入口；
接收机模块设计有4个传感器，分别为电路板温度传感器、标准噪声源就近温度传感器、环境温度传感器、电路板湿度传感器，可将这四个参数实时传输给远程控制端，操作人员可远程采集上述各项参数；依据测试需求控制云台实现水平极化测试和垂直极化测试。
Claims (4)
1.一种基于电波环境测试的射频接收机模块，其特征在于该接收机模块是由腔体、腔体上盖板、腔体下盖板、第一固定板、第二固定板、第一卡扣、第二卡扣、第一标准噪声源、第二标准噪声源、第一微波开关、第二微波开关、第三微波开关、第四微波开关、第五微波开关、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、高通滤波器、控制电路板、固定环、支撑杆锁紧固件、支撑杆、热传导衬垫组成；腔体（1）为上下开口的圆柱形，腔体上盖板（2）上沿与腔体（1）上端法兰平齐，腔体下盖板（3）嵌入到腔体（1）下端法兰内侧；在腔体上盖板（2）上开设有喇叭天线信号输入口（26）的接口，腔体下盖板（3）分别开设有透气阀（21）、加热模块供电口（22）、信号输出口（23）、电路板供电口（24）和对称周期天线信号输入口（25）的接口； 腔体上盖板（2）与腔体下盖板（3）之间分别由上、下两个平行放置的第一固定板（4）和第二固定板（5）支撑固定；在第一固定板（4）的正面分别设有第一标准噪声源（6），控制电路板（10）、第一微波开关（11）和第三微波开关（13），第一标准噪声源（6）通过第一卡扣（8）固定，在第一固定板（4）的反面通过第二卡扣（9）固定第二标准噪声源（7），第一低噪声放大器（16）固定在第一固定板（4）的反面；在第二固定板（5）的正面分别设有第二微波开关（12）、第四微波开关（14）、第二低噪声放大器（17）、第三低噪声放大器（18）和第四低噪声放大器（19），在第二固定板（5）的反面分别设有第五微波开关（15）和高通滤波器（20）；喇叭天线（29）底座与腔体（1）上沿法兰和腔体上盖板（2）通过螺丝固定，喇叭天线（29）信号线连接至喇叭天线信号输入口（26）；固定环（30）的中心部位通过螺丝与腔体下盖板（3）固定，固定环（30）的外圈与腔体（1）下端法兰通过螺丝固定，在固定环（30）的中心部位通过支撑杆锁紧固件（31）与支撑杆（32）连接固定；对称周期天线（33）信号线穿过支撑杆（32）内部连接至对称周期天线信号输入口（25）。
2.根据权利要求1所述的一种基于电波环境测试的射频接收机模块，其特征在于第一微波开关（11）输入端一路连接对称周期天线信号输入口（25）进入的信号，另一路连接第一标准噪声源（6）信号，第一微波开关（11）输出端与第一低噪声放大器（16）连接，第一低噪声放大器（16）输出端与第二微波开关（12）中的一路输入端口连接；第三微波开关（13）输入端中的一路连接喇叭天线信号输入口（26）进入的信号，另一路连接第二标准噪声源（7）信号，第三微波开关（13）输出端与第四微波开关（14）输入端连接，第四微波开关（14）中的一路输出端与第三低噪声放大器（18）连接，另一路输出端与第四低噪声放大器（19）连接；第三低噪声放大器（18）与第四低噪声放大器（19）的输出端分别与第五微波开关（15）中的两路输入端连接，第五微波开关（15）中的输出端与高通滤波器（20）连接，高通滤波器（20）输出端与第二微波开关（12）中的另一路输入端连接，第二微波开关（12）输出端与第二低噪声放大器（17）连接，第二低噪声放大器（17）输出端接信号输出口（23），将最终信号输出给外部的计算机和数据处理终端。
3.根据权利要求1所述的一种基于电波环境测试的射频接收机模块，其特征在于腔体（1）上沿法兰处设有第一密封槽（27），在第一密封槽（27）内放置密封圈，保持腔体（1）与喇叭天线（29）之间的密封性；腔体下盖板（3）的侧面设有第二密封槽（28），在第二密封槽（28）内放置密封圈，保持腔体（1）与腔体下盖板（3）之间的密封性；腔体下盖板（3）上开设的透气阀（21），保证腔体（1）内外气体交换，且防止水汽通过透气阀（21）进入。
4.根据权利要求1所述的一种基于电波环境测试的射频接收机模块，其特征在于第一固定板（4）和第二固定板（5）分别与腔体上盖板（2）和腔体下盖板（3）之间的固定连接处放置热传导衬垫（34），用于机械部件相互之间热量传递。
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