CN107732462A - 一种射电天文望远镜系统 - Google Patents

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刘海文
朱旗
文品
袁晓伟
郭少杰
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Abstract

本发明公开了一种射电天文望远镜系统，其天线为由微波超材料构建天线主反射面或/和副反射面的抛物面天线；该系统针对几个广泛使用的通信频点，在天线上采用超材料结构，形成空间滤波电路，吸收上述几个频点的信号，同时对上述频点以外信号形成全反射或者透射，不影响正常的射电天文观测。

Description

一种射电天文望远镜系统
技术领域
本发明属于射电天文观测领域，针对目前日益增加的无线电对射电天文观测数据的干扰影响，提出的一种有效的干扰抑制技术。
背景技术
随着电子技术的发展，射电天文设备中的模拟终端逐渐被数字终端取代，这不仅在很大程度上提升射电天文观测的效率，也极大地拓宽了射电观测的频段范围，使得几乎整个无线电频段都纳入了射电天文观测范畴。
与此同时，伴随着无线通信技术，如Wlan、个人移动通信等的发展，无线电频率资源被广泛使用。弥漫在空间中的无线电信号，不可避免地经射电天文望远镜进入射电天文观测设备，形成噪声并干扰天文观测。目前，无线电干扰（RFI）已成为困扰射电天文观测的重要因素。
无线电干扰主要在以下几个方面影响射电天文观测：
1、造成接收机饱和，如果RFI在观测频段上过强，超过模拟接收机任何一级元件的最大输入电平就会造成接收机饱和；在该种情况下，射电接收机无法接收到任何天文信号；
2、由于模数转换器（Analog to digital converter, ADC）的无杂散动态范围（Spurious Free Dynamic Range, SFDR）参数的存在，RFI过强时会导致假谱出现；
3、由于FFT算法自身的一些缺陷，RFI信号的频谱会与通过窗函数和天文信号频谱发生谱间干涉现象，最终形成假谱；并且会导致噪底不平坦，从而影响射电天文信号的相对定标；
4、多RFI通过在传输介质中的相互作用产生令人无法确定频率的交调干扰，这种干扰非常难预料并很难通过传统的方法滤除；
5、在接收机内部，混频时（包括模拟和数字混频两种）RFI信号和本振信号产生的调制频率，也很容易落到感兴趣的射电天文观测频带中，影响到正常的天文信号的恢复与分析。
干扰消除已经成为刻不容缓解决的重要问题，目前采用规避RFI的方法主要有以下几种：
1、”弃”(blanking)，可以分为两种，一是放弃RFI过强的频段，带来的好处是从模拟接收机至数字处理器均无干扰信号注入，二是放弃干扰较强时刻的观测数据，特别是针对脉冲型的干扰（pulse-type signal）可以有效滤除；
2、“阻”(shielding)，通过在接收机链路上相应的无线电干扰频点设置陷波器（notchfilter）的办法可以”阻击”RFI，这样做的好处是观测带宽损失较少，并且价格低廉，如果陷波器设置合理则有可能获得“纯净”的频段；
3、采用空间波束形成方法(spatial beam forming techniques ) ：包括后处理旁瓣干扰消除技术（post processing techniques sidelobe-beam nulling）和主动空间波束形成技术( adaptive beam-forming techniques)避开无线电干扰；
4、数字匹配滤波技术（digital matched filter techniques），利用数字滤波器良好的性能，使滤波器趋近于维纳解（wiener solution）可以达到很好的矩形系数，达到滤除无线电干扰的目的；
5、“躲”，选择良好无线电环境的台址。例如，FAST等一些大型的射电望远镜通过选择优良的台址并且采用无线电频段保护实现了干扰的规避。这样可以避开地面RFI。
上述传统消除干扰的方法均存在问题：（1）“弃”方法减少带宽和积分时间，降低观测灵敏度，需要在后期处理中大量采用信号识别技术，增加处理难度；（2）“躲”受地域、经济等诸多因素局限，在通信技术大规模应用的今天，通过选址来规避RFI 干扰愈加困难；（3）“阻”方法需预知RFI 信号频点，对新增和快速变化的RFI 信号无效；同时，增加模拟滤波器导致整个接收机链路的噪声温度升高；（4）空间波束成形法需预知RFI 信号的方向，对快速闪变干扰源无效。最重要的是，上述方法均不能解决强RFI 干扰问题，如遇WiFi、CDMA 或3G等强信号时，干扰信号直接造成低噪放饱和，接收机无法对整个频段进行观测；而强无线电干扰频段往往是天文上脉冲星、总流量观测等的重要频段。
近年来，超材料（Metamaterial）由于具有不同寻常的电磁特性，是当前国际电磁学研究的前沿课题之一。目前，超材料广泛应用于微波技术、应用光学以及THz 等领域，用来改善微波、光学器件的性能。将微波超材料用于射电天文望远镜系统未见报道，该系统一方面可以有效地去除较强、带宽较窄的无线电干扰；另一方面可以无损耗地反射传输有用的射电观测信号。
发明内容
本发明目的是提供一种射电天文望远镜系统，该系统主要针对厘米波、分米波频段的一些主要无线电干扰信号在天线结构上进行有效的抑制，适用于射电天文观测中无线电干扰抑制和消除领域，主要解决在厘米波和分米波频段几个主要的通信频点对射电天文观测形成的干扰，具有使干扰信号不进入馈源、原有接收机不做系统调整等优点。
本发明射电天文望远镜系统中的天线为由微波超材料构建天线主反射面或/和副反射面的抛物面天线。
所述微波超材料为由表层金属贴片、金属底板、设置在金属贴片和金属底板之间的介质板以及表层金属贴片至金属底板间的过孔形成的空间滤波电路板；针对广泛使用的无线通信频点，空间滤波电路板对干扰射电天文观测的信号进行吸收，同时对干扰频点以外信号形成全反射或者透射，不影响正常的射电天文观测。
其中表层金属贴片、金属底板为铜材料，介质板为常规的环氧树脂、聚四氟乙烯等材料。
所述空间滤波电路板带有针对干扰频点的R-L-C谐振电路。
首先，通过无线电监测确定射电天文望远镜台址，确定几个主要干扰频点的强度信息，例如：WIFI（2400MHz），CDMA(1800MHz)、3G(2140MHz)等；
然后，设计针对上述干扰频点的R-L-C谐振电路，主要思想在于：通过电路板表面的表层金属贴片中金属覆铜的排布、面积、数量等形成等效电感L，通过多层电路板之间的过孔形成电容C，覆铜之间通过电阻R连接，形成谐振电路；根据R-L-C电路谐振频率f和等效电感L、等效电容C及电阻R之间的关系：
；
该谐振电路可以对频率为f的无线电干扰信号进行谐振吸收，达到干扰消除的目的。
再次，在重复上述步骤，根据不同的干扰频点设计不同的金属覆铜参数，形成不同的等效电感Ln、电路板之间的过孔电容Cn、以及采用不同阻值的电阻Rn，从而形成对不同干扰频点fn的R-L-C谐振电路；
最后，根据需要的抛物面天线主反射面或/和副反射面形状，对上述做好的电路板进行赋型，形成需要的形状安装于天线上。
本发明的效果：
本发明在天线结构上采用了滤波方式，较之于传统的射电天文抗干扰方式，干扰信号没有进入馈源内部，为此在不增加接收机复杂性的前提下，对干扰信号形成抑制，同时如果遇到无线电干扰频率变化的情况，也可以通过更换副反射面的方式进行抑制，不影响整个系统链路的构成。
附图说明
图1为谐振电路板结构示意图；
图2为多频点谐振的等效电路示意图；
图3 为微波超材料副面吸收干扰信号示意图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本基于微波超材料的射电天文望远镜系统的天线为由微波超材料构建天线副反射面的抛物面天线。
其中，微波超材料的构建针对几个广泛使用的通信频点，例如GSM、CDMA、wifi等；采用微波超材料构建副反射面，并形成空间滤波电路，吸收这个几个频点的信号；
在设计该类副反射面之前，必须通过无线电监测确定射电天文望远镜台址，确定几个主要干扰频点的强度信息，例如：WIFI（2400MHz），CDMA(1800MHz)、3G(2140MHz)等；
然后在测量得到干扰频点的前提下，针对干扰频点的R-L-C谐振电路，通过电路板表面的金属覆铜的排布、面积、数量等形成等效电感L，通过多层电路板之间的过孔形成电容C，覆铜之间通过电阻R连接，形成谐振电路，针对干扰信号频率f进行谐振；根据L-C电路谐振频率f和等效电感L、等效电容C及电阻R之间的关系：
可以对频率为f的无线电干扰信号进行谐振吸收，达到干扰消除的目的。
再次，针对不同的干扰频率信号fn，再重复上述步骤，根据不同的干扰频率设计不同的金属覆铜参数，形成不同的等效电感Ln、电路板之间的过孔电容Cn、以及采用不同阻值的电阻Rn，从而形成对不同干扰频点fn的R-L-C谐振电路；
最后，根据需要的抛物面天线副反射面形状对上述做好的电路板进行赋型，形成需要的形状安装于天线上。

Claims (3)

1.一种射电天文望远镜系统，其特征在于：天线为由微波超材料构建天线主反射面或/和副反射面的抛物面天线。
2.根据权利要求1所述的射电天文望远镜系统，其特征在于：微波超材料为由表层金属贴片、金属底板、设置在金属贴片和金属底板之间的介质板以及表层金属贴片至金属底板间的过孔形成的空间滤波电路板；针对广泛使用的无线通信频点，空间滤波电路板对干扰射电天文观测的信号进行吸收，同时对干扰频点以外信号形成全反射或者透射，不影响正常的射电天文观测。
3.根据权利要求1所述的射电天文望远镜系统，其特征在于：空间滤波电路板带有针对干扰频点的R-L-C谐振电路。
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