CN115333650A - 一种利用高阻接收机的宽带频谱探测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种利用高阻接收机的宽带频谱探测系统。利用高阻接收机的宽带频谱探测系统包括：锥形天线、接收机；其中，接收机包括微波开关、高阻放大器、放大接收模块、数字采集模块、微型计算机。通过本申请的电小天线，天线内部无驻波，天线有较大的容抗，天线上激励产生的电压可以大部分地分压到后端的高输入阻抗放大器上；天线感应电压放大，实现全带宽内非常平滑的系统响应；采用三阻值负载对系统进行绝对定标的方案，实现系统的精确自定标。本申请提出的宽带探测技术可以实现多个倍频程的探测，突破了测量系统的难题，实现宽带同时测量，方便宽带拟合和提取宇宙黎明21cm信号。

Description

一种利用高阻接收机的宽带频谱探测系统

技术领域

本申请涉及频谱测量技术领域，特别是涉及一种利用高阻接收机的宽带频谱探测系统。

背景技术

频谱测量是指在频域内测量信号的频率分量，以获得该信号的多种参数和该信号所通过的网络的参数。频谱测量在电子系统测试测量以及雷达信号分析等领域有广泛应用。对于某些领域，需在频谱结构中测量到待测信号在背景信号上的非常细微的变化，才能得到待测信号的特征。如针对宇宙黎明时期(按照宇宙演化模型，宇宙演化可分为宇宙黑暗时代、宇宙黎明、再电离时期、现代宇宙几个阶段)的全天频谱(即21cm信号)测量。相比银河系辐射等前景，高红移宇宙的21cm信号非常微弱，信号幅度比前景低约5个数量级左右，这就需要超高精度的频谱测量技术。

利用高精度射电频谱探测技术探索宇宙黎明时代是目前国际射电天文领域的一个重要的研究方向，宇宙黎明时代的中性氢原子可产生21cm波长的谱线信号，经过红移后现在处于米波频段，21cm全天谱仅用单天线即可测量，这为了解宇宙早期演化历史提供了极难得的观测机会。目前国际上进行宇宙黎明全天频谱探测，主要在30-200MHz频段范围内展开，技术主要是采用匹配接收天线和接收机进行探测。这种技术的特点是只能实现一个倍频程的观测，主要原因是天线很难在多个倍频程都匹配到接收机的50欧姆特征阻抗，所以目前这种类型的探测接收系统通常只能实现一个倍频程的观测，最典型的例子是是著名的美国EDGES系统。

针对上述的现有技术中存在的宽带频谱探测系统中，只能实现一个倍频程的观测而无法实现多个倍频程的观测的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本公开提供了一种利用高阻接收机的宽带频谱探测系统，以至少解决现有技术中存在的难题，该难题主要是匹配天线接收机系统只能测量一个倍频程的缺点，无法全频段同时测量，并抽取21cm信号特征，由于21cm信号特征宽度比较宽，预言的宽度有几十MHz，这样只有一个倍频程的观测就有可能造成对21cm信号的抽取的产生严重畸变。本申请的目的是，突破目前传统的21cm宇宙黎明全天频谱测量技术在频率范围内只能测量一个倍频程的缺点，实现全频段全宽带同时测量。

根据本申请的一个方面，提供了一种利用高阻接收机的宽带频谱探测系统，包括：锥形天线(100)、接收机(2)；其中，接收机(2)包括微波开关(200)、高阻放大器(300)、放大接收模块(400)、数字采集模块(500)、微型计算机(600)；

锥形天线(100)的输出端连接微波开关(200)的一个输入端；

所述微波开关(200)还有三个输入端，分别一一对应连接作为校准模块的三个负载；微波开关(200)的输出端连接高阻放大器(300)的输入端；

所述高阻放大器(300)的输出端连接放大接收模块(400)的输入端；

所述放大接收模块(400)的输出端连接数字采集模块(500)的输入端；

所述数字采集模块(500)的输出端连接微型计算机(600)的输入端；

所述微型计算机(600)的输出端通过控制线连接微波开关(200)的反馈控制端。

进一步地，所述锥形天线(100)的开口顶部宽度为400mm，高度小于30cm，天线(100)的开口底部宽度为40mm。

进一步地，所述锥形天线(100)的高度为260mm。

进一步地，所述天线(100)的开口底部通过连接件(700)与接收板(800)连接，所述接收板(800)连接微波开关(200)的所述一个输入端。

进一步地，所述连接件(700)的高度为45mm，接收板(800)的宽度为550mm。

进一步地，所述放大接收模块(400)，用于对高阻放大器(300)的输出信号进行放大接收；

所述数字采集模块(500)，用于对放大接收模块(400)的输出信号进行数字采集；

所述微型计算机(600)，用于对数字采集模块(500)的输出信号进行计算，并通过控制线将控制信号发送给微波开关(200)的反馈控制端。

进一步地，所述高阻放大器后端输出的功率如下式所示：

其中第一项4RKT|S₁|²为天线或负载的噪声温度贡献、第二项

为噪声电流的贡献、第三项

为噪声电压的贡献；R为负载或天线电阻，K为玻尔兹曼常数，T为负载的物理温度或天线的等效噪声温度，i_noise为高阻放大器等效电流噪声，V_noise为高阻放大器等效电压噪声，g为增益因子；S₁，S₂为传输因子。

进一步地，S₁，S₂的计算公式如下：

其中Γ_r为高阻放大器的反射系数，Γ_a为负载或天线端的反射系数，Z₀，β，l分别为传输线的特征阻抗、传输系数的虚部相移因子和长度。

进一步地，所述作为校准模块的三个负载的阻抗值互不相同。

从而根据本申请的技术方案，通过本申请巧妙设计的波瓣与频率无关的电小天线，天线内部无驻波，天线有较大的容抗，天线上激励产生的电压可以大部分地分压到后端的高输入阻抗放大器上；宽带接收机采用高输入阻抗放大器，天线感应电压放大，实现全带宽内非常平滑的系统响应；采用三阻值负载对系统进行绝对定标的方案，实现系统的精确自定标。本申请提出的宽带探测技术可以实现多个倍频程的探测，突破了测量系统的难题，实现宽带同时测量，方便宽带拟合和提取宇宙黎明21cm信号。

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本申请实施例所述的利用高阻接收机的宽带频谱探测系统的示意图；

图2是图1所示的锥形天线的示意图；

图3是根据本申请实施例所述的高阻放大器前端等效电路图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1是根据本申请实施例所述的利用高阻接收机的宽带频谱探测系统的示意图，参考图1所示，本申请主要利用一套精密设计的电小天线、高阻接收机和校准模块，实现宽带的21cm信号接收和校准，系统框图如图1所示，包括：锥形天线(100)、接收机(2)。接收机(2)包括微波开关(200)、高阻放大器(300)、放大接收模块(400)、数字采集模块(500)、微型计算机(600)。

锥形天线(100)的输出端连接微波开关(200)的一个输入端。

接收机(2)内，微波开关(200)还有三个输入端，分别连接作为校准模块的负载R1、负载R2、负载R3。微波开关(200)的输出端连接高阻放大器(300)的输入端。

高阻放大器(300)的输出端连接放大接收模块(400)的输入端。

放大接收模块(400)的输出端连接数字采集模块(500)的输入端。

数字采集模块(500)的输出端连接微型计算机(600)的输入端。

微型计算机(600)的输出端通过控制线连接微波开关(200)的反馈控制端。

如图2所示，为本申请的波瓣与频率无关的电小锥形天线(100)，天线波瓣主要由锥角决定，与频率基本无关。该锥形天线(100)的开口顶部宽度为400mm，高度小于30cm，优选260mm，天线(100)的开口底部宽度为40mm。天线(100)的开口底部通过连接件(700)与接收板(800)连接。其中，连接件(700)的高度为45mm，接收板(800)的宽度为550mm。天线(100)的尺寸远小于探测波长，因此不会在天线(100)内部形成较大的驻波。并且天线(100)有较大的容抗，比后端连接的高阻放大器(300)的容抗大，天线(100)上激励产生的电压可以大部分地分压到后端的高阻放大器(300)上。

高阻放大器(300)，也可称为高输入阻抗放大器，高输入阻抗地测量天线(100)馈入的电压，不需要考虑天线(100)与放大器(300)之间的匹配，实现全带宽内非常平滑的系统响应。

放大接收模块(400)，用于对高阻放大器(300)的输出信号进行放大接收。

数字采集模块(500)，用于对放大接收模块(400)的输出信号进行数字采集。

微型计算机(600)，用于对数字采集模块(500)的输出信号进行计算，并通过控制线将控制信号发送给微波开关(200)的反馈控制端。

本申请的工作原理如下：

微波开关(200)和校准模块，通过三个不同阻值R1、R2、R3的精密校准件可以求解出系统的电压噪声、电流噪声和系统增益这三个系统参数，实现对系统参数的绝对定标。

如图3所示，为高阻放大器前端等效电路图。其中VR为负载或天线的电压，R为负载或天线的电阻。V_noise为高阻放大器的等效电压噪声，i_noise为高输入阻抗放大器等效电流噪声。R_input为高阻放大器的等效输入电阻。

本申请的利用高阻接收机的宽带频谱探测系统，校准的原理如下，首先高阻放大器后端输出的功率如下式所示：

其中第一项4RKT|S₁|²为天线或负载的噪声温度贡献、第二项

为噪声电流的贡献、第三项

为噪声电压的贡献。R为负载或天线电阻，K为玻尔兹曼常数，T为负载的物理温度或天线的等效噪声温度，i_noise为高输入阻抗放大器等效电流噪声，V_noise为高输入阻抗放大器等效电压噪声，g为增益因子，将电压的平方转换为功率。S₁，S₂为传输因子，主要将噪声电压折算到高阻放大器输入端：

其中Γ_r、Γ_a为高阻放大器和负载(或天线)端的反射系数，Z₀，β，l分别为传输线的特征阻抗、传输系数的虚部相移因子和长度。在上面的方程中共有三个未知参数g，i_noise，V_noise，其他为测量量，通过对已知物理温度的三个不同阻抗的负载R1、R2、R3的测量就可以求解出这三个未知参数。当对天空进行测量时，联合利用天线的测量阻抗R，就可以得到天线测量时对应的等效天线噪声温度。

从而根据本申请的技术方案，通过本申请巧妙设计的波瓣与频率无关的电小天线，天线内部无驻波，天线有较大的容抗，天线上激励产生的电压可以大部分地分压到后端的高输入阻抗放大器上；宽带接收机采用高输入阻抗放大器，天线感应电压放大，实现全带宽内非常平滑的系统响应；采用三阻值负载对系统进行绝对定标的方案，实现系统的精确自定标。本申请提出的宽带探测技术可以实现多个倍频程的探测，突破了测量系统的难题，实现宽带同时测量，方便宽带拟合和提取宇宙黎明21cm信号。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种利用高阻接收机的宽带频谱探测系统，其特征在于，包括：锥形天线(100)、接收机(2)；其中，接收机(2)包括微波开关(200)、高阻放大器(300)、放大接收模块(400)、数字采集模块(500)、微型计算机(600)；

锥形天线(100)的输出端连接微波开关(200)的一个输入端；

所述微波开关(200)还有三个输入端，分别一一对应连接作为校准模块的三个负载；微波开关(200)的输出端连接高阻放大器(300)的输入端；

所述高阻放大器(300)的输出端连接放大接收模块(400)的输入端；

所述放大接收模块(400)的输出端连接数字采集模块(500)的输入端；

所述数字采集模块(500)的输出端连接微型计算机(600)的输入端；

所述微型计算机(600)的输出端通过控制线连接微波开关(200)的反馈控制端。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述锥形天线(100)的开口顶部宽度为400mm，高度小于30cm，天线(100)的开口底部宽度为40mm。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述锥形天线(100)的高度为260mm。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，

所述天线(100)的开口底部通过连接件(700)与接收板(800)连接，所述接收板(800)连接微波开关(200)的所述一个输入端。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述连接件(700)的高度为45mm，接收板(800)的宽度为550mm。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述放大接收模块(400)，用于对高阻放大器(300)的输出信号进行放大接收；

所述数字采集模块(500)，用于对放大接收模块(400)的输出信号进行数字采集；

所述微型计算机(600)，用于对数字采集模块(500)的输出信号进行计算，并通过控制线将控制信号发送给微波开关(200)的反馈控制端。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述高阻放大器后端输出的功率如下式所示：

其中第一项4RKT|S₁|²为天线或负载的噪声温度贡献、第二项

为噪声电流的贡献、第三项

为噪声电压的贡献；R为负载或天线电阻，K为玻尔兹曼常数，T为负载的物理温度或天线的等效噪声温度，i_noise为高阻放大器等效电流噪声，V_noise为高阻放大器等效电压噪声，g为增益因子；S₁，S₂为传输因子。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

S₁，S₂的计算公式如下：

其中Γ_r为高阻放大器的反射系数，Γ_a为负载或天线端的反射系数，Z₀，β，l分别为传输线的特征阻抗、传输系数的虚部相移因子和长度。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述作为校准模块的三个负载的阻抗值互不相同。

Images