基于斩波轮技术的K波段接收机噪声校准研究

接收机是射电天文中用于探测微弱射电信号的重要接收设备.接收机的强度校准就是将接收机对射电源的响应转换为天文意义上的流量密度.常规方法就是使用经典的冷热负载法,将接收机自身的强度响应转换为一个等效的温度值,之后再据此对射电源做进一步标定.通过搭建基于斩波轮技术的K波段接收机强度校准平台,使用斩波轮法测试K波段常温接收机的噪声温度,并与传统冷热负载法的测试结果进行比对.结果显示,在晴好天气条件下,斩波轮法在30°、90°仰角下噪声温度的最大测试误差为7.5%和8.4%,可以很好地应用于实际噪声温度测试中;但在5°仰角测试中,由于过低仰角引入了地面噪声,使得斩波轮法的测试误差上升至20%–30%之间而无法使用.希望在此基础上进一步开展K波段天空亮温度的理论计算与实测,从而完善斩波轮技术的应用,使之可以满足在不同气象条件下的噪声校准测试需求.     

K波段常温接收机噪声注入定标方法分析研究

噪声注入定标方法作为厘米波段一种常规强度校准方式被广泛应用。通过组建K波段常温接收机及其定标平台,在室内20℃下使用传统冷热负载法标定接收机噪声温度及噪声源温度,之后在室外-7℃使用同样的方法再次标定上述参数,并利用室内标定的噪声源进一步标定室外环境中接收机的噪声温度。测试结果表明,在环境温度变化约27℃时,接收机噪声温度定标差异约为50.5%,标准噪声源定标差异约为41%。由此得知,如果将噪声注入法应用于常温接收机定标中,首先需考虑对接收机进行恒温处理,另外可采取对注入的标准噪声源进行温度补偿,使其可以更加精确地应用于二次定标。     

边带分离型超导SIS接收机本振耦合噪声研究

超导SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor)接收机因极低的接收机噪声温度成为毫米波和亚毫米波段射电天文观测的首选.本振系统耦合噪声也是接收机噪声的一部分,在多年的天文观测中,发现本振耦合噪声无法完全忽略,对天文观测的灵敏度有一定影响.采用两个不同种类的信号发生器作为本振系统初级信号源,测试了超导SIS接收机的噪声温度,发现信号发生器输出的基底噪声能够耦合到接收机内部,从而增加接收机噪声强度.分析研究了本振系统热噪声和信号发生器基底噪声对接收机噪声的影响.通过在信号发生器输入端加入窄带滤波器滤除其基底噪声,消除了信号发生器基底噪声引入的接收机噪声,降低了接收机的整体噪声,提高了望远镜的灵敏度.     

2～18 GHz超宽带低噪声放大器芯片研制

低噪声放大器在射电天文望远镜接收机中是一个重要的前端组件,其性能对接收机的灵敏度和噪声有至关重要的影响。采用OMMIC公司70 nm GaAs mHEMT工艺研究和设计了一款工作频率为2～18 GHz的超宽带单片微波集成低噪声放大器芯片,芯片面积为2 mm×1 mm。放大器电路采用三级级联放大、双电源供电拓扑结构,常温在片测试结果显示,全频带增益大于28 dB,噪声温度平均值为93 K,直流功耗150 mW,无条件稳定。该放大器芯片覆盖了射电天文S, C, X, Ku 4个传统观测波段,适用于厘米波段超宽带接收前端和毫米波段超宽带中频放大模块。     

基于Python的SKA-RASCIL中的天线增益校准实现

天线增益校准是射电天文观测数据处理过程中的一个关键步骤。分析了经典的天线增益校准算法Antsol的基本原理,并基于Python对Antsol算法进行了高性能实现,所完成的程序代码已经集成到平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)的射电天文模拟校准成像软件(Radio Astronomy Simulation,Calibration and Imaging Library,RASCIL)中,不仅为当前平方公里阵列数据处理提供了支撑,也为未来数据处理的性能优化提供算法参考。     

基于100 nm砷化镓pHEMT工艺的C波段宽带低噪声放大器芯片

作为射电天文接收机系统的关键器件, 低噪声放大器的噪声和增益性能对接收机系统的灵敏度有重要影响. 采用100nm砷化镓赝配高电子迁移率晶体管(pseudomorphic High Electron Mobility Transistor, pHEMT)\lk工艺, 研制了一款可覆盖C波段(4--8GHz)的低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA). 所设计的LNA采用3级共源级联放大拓扑结构, 栅极、漏极双电源供电. 常温下测试表明, 该LNA在4--8GHz频段内平均噪声温度为\lk60K, 在5GHz处获得最低噪声温度50K, 通带内增益($31\pm1.5$)dB, 输入输出回波损耗均优于10dB, 芯片面积为$2.1\times1.1$mm², 可以应用于C波段射电天文接收机以及卫星通信系统等.     

基于Python-casacore的射电测量集文件生成方法

测量集(MeasurementSet, MS)是射电天文领域重要的文件格式,并逐渐成为射电天文数据存储、分析与共享的标准格式,得到越来越多的天文数据处理软件的支持,在阿塔卡玛大型毫米波天线阵(Atacama Large Millimeter Array, ALMA)、LOFAR等射电望远镜系统中已经深入应用。但长期以来,测量集格式在国内应用较少,介绍了测量集格式的基本概念、目录结构和字段设计,在此基础上讨论了利用Python-casacore调用底层Casacore生成测量集文件的方法,将实现程序集成到射电天文模拟校准成像库(Radio Astronomy Simulation, Calibration and Imaging Library, RASCIL),生成仿真观测测量集文件,并利用CASA(Common Astronomy Software Applications)软件加以验证。所完成的测量集文件生成软件在满足平方千米阵工程桥接阶段工作需要的同时,也为其后续的成像、观测模拟和文件存储提供了重要支撑,对我国射电天文数据处理工作有较高的参考价值。     

基于以太网的射电天文制冷接收机的监视系统

制冷接收机是射电望远镜的核心设备,它是否正常工作直接决定望远镜观测的效果。制冷接收机的制冷温度和杜瓦真空度是反映接收机是否正常工作的最重要、最直接的指标之一。因此实现制冷接收机制冷温度和杜瓦真空度的远程实时监控,及时了解接收机是否正常工作对保证射电望远镜正常运行、提高观测效率有重要意义。为乌鲁木齐天文站25m射电望远镜1.3cm制冷接收机研制的一套基于单片机和以太网的数据采集和数据传输的远程监视系统,实现了制冷接收机制冷温度和杜瓦真空度的远程实时监控。该系统采用了美国ATMEL公司生产的8位单片机AVR ATmega16、Microchip Technology公司生产的ENC28J60以及MAXIM公司生产的MAX7219,实现对射电天文制冷接收机制冷温度和杜瓦真空度的数据采集,并利用以太网传输数据实现了远程实时监控接收机的制冷状态。阐述了以太网数据采集及远程监控电路的设计原理及其实现方法。该系统首次在国内大型射电望远镜上实现了对制冷接收机工作状态的远程实时监控,对于保证乌鲁木齐天文站25m射电望远镜1.3cm波段的观测效果有重要作用。     

用射电天文方法测量20米天线参数

本文报导由全功率辐射计、作为初级噪声校准源的室温和低温微波黑体、作为次级噪声校准源的同轴固态噪声源、集录和处理数据的微机等设备以及从空间注入校准噪声的准光校准技术组成的测量天线电参数的射电天文方法。用此方法测量了一具口径20米的卫星通讯天线的天线噪声温度、天线口面效率、天线方向图半功率点宽度等参数。测量结果表明这套方法简易可行,精度较高并有推广价值。     

新疆奇台110米射电望远镜主焦点馈源换馈方案研究

随着射电天文研究的不断深入,科学家对望远镜分辨率和灵敏度的要求也不断提高,同时要求望远镜具有更宽的观测波段。单口径望远镜低频波段用主焦点接收,馈源尺寸可以更紧凑。为了不影响双反射面天线次焦点的馈电功能,主焦点馈源的放置及换馈方案必须高效合理。以建于新疆奇台的110 m口径全可动射电望远镜为研究对象,以意大利SRT 64 m和德国Effelsberg 100 m射电望远镜为参考,对两种方案应用于奇台110 m射电望远镜的可行性进行分析,并提出一种利用线性模组进行主焦馈源快速切换的新型方案。进行了直线模组机构的建模和仿真,并对口径面信号遮挡进行了分析,结果表明,此方案能有效满足望远镜的工作需求。     

宽频带波纹波导差分移相器的研究

波导极化器是射电天文接收机系统中的重要微波器件,其核心部分是差分移相器。通过对移相器的分析,详细研究了宽带波纹方波导差分移相器的特性。应用电磁仿真软件对32 GHz~48 GHz(7 mm波段)的波纹方波导移相器结构进行了设计与优化,在整个带宽范围内得到90°±7.5°的良好相移特性,驻波比仅仅为1.02。研制具备尺寸小、性能优和宽频特点的差分移相器满足射电天文接收机发展需求,可以改善接收机的性能,并有效提高对天文射电源相关特性等的观测能力。     

一种55～65 MHz频段射电天文天线阵接收机的设计

30~300 MHz的低频段陆基天线阵是重要的射电观测设备,在该频段进行射电观测面临无线电环境复杂、天空背景温度高等特点。介绍了一种基于微波芯片设计的新型低频段模拟接收机。接收机由初级带通滤波器(30~70 MHz)、初级放大器、次级带通滤波器(55~65 MHz)、180°移相器、两个次级放大器组成。在测试云南天文台短波段无线电环境的基础上,接收机实现了对55~65 MHz可观测频段的选通和放大,整机噪声约为320 K,增益63 d B左右。同时作为中国射电天文低频阵前期研究的一部分,由于采用单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)芯片,接收机具有体积小、成本低、易于量产等特点。     

大气衰减以及毫米波与亚毫米波观测的强度校准

在标准的斩波轮校准法的基础上,讨论毫米波与亚毫米波天文观测的校准过程。用一个常温温标可以为单边带和双边带接收模式建立强度标准。在毫米波和亚毫米波段,地面观测受到多变的大气不透明度的普遍影响。这一效应对双边带接收机尤为严重。文中讨论了大气效应在不同中频下带来的误差,并计算了有关的误差范围,文章指出了在大气不透明度显著时,单边带校准是能够将误差降低在１０％以内的有效方法。提出一种双边带观测、单边带校准的原理结构,作为代替单边带校准的一种变形模式以满足毫米波及亚毫米波观测的需要。     

大质量星系团弥散辐射研究

星系团中的弥散辐射通常以位于中心区域的射电晕或周围区域的射电遗迹形式存在。根据星系团弥散辐射的陡谱特性,通过宽带低频射电波段的观测,能够得到其中射电晕及射电遗迹的频谱特征,从而帮助理解星系团的形成与演化过程。通过分析默奇森宽场阵列(Murchison Widefield Array,MWA)、澳大利亚望远镜阵列(Australia Telescope Compact Array,ATCA)在射电波段对位于红移z=0.098的星系团SPT J2201-5956和位于z=0.232的星系团SPT J2023-5535的观测数据,得到了对应两个星系团的弥散辐射特性。分析结果表明SPT J2201-5956中弥散辐射的谱指数为-1.68_(-0.27)~(+0.27),其来源可能为星系团中的死亡星系;SPT J2023-5535中弥散辐射的谱指数为-1.21_(-0.02)~(+0.02),且其辐射位于星系团的中心区域,因此可以认为该星系团中的弥散源是射电晕候选体。     

制冷HEMT低噪声放大器偏置电源的研制

高电子迁移率晶体管(HEMT)目前被广泛应用于高灵敏度(低噪声)射电天文接收机中. 在低温制冷环境下,其低噪声性能更佳,但对偏置供电系统要求很高,只有在特定的偏置条件下才能得到最佳的低噪声、高增益、高稳定性.本文提供了一套可调试、高稳定、高可靠性、带远程监控功能的可供多级低温制冷HEMT管的偏置电源的设计思路、方法和制作,使在低温制冷状态下的HEMT管能够稳定、安全、可靠地工作在最佳状态.     

姿态卡尔曼滤波对FAST馈源舱 BDS/SINS组合导航位姿精度的提高

500 m球面射电望远镜(The Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)馈源舱位置和姿态测量精度直接影响望远镜接收机的对准精度.为了提高馈源舱位姿精度,提出姿态卡尔曼滤波算法,采用北斗导航系统的多天线技术解算馈源舱姿态,将它与捷联惯导解算的馈源舱姿态对比,两者的差值作为姿态卡尔曼滤波的量测量.为了降低北斗导航系统解算姿态的复杂度,采用了罗德里格矩阵解算方法.以望远镜跟踪观测模式时,北斗导航系统和捷联惯导解算的实际导航结果作为测试数据,测试结果表明采用姿态卡尔曼滤波的组合导航结果精度优于传统卡尔曼滤波的组合导航结果,尤其在航向角和yf轴的位置精度上.     

相控阵馈源MVDR波束合成器缓解RFI仿真

相控阵馈源(Phased array feeds, PAFs)接收机作为下一代微波接收机,为大口径射电天文望远镜的射电干扰(Radio Frequency Interference, RFI)缓解工作带来了新的解决方法. PAFs接收机对射电望远镜焦平面的电磁波进行空域采样,返回时域阵列信号,使用最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)波束合成器可以自适应地识别RFI的方向,同时抑制RFI在输出信号中的功率,从而达到提升射电望远镜灵敏度的效果.仿真结果表明MVDR波束合成器对有源高能量的射电干扰有很强的识别能力和一定程度的缓解能力,同时,该波束合成器对各阵元信道中加性噪声累积引起的无源干扰有很强的抑制能力,因此, PAFs接收机的MVDR波束合成器可以增强日益复杂电磁波环境下射电望远镜的抗干扰能力.     

相控阵馈源MVDR波束合成器缓解RFI仿真

相控阵馈源(Phased array feeds, PAFs)接收机作为下一代微波接收机, 为大口径射电天文望远镜的射电干扰(Radio Frequency Interference, RFI)缓解工作带来了新的解决方法. PAFs接收机对射电望远镜焦平面的电磁波进行空域采样, 返回时域阵列信号, 使用最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)波束合成器可以自适应地识别RFI的方向, 同时抑制RFI在输出信号中的功率, 从而达到提升射电望远镜灵敏度的效果. 仿真结果表明MVDR波束合成器对有源高能量的射电干扰有很强的识别能力和一定程度的缓解能力, 同时, 该波束合成器对各阵元信道中加性噪声累积引起的无源干扰有很强的抑制能力, 因此, PAFs接收机的MVDR波束合成器可以增强日益复杂电磁波环境下射电望远镜的抗干扰能力.     

孔径阵列技术及其在射电天文中的应用

该文概述了近十余年来得到较多研究和发展的孔径阵列技术及其在射电天文中的应用,如高效馈源照明、扩大单反射面射电望远镜的视场、高效多波束、射频干扰抑制、对射电望远镜反射面缺陷的补偿等.随着孔径阵列(Aperture Array Tiles,简称 AAT)技术的日益成熟和成本的降低,AAT技术有可能成为全新一代射电望远镜(例如无反射面射电望远镜和软件射电望远镜)的基石.     

W波段宽带正交模耦合器设计

W波段接收机系统能有效接收多条重要的射电天文分子谱线信息,对于天文观测和科学研究有重要意义。W波段正交模耦合器(Ortho-Mode Transducer, OMT)作为接收机系统实现极化分离的关键器件,其性能对接收机整体性能有重要影响。介绍了一款基于Boifot结构的W波段宽带正交模耦合器,并介绍了正交模耦合器的工作原理和设计流程。仿真结果表明,在70～116 GHz频带内,正交模耦合器相对带宽达到49.4%,回波损耗优于18.7 dB,交叉极化优于55.8 dB,端口隔离度优于54 dB。